СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО УДАЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Изобретение относится к литейному производству, а именно, к получению стальных отливок по удаляемым моделям.

Известен способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, включающий обработку модельного блока в огнеупорной суспензии, в котором первые один или два слоя выполнены с использованием в качестве связующего гидролизованного раствора этилсиликата и пылевидного диоксида кремния в качестве наполнителя, а последующие слои - с использованием в качестве связующего жидкого стекла и пылевидного диоксида кремния в качестве наполнителя, и последующую обсыпку модельно-керамического блока зернистым материалом на основе диоксида кремния, отличающийся тем, что пылевидный диоксид кремния как наполнитель используют в фазе тридимита с размером фракции до 100 мкм, а зернистый диоксид кремния используют также в фазе тридимита с размером зерен 100-400 мкм. После нанесения первых двух слоев с использованием в качестве связующего гидролизованного раствора этилсиликата наносят разделительный слой на основе алюмоборфосфатного концентрата плотностью 1,25-1,30 г/см³. После нанесения первого слоя с использованием в качестве связующего гидролизованного раствора этилсиликата наносят разделительный слой на основе алюмоборфосфатного концентрата плотностью 1,25-1,30 г/см³. Зернистый материал плакируют алюмоборфосфатным концентратом в количестве 3-5% от массы зернистого материала [1].

Данный способ имеет ряд недостатков. Он характеризуется высокими трудоемкостью, длительностью и сложностью реализации, поскольку требует введения дополнительных операций технологического процесса, в частности, нанесения разделительного слоя на основе алюмоборфосфатного концентрата и плакирования алюмоборфосфатным концентратом зернистого материала. Наличие в составе связующего жидкого стекла может приводить к разупрочнению керамических оболочек, поскольку жидкое стекло обладает низкой термической стойкостью. Кроме того, оболочковые формы, имеющие в своем составе жидкое стекло, могут характеризоваться недостаточно хорошей выбиваемостью.

Известен способ изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей суспензии, обсыпку огнеупорным материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание, отличающийся тем, что, с целью сокращения расхода огнеупорного материала, повышения газопроницаемости, термостойкости и прочности оболочковых форм, третий слой оболочки обсыпают крупной фракцией, а последующие слои - мелкой фракцией предварительно просушенного керамического боя форм (возврата) после выбивки отливок [2].

К недостаткам способа можно отнести введение дополнительной операции сушки керамического боя (возврата) перед использованием, а также тот факт, что возврат используется, начиная с третьего слоя формы, а для формирования первых двух слоев требуются свежие материалы.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления керамических оболочек для литья, преимущественно, по удаляемым моделям, включающий формирование оболочки путем послойной обмазки модельного блока керамической суспензией с последующей обсыпкой огнеупорным материалом и сушкой, удалением моделей и прокалкой, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества литья за счет повышения прочности оболочек на сжатие и на изгиб, а также уменьшения коэффициента термического расширения оболочек и устранения линейной усадки, обмазку проводят составом, масс.%: тонкоизмельченный тридимит и/или кристобалит удельной поверхностью 4000-8000 см²/г с содержанием оксида натрия и/или калия 2,0-6,0 масс.% - 50-70; вода - 30-50, а в качестве обсыпочного материала используют тонкоизмельченный тридимит и/или кристобалит удельной поверхностью 200-2000 см²/г с содержанием оксида натрия и/или калия 0,5-1,0 масс.% [3].

Известный способ имеет ряд недостатков. Тонкоизмельченный тридимит и/или кристобалит получают путем обжига в течение 1,5-2,0 ч кварцевого песка в присутствии карбонатов натрия и/или калия, например технической соды, при температуре порядка 1300°C. При этом для получения материала на основе тридимита требуется более длительный обжиг и соответственно более высокие энергозатраты, чем для получения материала на основе кристобалита. Далее получаемый щелочно-кремнеземный ингредиент с кремнеземным модулем 40-50 подвергают измельчению и дроблению до получения дисперсного порошка. Данные обстоятельства обуславливают высокую трудо- и энергоемкость, а также сложность технологического процесса. Кроме того, указанные в прототипе составы обмазки и обсыпочного материала не всегда обеспечивают требуемую скорость охлаждения керамической оболочки после ее заливки металлическим расплавом из-за недостаточной теплопроводности материала формы, что может привести к образованию грубой крупнозернистой микроструктуры формирующейся отливки, снижающей ее механические свойства.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Решается задача экономии затрат на приобретение свежих материалов и сокращения операций их подготовки к использованию при снижении трудовых и энергетических ресурсов на реализацию технологического процесса изготовления керамических оболочек.

Технический результат - повышение качества керамических оболочек.

Технический результат достигается тем, что, согласно способу изготовления керамических оболочек для литья по удаляемым моделям, включающему формирование оболочки путем послойной обмазки модельного блока керамической суспензией с последующей обсыпкой огнеупорным материалом и сушкой, удалением моделей и прокалкой, в качестве обсыпочного материала используют измельченный бой керамических оболочек, содержащий в своем составе кварц в фазах тридимита и кристобалита.

В составе боя керамических оболочек, образующегося после выбивки стальных отливок из форм, помимо кварца в фазах тридимита и кристобалита (основа) содержится до 5-10% железа и железной окалины.

Высокотемпературные фазы кварца - тридимит и кристобалит - формируются необратимо в ходе заливки керамических оболочек стальным расплавом, их последующей выбивки и хранения образовавшегося боя и имеют меньший коэффициент линейного термического расширения по сравнению с низкотемпературными фазами кварца - α- и β-кварцем. Их использование в качестве обсыпочного материала исключает повторное протекание полиморфных превращений кварца при прокаливании и заливке форм, обусловливающих изменение объема, плотности и смены видов кристаллических решеток материала, что позволяет повысить трещиностойкость и прочность оболочек и минимизировать брак получаемых отливок. Железо создает своеобразный армирующий каркас и способствует повышению теплопроводности материала оболочки, позволяя получать мелкозернистую микроструктуру отливок за счет высокой скорости охлаждения формы. Окись железа присутствует в составе боя керамических оболочек большей частью в виде гематита, что снижает вероятность образования пригара при заливке форм стальным расплавом, либо делает его легкоотделяемым.

Пример осуществления способа

Оболочковые формы изготавливали следующим образом. Для изготовления огнеупорной суспензии использовалось готовое связующее ГС-20Э ТУ 6-02-1-046-95 и маршалит (искусственный пылевидный кварц) марки А и Б по ГОСТ 9077-82. Для доводки связующего до рабочей вязкости использовалась добавка азотной кислоты.

В качестве обсыпочного материала применялся измельченный бой керамических оболочек, прошедший просеивание с целью распределения по фракциям. Для первого слоя применялся бой со средним размером фракции 0,2 мм, для последующих слоев - свыше 0,3 мм.

Равномерное покрытие поверхности модельного блока огнеупорной суспензией проводилось послойно путем 2-3-кратного погружения блока в рабочую емкость гидролизера с целью удаления пузырьков воздуха с поверхности блока и предоставления возможности отекания избытку суспензии. Сушку каждого слоя проводили на воздухе в течение 5-6 часов при температуре 22-28°C и влажности не выше 60%. Общее количество слоев оболочковой формы - шесть.

Вытопка моделей осуществлялась горячей водой при температуре 90-99°C. Далее проводилась сушка оболочковых форм на воздухе в течение 2,0 ч. Затем проводилась формовка оболочковых форм в прокалочные опоки с использованием в качестве наполнителя измельченного керамического боя оболочек. Прокаливание оболочковых форм в опорном наполнителе в прокалочной печи СНО 8.16.5/10 осуществлялось по режиму: нагрев до 700°C со скоростью не более 150°C в час с выдержкой при температурном максимуме 4,0-6,0 ч.

В многослойных оболочковых формах изготавливались отливки «Барашек» массой 80 г из стали 30Л ГОСТ 977-88. Заливка форм проводилась при температуре 1550-1580°C.

Результаты промышленных испытаний, проведенных согласно предлагаемому способу, показали, что из десяти опытных оболочек ни одна не разрушилась при прокаливании и последующей заливке стальным расплавом.

Испытания подтвердили эффективность предлагаемого способа для получения высококачественных оболочковых форм при снижении трудо-, энергоемкости, сложности технологического процесса их изготовления и экономии затрат на свежие материалы.

Источники информации

1. Патент на изобретение РФ №2302311, B22C 9/04, 2007.

2. Тимофеев, Г.И. Использование отработанной смеси при изготовлении форм по выплавляемым моделям / Г.И. Тимофеев, А.И. Евстигнеев // Литейное производство, 1980. - №3. - С.21-22.

3. Авторское свидетельство СССР №1353565, B22C 9/04, 1987 - прототип.