Раствор и способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям

 

Изобретение может быть использовано при литье по выплавляемым моделям сложнопрофильных тонкорельефных отливок из черных сплавов. Для химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия, нанесенного на выплавляемую модель, используют раствор, содержащий алюмоборфосфатный концентрат в количестве 25-40 мас.% и воду. Блок моделей после нанесения жидкостекольного покрытия погружают в раствор. Одновременно на раствор воздействуют наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) с удельной мощностью 1200-1500 МВт/м³. Процесс циклически повторяют до получения многослойной керамической формы. Обработка жидкостекольного покрытия в растворе алюмоборфосфатного концентрата при воздействии НЭМИ приводит к ускорению гелеобразования связующего и равномерности и полноты пропитки его закрепителем. Обеспечивается повышение физико-механических свойств керамических форм. 2 с.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления керамических форм на жидкостекольном связующем в литье по выплавляемым моделям сложнопрофильных тонкорельефных отливок из черных сплавов.

В настоящее время для этого широко используется в производстве химическое закрепление слоев жидкостекольного покрытия, нанесенного на выплавляемую модель, в водных растворах аммонийных солей, хлоридов алюминия или кальция, спиртовом растворе фосфорной кислоты (1, 2). Они имеют водородный показатель (рН) в пределах 0,5...1,0 и создают условия для гелеобразования покрытия и некоторого улучшения физико-механических свойств керамических форм. Известно также химическое закрепление слоев жидкостекольного покрытия в подкисленном НСl в растворе оксихлорида алюминия (3). В этом случае обеспечивается связывание ионов натрия жидкостекольного связующего с образованием безопасных для качества формы соединений, например NaCl. В результате в значительной степени исключается взаимодействие заливаемых черных сплавов с материалом формы. Однако вследствие низкой пропитывающей способности указанных растворов отверждение каждого слоя покрытия протекает лишь с поверхности. В процессе сушки происходит усадка, свободному прохождению которой препятствует неравномерность гелеобразования. В результате возникающие напряжения вызывают появление в пленках связующего микротрещин, развивающихся в процессе прокалки керамических форм. Поэтому происходит нарушение точности, а в некоторых случаях и коробление форм, снижающее качество отливок.

Наиболее близким по технической сущности является раствор для упрочнения оболочковых керамических литейных форм (4). Он содержит алюмохлорид, ортофосфорную кислоту, этиловый спирт. Способ химического закрепления в этом случае состоит в обработке указанным раствором каждого слоя жидкостекольного покрытия, нанесенного на выплавляемую модель Известное техническое решение обеспечивает определенное повышение жаропрочности и термической стойкости керамических форм. Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:

- недостаточный уровень пропитывающей способности закрепляющего раствора не обеспечивает требуемые скорость и глубину пропитки слоев покрытия на жидкостекольном связующем, непропитанные участки требуют дополнительной сушки, склонны к повышенной усадке и короблению, а также образованию микротрещин, снижающих геометрическую точность форм и отливок;

- неодновременность и неравномерность гелеобразования в объеме всего слоя жидкостекольного покрытия снижает потенциальный уровень прочностных характеристик получаемых керамических форм;

- многокомпонентность раствора, наличие в нем кислоты и этилового спирта делает процесс химического закрепления сложным, длительным, пожароопасным и экологически вредным;

- применяемая в способе прототипа обработка слоев жидкостекольного покрытия раствором указанных солей алюминия не обеспечивает существенного улучшения выбиваемости сложнопрофильных отливок;

- длительность формообразования, низкая эффективность пропитки, а также недостаточный уровень физико-механических свойств керамических форм на жидкостекольном связующем по мере увеличения массы и габаритов отливок в литье по выплавляемым моделям вызывает рост их брака по засорам, наплывам, неточности геометрии.

В основу изобретения положена задача создать такие составы раствора и способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям, которые обеспечили бы улучшение качества производства крупногабаритных отливок со сложными конфигурацией и рельефом за счет ускоренного формообразования и повышения физико-механических свойств керамических форм путем обеспечения равномерности и полноты пропитки закрепителем отверждаемых слоев жидкостекольного покрытия.

Указанная задача решается таким образом, что раствор для химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям, включающий фосфатное соединение и воду, согласно изобретению, в качестве фосфатного соединения содержит алюмоборфосфатный концентрат при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Алюмоборфосфатный концентрат 25...40

Вода Остальное

Указанная задача решается также тем, что в способе химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям, включающем обработку нанесенных на выплавляемую модель слоев жидкостекольного покрытия в растворе кислых солей, согласно изобретению, обработку осуществляют путем пропитки слоев в упрочняющем растворе алюмоборфосфатного концентрата при одновременном воздействии на него наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 1200…1500 МВт/м³.

Водный раствор алюмоборфосфатного концентрата указанного состава является эффективным гелеобразователем жидкого стекла. Кроме того, он выступает как высокотемпературный связующий материал. Его подготовка проста в осуществлении, не требует больших затрат времени, а сам получаемый раствор экологически безопасен.

Обработка слоев жидкостекольного покрытия раствором алюмоборфосфатного концентрата создает условия для протекания ускоренного гелеобразования связующего, повышения термопрочности керамических форм за счет образования тугоплавких продуктов в процессе прокалки. Кроме того, алюмоборфосфатный концентрат вызывает после формирования отливки и ее охлаждения до температур ниже 200°С эффект разупрочнения керамической формы, что значительно улучшает ее выбиваемость.

Проведение обработки раствором алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) при одновременном воздействии на него наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) с удельной мощностью 1200…1500 МВт/м³ обеспечивает эффект разжижения закрепителя, повышение его смачивающей, пропитывающей и адгезионной способности. В результате этого увеличиваются скорость и глубина пропитки АБФК слоев жидкостекольного покрытия, что приводит к формированию своеобразного каркаса из гелеобразователя во всем объеме отверждаемого слоя. Поэтому обеспечивается равномерность отверждения керамического покрытия на выплавляемых моделях, создающая условия для повышения скорости изготовления форм и увеличения их прочностных характеристик.

Таким образом, указанные отличительные признаки ускоряют процесс формообразования и повышают физико-механические свойства керамических форм. Это приводит к улучшению качества производства литьем по выплавляемым моделям крупногабаритных отливок со сложным рельефом.

Подготовку предлагаемого состава раствора и способ химического закрепления им слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям осуществляют следующим образом.

Готовят раствор для химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Алюмоборфосфатный концентрат 25...40

Вода Остальное

Ингредиенты смешиваются для получения плотности раствора АБФК 1250…1350 кг/м³.

При количестве АБФК в растворе меньше, чем 25 мас.% не удается обеспечить последующего эффективного гелеобразования жидкостекольного связующего в покрытии. Масса АБФК в растворе больше, чем 40 мас.% приводит к повышению вязкости и ухудшению его проникающей способности при химическом закреплении.

Нанесенный на выплавляемую модель слой жидкостекольного покрытия, состоящего из суспензии и обсыпочного материала, обрабатывают в этом растворе при одновременном воздействии НЭМИ с удельной мощностью 1200...1500 МВт/м³. Для этого блок моделей с нанесенным жидкостекольным покрытием погружают в указанный раствор, в который установлен излучатель, подсоединенный к генератору НЭМИ (4). Продолжительность обработки –40...60 с. По ее окончании в результате ускоренного гелеобразования появляется возможность незамедлительно наносить последующие слои керамического жидкостекольного покрытия с химическим закреплением каждого по заявляемому способу.

Оптимальность диапазона значений удельной мощности НЭМИ 1200…1500 МВт/м³ при обработке слоев жидкостекольного покрытия раствором АБФК диктуется возможностью достижения при этих параметрах существенного повышения смачивающей, пропитывающей и адгезионной способности указанного закрепителя. При мощности НЭМИ меньше, чем 1200 Вт/м³ изменение физико-химических свойств раствора АБФК незначительно. Поэтому положительные эффекты при химическом закреплении слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям выражаются слабо. При удельной мощности НЭМИ более, чем 1500 Вт/м³ начинает проявляться тенденция к агрегации коллоидных частиц АБФК, что вызывает некоторое повышение вязкости, ухудшение адгезионной и смачивающей способности закрепляющего раствора. Это, во многом, определяет затрудненные условия процесса пропитки при обработке слоев жидкостекольного покрытия.

Кроме того, при одновременном с обработкой в закрепителе воздействии НЭМИ с оптимальным интервалом значений удельной мощности 1200...1500 МВт/м³ возникает дополнительное импульсное давление, определяющее высокую скорость пропитки раствором АБФК жидкостекольного покрытия. Поэтому при ускоренном гелеобразовании обеспечивается равномерность и полнота пропитки, которые создают условия для точности получаемых керамических форм и повышения качества изготовления литьем по выплавляемым моделям крупногабаритных отливок со сложным рельефом. Предлагаемые раствор и способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. На выплавляемую модель из массы МВС-15 наносят жидкостекольное покрытие. Оно состоит из суспензии на пылевидном кварце и раствора натриевого жидкого стекла (ГОСТ 13078-81), а также обсыпочного материала - кварцевого песка марки 2К0315 (ГОСТ 2138-84). Обсыпка производится на нанесенный слой суспензии в кипящем слое по классической технологии.

Параллельно готовят растворы АБФК для химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия. Для этого исходный состав АБФК (ТУ 113-08-606-87) разбавляется водой. Варьируется количество АБФК в растворе: 25; 33; 40 мас.% Нанесение жидкостекольного покрытия и его химическое закрепление обработкой в подготовленном растворе АБФК циклически повторяют для формирования четырехслойной керамической формы. Влияние состава раствора для химического закрепления жидкостекольного покрытия на свойства керамических форм представлено в табл. 1.

Пример 2. Готовят для химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия раствор, имеющий следующий состав, мас.%:

Алюмоборфосфатный концентрат 33

Вода Остальное

Подготовку водного раствора АБФК и нанесение на выплавляемую модель жидкостекольного покрытия осуществляют аналогично примеру 1. В раствор АБФК устанавливают медный излучатель в форме пирамиды, подсоединенный к генератору НЭМИ (4). Модель с нанесенным жидкостекольным покрытием обрабатывают в течение 60 с в указанном растворе АБФК с одновременным воздействием на него НЭМИ. В ходе испытаний варьируют удельную мощность НЭМИ: 1200; 1400; 1500 МВт/м³. Влияние НЭМИ на свойства закрепителя жидкостекольного покрытия представлено в табл.2.

Краевой угол смачивания фиксировали проецированием капли на экран, поверхностное натяжение - методом отрыва кольца (5). Вязкость определяли по капиллярному вискозиметру ВПЖ-2. Для оценки пропитывающей способности использовали известную методику капиллярной пропитки раствором смеси кварцевого песка и пылевидного кварца, взятых в соотношении 3:1 по массе, в трубке диаметром 5 мм.

Представленные данные свидетельствуют о том, что обработка НЭМИ раствора АБФК позволяет за счет снижения его краевого угла смачивания, уменьшения более чем в 2 раза вязкости обеспечить значительное улучшение пропитывающей способности. При этом воздействие НЭМИ вызывает глубокую мицеллярную перестройку указанного раствора и его ионизацию, о прохождении которой свидетельствует падение удельного электросопротивления (см. табл.2).

Нанесение жидкостекольного покрытия и его химическое закрепление обработкой в растворе АБФК при одновременном воздействии НЭМИ циклически повторяют для формирования четырехслойной керамической формы.

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют химическое закрепление слоев жидкостекольного покрытия согласно прототипу. При этом фиксируются физико-механические свойства изготовленных керамических форм: прочность при изгибе до прокалки и в горячем состоянии при температуре 900°С, остаточная прочность (выбиваемость), точность геометрии, оцененная по отклонению размеров от номинальных, а также длительность формообразования.

Подготовленные таким образом керамические формы применяли для изготовления кабинетных художественных отливок “Конь с попоной”, “Весна с амуром”, “Лось” и др. Изготовленные литьем по выплавляемым моделям эти крупногабаритные отливки отличались высоким качеством поверхности. Кроме того было отмечено значительное снижение брака литья по засорам и неточности геометрии.

Влияние разработанного способа химического закрепления жидкостекольного покрытия на свойства керамических форм представлено в табл. 3.

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный способ обеспечивает увеличение более чем в 1,5 раза прочности после отверждения и в горячем состоянии, улучшение точности геометрии форм при значительном сокращении продолжительности их изготовления. При этом именно пропитка в поле НЭМИ, вызывая снижение вязкости, повышение адгезионной и смачивающей способности раствора АБФК, используемого для химического закрепления жидкостекольного покрытия, создает условия для ускорения процесса формообразования и повышения прочностных характеристик керамических форм в литье по выплавляемым моделям.

Заявленный способ опробован при изготовлении литьем по выплавляемым моделям крупногабаритных художественных отливок, показав улучшение качества их тонкорельефной поверхности.

Учитывая повышенный комплекс физико-механических свойств керамических форм, заявленные раствор и способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям могут быть использован для получения сложной литейной оснастки, в художественном литье, в производстве машиностроительных заготовок ответственного назначения из черных сплавов.

Список литературы

1. Производство точных отливок/И. Дошкарж, Я. Габриель, М. Гоушть, М. Павелка. - М.: Машиностроение, 1979. - 296 с.

2. Галдин Н.М. Отливки в точном машиностроении. - М.: Машиностроение, 1983. - 176 с.

3. Специальные способы литья./Под общ. ред. В.А. Ефимова - М.: Машиностроение, 1991. - 436 с.

4. Авторское свидетельство СССР №599910. Раствор для упрочнения оболочковых керамических литейных форм/Александров В.М., Васин Ю.П., Логиновский А.Н., Кулаков Б.А., Цайзер Г.Г., Гришин В.Г. Бюл. №12, 1978 (прототип).

5. Патент РФ №2030097, МКИ Н 03 К 3/33, К 3/45. Формирователь наносекундных электромагнитных импульсов/Белкин B.C., Шульженко Г.И. Заявл. 17.01.92.

6. Теоретические основы литейной технологии/А. Ветишка. Пер. с чешск. - Киев: Вища школа, 1981. - 320с.

Формула изобретения

1. Раствор для химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям, включающий фосфатное соединение и воду, отличающийся тем, что в качестве фосфатного соединения раствор содержит алюмоборфосфатный концентрат при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Алюмоборфосфатный концентрат 25-40

Вода Остальное

2. Способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям, включающий обработку нанесенных на выплавляемую модель слоев жидкостекольного покрытия в растворе кислых солей, отличающийся тем, что обработку осуществляют путем пропитки слоев в упрочняющем растворе алюмоборфосфатного концентрата при одновременном воздействии на него наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 1200-1500 МВт/м³.

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 10.08.2006        БИ: 22/2006