Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям

Изобретение относится к области литейного производства. В качестве связующего первого или первых двух слоев формы используют суспензию с гидролизованным раствором этилсиликата в качестве связующего, а для последующих слоев суспензию с жидким стеклом. В качестве огнеупорного наполнителя суспензии и огнеупорного материала обсыпки используют диоксид кремния в фазе тридимита с размером фракций до 100 мкм и 100...400 мкм соответственно. После нанесения первого или 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. Огнеупорный материал плакируют алюмоборфосфатным концентратом в количестве 3...5% от массы зернистого материала. Достигается повышение термостойкости, прочности керамических оболочек и устойчивости их к взаимодействию с заливаемым сплавом. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве точных отливок из черных и цветных сплавов.

В настоящее время для этого наибольшее распространение получили оболочковые формы на этилсиликатном связующем, изготавливаемые ЛВМ с применением в качестве наполнителя суспензии пылевидного кварца, а в качестве обсыпки зернистого кварцевого песка. Литье повышенной точности по разовым моделям /В.А.Озеров, В.Ф.Гаранин. - М.: Высшая школа, 1988. - c.24...36/. Основу огнеупорных материалов составляет диоксид кремния, в котором SiO₂ находится в фазе природного β-кварца. Этот огнеупорный материал является самым дешевым и легкодоступным из всех встречающихся в природе. Однако фазовые превращения β-кварца в его α-модификацию с увеличением объема при температуре 573°С являются причиной растрескивания оболочек, их пониженной прочности, нарушения конфигурации и засоров отливок. Применение других более огнеупорных материалов, например электрокорунда, муллита, дистенсиллиманита, значительно повышает себестоимость литья и оправдано лишь для особо ответственных отливок из жаропрочных и тугоплавких сплавов. Этилсиликат в настоящее время также является дорогостоящим и дефицитным связующим, а работа с ним связана с применением токсичных органических растворителей и повышенной пожароопасностью.

В связи с этим наиболее близким по технической сущности является способ изготовления литейных форм, приведенный в источнике /А.С.599910 СССР, МКИ В22С 9/04. Раствор для упрочнения оболочковых керамических литейных форм/ В.М.Александров, Ю.П.Васин, А.Н.Логиновский, Б.А.Кулаков, Г.Г.Цайзер, В.Г.Гришин (СССР). - № 2379496/22-02, заявлено 05.07.76; опубл. 30.03.78, Бюл. № 12. - 3 с./ В соответствии с прототипом первые два слоя изготавливаются на этилсиликатном связующем с применением в качестве наполнителя пылевидного кварца, а последующие на жидкостекольном связующем также с пылевидным кварцем в качестве наполнителя. Обсыпкой служит зернистый кварцевый песок. Жидкостекольные слои после нанесения закрепляются трехкомпонентной композицией, состоящей из алюмохлорида (25...45 мас.%), ортофосфорной кислоты (25...45 мас.%), этилового спирта (остальное).

Известное техническое решение позволяет получать отливки общего назначения из черных сплавов, однако обладает существенными недостатками:

- Термическое расширение наполнителя при 573°С, связанное с переходом β-кварца в его α-модификацию, приводит к возникновению внутренних напряжений в оболочках и нередко к их короблению и растрескиванию, к снижению точности размеров рабочей полости форм, а следовательно, и отливок.

- При нанесении жидкостекольного слоя на этилсиликатный жидкое стекло мигрирует через поры отвержденных этилсиликатных слоев к рабочей поверхности формы и впоследствии снижает качество поверхности отливок из-за взаимодействия заливаемого сплава с оксидом натрия, содержащимся в жидком стекле.

- В процессе нагрева при температуре около 200°С жидкостекольная оболочка претерпевает усадку, что вызывает напряжения в оболочке, способные впоследствии привести к трещинам и разупрочнению форм.

- Нестабильность состава для отверждения жидкостекольных слоев вследствие высокой летучести входящего в его состав этилового спирта.

- Экологически неблагоприятные условия работы с составом для обработки жидкостекольных слоев из-за наличия в нем ортофосфорной кислоты и этилового спирта.

- Достаточно высокая остаточная прочность оболочковых форм после заливки их металлом и вследствие этого затрудненная удаляемость керамики из «защемленных» мест, поднутрений отливок при выбивке отливок из форм.

В основу изобретения положена задача создать такой способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, который обеспечил бы улучшение качества литья по выплавляемым моделям за счет повышения термостойкости, прочности керамических формооболочек, устойчивости их к взаимодействию с заливаемым сплавом, улучшения выбиваемости отливок, стабильности технологического процесса и его экологичности.

Указанная задача решается таким образом, что в способе изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, включающем обработку модельного блока в огнеупорной суспензии на этилсиликатном или жидкостекольном связующем и пылевидном диоксиде кремния в качестве наполнителя и последующую обсыпку блока зернистым материалом на основе диоксида кремния, согласно изобретению, пылевидный диоксид кремния как наполнитель используют в фазе тридимита с размером фракции до 100 мкм, а зернистый диоксид кремния используют также в фазе тридимита размером зерен 100...400 мкм.

В целях экономии дорогостоящего и дефицитного этилсиликата, снижения себестоимости литья, улучшения выбиваемости, в качестве связующего для первого и второго слоев при обработке модельного блока используют гидролизованный раствор этилсиликата, на третий слой наносят связующее на основе алюмоборфосфатного концентрата плотностью 1,25...1,30 г/см³, а для последующих слоев в качестве связующего используют жидкое стекло.

Для повышения данных показателей в качестве связующего для первого слоя при обработке модельного блока используют гидролизованный раствор этилсиликата, на второй слой наносят связующее на основе алюмоборфосфатного концентрата плотностью 1,25...1,30 г/см³, а для последующих слоев в качестве связующего используют жидкое стекло.

В целях ускорения затвердевания жидкостекольных слоев зернистый материал плакируют алюмоборфосфатным концентратом в количестве 3...5% масс от массы зернистого материала.

Для обсыпки облицовочного слоя следует применять более мелкозернистый материал, для опорных слоев - более крупнозернистый. В качестве тридимитного материала целесообразно использовать молотый динасовый огнеупор, просеянный через калиброванные сита для получения необходимой фракции.

Как показали дилатометрические исследования, коэффициент термического линейного расширения оболочковых форм в фазе тридимита ниже, чем на β-кварце, а фазовые превращения γ→β→α-тридимит происходят в температурном интервале 115...180°С, когда формооболочка пропитана модельным составом и обладает некоторой «эластичностью», способной релаксировать возникающие в процессе прокалки напряжения. Превращения β→α-кварц в известном техническом решении происходят при температуре, когда жесткость формооболочки максимальна, и расширение кварца приводит к напряжениям и трещинам в оболочке.

Для снижения расхода этилсиликата и уменьшения таким образом себестоимости литья в качестве связующего для первых двух слоев используется гидролизованный раствор этилсиликата, после второго слоя наносится разделительный слой на основе алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) плотностью 1,25...1,30 г/см³, а для последующих слоев в качестве связующего суспензии используется жидкое стекло. Алюмоборфосфатный концентрат пропитывет этилсиликатные слои, дополнительно упрочняя их, и создает барьерный слой, препятствующий проникновению жидкого стекла на рабочую поверхность формы. Поэтому допускается делать только один облицовочный слой на этилсиликатном связующем, а начиная со второго слоя использовать жидкое стекло. Кроме того, в процессе охлаждения отливок в форме при температурах 250...350°С АБФК способствует разупрочнению керамической оболочки, что снижает остаточную прочность керамики и улучшает выбиваемость. Применение водного раствора АБФК плотностью менее 1,25 г/см³ не дает необходимого эффекта закрепления этилсиликатных слоев, а раствор плотностью более 1,30 г/см³ плохо пропитывет поры облицовочных слоев и создает слишком толстый слой, который может нарушить сплошность оболочки. Наносимый на алюмоборфосфатный жидкостекольный слой является для него химическим отвердителем.

Расширение тридимитового наполнителя жидкостекольных слоев в температурном интервале почти совпадает с усадочными процессами, происходящими в жидкостекольном связующем. Эти процессы взаимно компенсируют друг друга и, таким образом, наружные жидкостекольные слои не испытывают усадки и не оказывают сжимающего воздействия на внутренние этилсиликатные слои, как это происходит в способе прототипа, где наполнителем и обсыпкой является β-кварц.

Трехкомпонентный состав, используемый в прототипе для закрепления жидкостекольных слоев, имеет нестабильный во времени состав вследствие высокой летучести и испарения входящего в него этилового спирта и требует периодической корректировки. Также состав включает ортофосфорную кислоту, что создает экологически неблагоприятные условия в процессе работы.

Так как естественная сушка на воздухе жидкостекольного покрытия весьма продолжительна, то для химического его химического отверждения зернистый материал обсыпки жидкостекольных слоев предварительно плакируется алюмоборфосфатным концентратом в количестве 3...5 мас.% от массы зернистого материала. АБФК, имея кислую реакцию среды, эффективно огеливает щелочное жидкостекольное связующее. Введение менее 3% плакирующего не дает необходимого эффекта огеливания жидкоситекольного связующего, введение более 5% не приводит к ускорению огеливания этилсиликатных слоев, а влечет неоправданное повышение расхода АБФК. Отверждение слоя происходит за 25...40 минут.

Предлагаемый способ изготовления керамических форм осуществляют следующим образом.

Динасовый огнеупор, например кирпич динасовый марки ЭД, измельчают в дробилке до зерновой фракции. Можно использовать щековую, конусную или иную дробилку. Для получения пылевидной фракции зерновой материал необходимо дополнительно измельчить. Наиболее эффективно применять вибрационные мельницы. Для предупреждения попадания в пылевидный материал железа, ухудшающего впоследствии технологические свойства суспензии, целесообразно использовать керамические мелющие тела. Для разделения по фракциям материал просеивают через сита с определенным размером ячеек. В качестве наполнителя суспензии используется материал, прошедший через сито с размером ячеек 100 мкм, а в качестве обсыпочного материала для первых двух слоев - прошедший через сито 200 мкм, а для последующих - через сито 315 или 400 мкм. Огнеупорные суспензии готовят традиционным способом. Соотношение жидкой и твердой фаз для этилсиликатной суспензии составляет 1:1,9...2,25, что обеспечивает условную вязкость по ВЗ-4 в пределах 30...75 с, а для жидкостекольных слоев 1:1,1...1,3, что обеспечивает вязкость 25...40 с.

Сушку этилсиликатных слоев можно производить любым из известных способов. После первого или второго слоя при изготовлении комбинированной формооболочки модельно-керамический блок окунают в водный раствор АБФК концентрацией 20...25%, что соответствует плотности 1,25...1,3 г/см³. АБФК пропитывает этилсиликатные слои через поры керамики. После АБФК наносятся жидкостекольные слои. Первый наносимый жидкостекольный слой, имея щелочную реакцию среды (рН>7), огеливает алюмоборфосфат (рН<7), химически его отверждая. Жидкостекольные слои обсыпаются зернистым материалом на основе SiO₂ в фазе тридимита. Целесообразно использовать молотый и просеянный через сита электродинас марки ЭД с размером зерен 100...400 мкм. Для химического отверждения жидкого стекла материал обсыпки целесообразно плакировать алюмоборфосфатным концентратом, применяемым для пропитки этилсиликатных слоев. Плакирование производят в шнековом смесителе или бегунах. Зернистый материал, плакированный 3% АБФК, можно сразу использовать для обсыпки жидкостекольных слоев, плакированный 4% АБФК следует предварительно «провялить» на воздухе не менее 2 часов, плакированный 5% АБФК не менее 3 часов для его лучшей сыпучести.

Отверждение жидкостекольных слоев при использовании плакированной алюмоборфосфатным концентратом обсыпки происходит на воздухе за 25...40 мин.

Вытопка моделей из форм производится любым известным способом. Прокалка без опорного наполнителя при температуре 800...900°С в течение 2,5...3,5 часов. Заливка форм также возможна без опорного наполнителя.

Способы изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям иллюстрируются следующими примерами.

Пример 1. Формы по выплавляемым моделям изготавливают по следующей технологии.

В качестве связующего первых двух слоев покрытия используют гидролизованный этилсиликат с условным содержанием SiO₂ 16%. Гидролиз проводят раздельным способом по традиционной методике.

В качестве огнеупорного наполнителя используют порошок молотого в шаровой вибромельнице кирпича электродинаса марки ЭД, ранее эксплуатировавшийся в качестве футеровки в электродуговых сталеплавильных печах. Используют материал, прошедший через сито 100 мкм. Массовое соотношение жидкой и твердой фаз составляет 1:2,24. Это обеспечивает условную вязкость суспензии 70 с по вискозиметру ВЗ-4. В качестве присыпки используют молотый электродинас с размером зерен 100...200 мкм. Сушку форм проводят в камерах воздушной сушки с температурой 25°С.

Для суспензии трех опорных слоев в качестве связующего используют натриевое жидкое стекло плотностью 1,25 г/см³ модулем 2,8. Массовое соотношение жидкой и твердой фаз составляет 1:1,2. Это обеспечивает условную вязкость суспензии 30 с по вискозиметру ВЗ-4. В качестве присыпки применяют молотый электродинас с размером зерен 200...400 мкм, плакированный 5% АБФК. Плакирование производят в бегунах. Молотый электродинас засыпают в бегуны, заливают водный раствор АБФК (ТУ 113-08-606-87) плотностью 1,3 г/см³ из расчета 1 массовая часть АБФК на 20 массовых частей зернистого материала, перемешивают в течение 15 мин. Затем провяливают на воздухе в течение 3-х часов. Время отверждение жидкостекольных слоев составляет 30 мин. Параллельно с изготовлением форм делают стандартные 5-слойные образцы для испытаний на прочность при изгибе.

Удаление моделей из модельного состава МВС-15 производят в горячей воде при температуре 94...96°С. Обжиг форм осуществляют в атмосфере печи при 900...950°С в течение 4...5 часов.

Формы заливают сталью марки 45Л при температуре 1560...1590°С.

Пример 2. Основные технологические операции изготовления форм по выплавляемым моделям аналогичны описанным в примере 1, имеются следующие отличия.

После отверждения первых двух этилсиликатных слоев модельно-керамический блок окунают в алюмоборфосфатный концентрат плотностью 1,25 г/см³.

В качестве присыпки жидкостекольных слоев применяют молотый электродинас с размером зерен 200...400 мкм, плакированный 4% АБФК. Зернистый материал обрабатывают водным раствором АБФК из расчета 1 массовая часть АБФК на 25 массовых частей зернистого материала, затем провяливают на воздухе в течение 2-х часов.

Пример 3. Основные технологические операции изготовления форм по выплавляемым моделям аналогичны описанным в примере 2, имеются следующие отличия. На модельный блок наносится только один этилсиликатный слой огнеупорной суспензии. После отверждения этилсиликатного слоя модельно-керамический блок окунают в алюмоборфосфатный концентрат плотностью 1,3 г/см³.

В качестве присыпки жидкостекольных слоев применяют молотый электродинас с размером зерен 200...400 мкм, плакированный 3% АБФК. Зернистый материал обрабатывают водным раствором АБФК из расчета 1 массовая часть АБФК на 33 массовых частей зернистого материала. Плакированный зернистый электродинас сразу после приготовления сразу используют для обсыпки жидкостекольных слоев.

Для сравнения свойств формооболочек и отливок изготавливают формы по способу прототипа и заливают в них сталь 45Л.

По каждому способу было изготовлено около 100 отливок.

Физико-механические характеристики форм и результаты анализа качества отливок показаны в таблице.

Результаты промышленного опробования
Показатель качества	Вариант технологии
прототип	1	2	3
Прочность на изгиб в сыром состоянии, МПа	6,1	6,1	6,4	6,2
Прочность на изгиб в горячем состоянии при 900°С, МПа	6,0	8,9	9,3	9,1
Остаточная прочность, МПа(выбиваемость)	3,2	2,8	1,9	1,6
Коэффициент термического линейного расширения °С-1, в интервале
20...250°С	1,96·10-5	5,08·10-5	5,02·10-5	4,91·10-5
250...1000°С	1,24·10-5	0,12·10-5	0,11·10-5	0,10·10-5
20...1000°С	1,59·10-5	1,11·10-5	1,10·10-5	1,09·10-5
Отклонение размеров от номинальных, % (точность геометрии)	0,35	0,21	0,17	0,19
Брак по засорам и растрескиванию форм, %	6,2	3,1	2,1	2,3

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный способ обеспечивает увеличение в 1,5 раза горячей прочности керамических форм, уменьшение коэффициента термического линейного расширения в интервале 20...1000°С примерно в 1,5 раза и на порядок его уменьшение в наиболее опасном с точки зрения прочности форм интервале 250...1000°С. Это способствует повышению точности форм и, соответственно, уменьшению отклонения размеров отливок от номинальных в 1,5...2 раза и снижению брака отливок по вине форм в 2...3 раза. Кроме того, снижение остаточной прочности форм, обработанных в растворе АБФК, после охлаждения способствует лучшей выбиваемости отливок из форм и их очистке от остатков керамики. Также отмечается улучшение качества литой поверхности.

Учитывая повышенный комплекс физико-механических свойств керамических форм, заявленный способ изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям может быть использован для получения точных ответственных отливок из черных и цветных сплавов.

1. 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что зернистый материал плакируют алюмоборфосфатным концентратом в количестве 3-5% от массы зернистого материала.