Способ изготовления форм по выплавляемым моделям (варианты)
Владельцы патента RU 2478453:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) (RU)
Изобретение относится к области литейного производства. Способ включает нанесение на модель лицевого и последующих внутренних слоев суспензии на алюмоборфосфатном концентрате, их обсыпку и сушку. Лицевой и последующие слои наносят из суспензии, содержащей, мас.%: алюмоборфосфатный концентрат 18-25, вода 15-20, поливиниловый спирт 1-3, пылевидный огнеупорный наполнитель - остальное. Обсыпку лицевого слоя суспензии осуществляют периклазом зернистостью 160-200 мкм. Обсыпку последующих слоев суспензии осуществляют периклазом зернистостью 250-300 мкм или смесью периклаза и керамзита зернистостью соответственно 250-300 мкм и 400-500 мкм, взятых в соотношении (2-4):1 по объему. Обеспечивается длительная живучесть суспензии на алюмоборфосфатном концентрате при одновременном ускоренном формообразовании и повышенных прочностных свойствах керамических форм. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 табл., 5 пр.
Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления оболочковых керамических форм на связующем - алюмоборфосфатном концентрате (АБФК) в литье по выплавляемым моделям, в особенности для сложнопрофильных тонкорельефных отливок из цветных и черных сплавов.
В настоящее время в литье по выплавляемым моделям широко используются способы изготовления керамических форм на этилсиликатном связующем (ЭТС). Они, в целом, характеризуются вредными условиями производства, многооперационностью, длительностью формообразования. Кроме того, ЭТС является одним из самых дорогостоящих связующих материалов, но при этом обеспечивающих требуемые физико-механические свойства керамических форм (Литье по выплавляемым моделям: монография / Под ред. Я.И.Шкленника. - М.: Машиностроение, 1984. - 408 с.).
Известна аммиачная сушка, которая создает условия для гелеобразования покрытия и ускоренного формообразования. Однако отверждение каждого этилсиликатного слоя покрытия протекает лишь с поверхности. В процессе сушки происходит усадка, свободному прохождению которой препятствует неравномерность гелеобразования при воздействии аммиака. В результате возникающие напряжения вызывают появление в пленках этилсиликатного связующего микротрещин, развивающихся в процессе прокалки керамических форм. Поэтому происходит снижение потенциальной прочности керамических форм, ухудшающее качество отливок.
Известен способ изготовления форм по выплавляемым моделям (Патент RU №2043825. Способ изготовления форм по выплавляемым моделям. МПК В22С 9/04, опубл. 20.09.1995 г.), включающий нанесение на модель лицевого слоя, его подсушку, нанесение последующих внутренних слоев из суспензии с этилсиликатным связующим, их обсыпку и сушку, лицевой слой наносят из суспензии с подкисленным водным растворителем состава, мас.%: вода 15,0…30,0, неорганическая кислота 1,0…3,0, поверхностно-активное вещество анионактивного или неионогенного класса 0,05…0,2, огнеупорный наполнитель - остальное, или из суспензии с подкисленным водно-органическим растворителем состава, мас.%: смесь воды и органического растворителя в соотношении 1:1, 3:1 15,0…30,0; неорганическая кислота 1,0…3,0; огнеупорный наполнитель - остальное, подсушку облицовочного слоя осуществляют по крайней мере 5 мин с последующим упрочнением его суспензией из огнеупорного наполнителя и этилсиликатного связующего.
К недостаткам известного способа относятся продолжительность изготовления форм, время для изготовления одного слоя от 1,5 до 2,5 часов, а для изготовления 4-5-слойных оболочковых форм соответственно около 6…12,5 часов, а также плохая выбиваемость литья, связанная с высокой остаточной прочностью, образующейся при обжиге керамики.
Известен способ получения керамических форм (Патент RU №2200643. Способ получения керамических форм при литье по выплавляемым моделям с использованием в качестве связующего жидкого стекла. МПК В22С 9/04, В22С 1/02, опубл. 03.20.2003 г.), включающий предварительное приготовление суспензии путем смешивания жидкого стекла с водным раствором хлористого аммония и пылевидным огнеупорным материалом, послойное нанесение суспензии на выплавляемые модели, обсыпку каждого слоя кварцевым песком, отверждение в растворе хлористого аммония, выплавление моделей в горячей воде, прокалку оболочек, при этом в суспензию для первого слоя дополнительно вводят 0,05…0,1 мас.% масла для гидромеханических и гидрообъемных передач.
Недостатками способа являются продолжительное время изготовления, а также более низкое качество поверхности литья, наличие пригара и связанная с ним плохая выбиваемость отливок из форм.
Широкие перспективы в этом отношении открывает применение в качестве связующего оболочковых керамических форм алюмоборфосфатного концентрата. Однако, известные до настоящего времени способы изготовления таких форм до сих пор не позволяют добиться технологических свойств, по которым они с успехом могут конкурировать с этилсиликатными.
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления форм по выплавляемым моделям, включающий нанесение на модель лицевого слоя суспензии, его подсушку, нанесение последующих внутренних слоев суспензии, их обсыпку и сушку (Патент RU №2295419. Способ изготовления форм по выплавляемым моделям. МПК В22С 9/04, С1, опубл. 20.03.2007 г.). Лицевой и последующие слои наносят из суспензии, имеющей следующий состав, мас.%: алюмоборфосфат 16,0…20,0; вода 16,0…20,0; лигносульфонат (ПАВ) не более 0,5; магнийсиликатный порошок 3,5…5,0; пылевидный огнеупорный наполнитель - остальное. Причем обсыпку лицевого слоя осуществляют шамотным песком зернистостью не более 0,2 мм, а обсыпку последующих слоев - шамотным песком зернистостью не более 0,4 мм. Каждый слой подсушивают в течение 30…40 мин, выплавляют модельный состав и подвергают форму высокотемпературной сушке при 300…350°С в течение 2…3 часов. В качестве огнеупорного наполнителя для лицевого слоя используют пылевидный шамот или пылевидный электрокорунд.
Известное техническое решение обеспечивает некоторое ускорение формообразования и повышение физико-механических свойств керамических форм (выбиваемость и др.). Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:
- введение отвердителя в состав суспензии прототипа приводит к резкому снижению ее живучести (до 1…2 часов), что не позволяет использовать автоматические линии литья по выплавляемым моделям для серийного производства точных отливок;
- способ прототипа приводит к безвозвратным потерям суспензии в условиях крупносерийного производства отливок литьем по выплавляемым моделям;
- стремление к сохранению определенной живучести суспензии и вместе с тем сокращению цикла сушки не позволяют достичь потенциально возможного ускорения формообразования;
- неравномерность отверждения слоев суспензии вызывает формирование микротрещин в связующем материале, снижающих его адгезию, что приводит к падению прочности и трещиноустойчивости керамических форм;
- недостаточно высокие физико-механические свойства керамических форм вызывают снижение качества изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям, особенно сложнопрофильных и тонкорельефных.
В основу изобретения положена техническая задача - обеспечение длительной живучести суспензии на АБФК при одновременном ускоренном формообразовании и повышенных прочностных свойствах керамических форм, позволяющих улучшить качество изготовления точных отливок, в особенности сложнопрофильных и тонкорельефных.
Указанная техническая задача решается таким образом, что в способе изготовления форм по выплавляемым моделям, включающем нанесение на модель лицевого и последующих внутренних слоев суспензии на алюмоборфосфатном концентрате, их обсыпку и сушку, согласно изобретению лицевой и последующие слои наносят из суспензии состава, мас.%:
| алюмоборфосфатный концентрат | 18…25 |
| вода | 15…20 |
| поливиниловый спирт | 1…3 |
| пылевидный огнеупорный наполнитель | остальное |
а обсыпку слоев суспензии осуществляют периклазом зернистостью 160…200 мкм для лицевого слоя и зернистостью 250…300 мкм для последующих слоев суспензии.
Другой вариант решения поставленной технической задачи заключается в том, что в способе изготовления форм по выплавляемым моделям, включающем нанесение на модель лицевого и последующих внутренних слоев суспензии на алюмоборфосфатном концентрате, их обсыпку и сушку, согласно изобретению лицевой и последующие слои наносят из суспензии состава, мас.%:
| алюмоборфосфатный концентрат | 18…25 |
| вода | 15…20 |
| поливиниловый спирт | 1…3 |
| пылевидный огнеупорный наполнитель | остальное |
при этом обсыпку лицевого слоя суспензии осуществляют периклазом зернистостью 160…200 мкм, а обсыпку каждого последующего слоя суспензии осуществляют смесью периклаза и керамзита зернистостью соответственно 250…300 мкм и 400…500 мкм, взятых в соотношении (2…4):1 по объему.
Кроме того, поставленная техническая задача также решается тем, что в способе изготовления форм по выплавляемым моделям, включающем нанесение на модель лицевого и последующих внутренних слоев суспензии на алюмоборфосфатном концентрате, их обсыпку и сушку, согласно изобретению по обоим вариантам, при обсыпке слоев суспензии на обсыпочный материал - периклаз или периклаз и его смесь с керамзитом - воздействуют электрическим полем напряженностью 1500…2000 В/м.
Введение в состав суспензии на АБФК поливинилового спирта (ПВС) обеспечивает наряду с улучшением смачиваемости повышение прочности керамических форм после вытопки модельной массы, а также увеличение газопроницаемости и выбиваемости, поскольку указанный ингредиент является связующим материалом и подвергается термодеструкции.
Обсыпка слоев суспензии на АБФК зернистым периклазом формирует каркасную структуру из центров отверждения и вызывает существенное сокращение цикла формообразования при длительной живучести суспензии.
Изготовление керамических форм с обсыпкой последующих слоев периклаза и керамзита создает условия для улучшения трещиноустойчивости форм и повышения их газопроницаемости, поскольку высокопористый материал (керамзит) является эффективным «блокиратором» возникновения и развития трещин керамики.
Воздействие на обсыпочный материал (периклаз или его смесь с керамзитом) электрическим полем напряженностью 1500…2000 В/м определяет его электрофизическую активацию и при дальнейшем внедрении обсыпки в слой суспензии вызывает ускоренное формообразование и повышение прочности керамических форм.
Учитывая высокие технологические свойства получаемых керамических форм на АБФК, предлагаемый способ их изготовления позволяет полностью отказаться от дорогостоящего ЭТС, существенно повысить качество форм и отливок по сравнению с комбинированными способами, использующими этилсиликат, жидкое стекло, алюмохромфосфатную связку. Таким образом, разработанный способ изготовления керамических форм на АБФК является выгодно конкурирующим по технологическим и экономическим критериям с получившими в настоящее время наибольшее распространение способами формообразования на гидролизованном растворе этилсиликата, жидком стекле и их комбинации.
Предлагаемый способ изготовления форм по выплавляемым моделям осуществляют следующим образом.
Готовят суспензию на АБФК с использование поливинилового спирта по следующей рецептуре, мас.%:
| алюмоборфосфатный концентрат | 18…25 |
| вода | 15…20 |
| поливиниловый спирт | 1…3 |
| пылевидный огнеупорный наполнитель | остальное |
Количество поливинилового спирта 1…3 мас.% диктуется необходимостью смачиваемости восковых выплавляемых моделей, а также повышением прочности керамических форм после вытопки моделей. При его количестве менее 1 мас.% влияние практически незначительно. При количестве более 3 мас.% в процессе термообработки форм поливиниловый спирт выгорает и наблюдается снижение «горячей» прочности керамических форм.
Суспензию послойно наносят на блок выплавляемых моделей, каждый слой обсыпают периклазом зернистостью 160…200 мкм для лицевого слоя и зернистостью 250…300 мкм для последующих слоев суспензии.
Зернистость периклаза в пределах 160…200 мкм для обсыпки первых (лицевых) слоев суспензии обеспечивает высокое качество отпечатка в форме, а, следовательно, минимальную шероховатость поверхности отливок. При зернистости периклаза менее 160 мкм также увеличивается скорость его взаимодействия со связующим (АБФК) и фиксируется чрезмерно быстрое отверждение огнеупорного слоя, что является нетехнологичным с позиции равномерного распределения обсыпочного материала на блоке моделей.
Обсыпка последующих (внутренних) слоев суспензии периклазом 250…300 мкм является оптимальной с позиций получения требуемой толщины покрытия и продолжительности формообразования.
Для особо сложных по конфигурации отливок при изготовлении оболочковых керамических форм обсыпку последующих слоев (кроме лицевого) осуществляют смесью периклаза и керамзита зернистостью соответственно 250…300 мкм и 400…500 мкм, взятых в соотношении (2…4):1 по объему.
Применение для обсыпки последующих (внутренних) слоев смеси периклаза и керамзита в соотношении (2…4):1 по объему диктуется стремлением получить, с одной стороны, требуемые газопроницаемость и минимальную склонность к образованию трещин в керамической форме, с другой - обеспечить необходимую продолжительность отверждения слоев огнеупорной суспензии на блоке выплавляемых моделей. Зернистость керамзита в пределах 400…500 мкм определяет возможность получения оптимальной толщины огнеупорного покрытия.
Для повышения трещиноустойчивости керамических форм при производстве тонкорельефных сложнопрофильных отливок на обсыпочный материал (периклаз или его смесь с керамзитом) воздействуют электрическим полем напряженностью 1500…2000 В/м.
Указанная обработка обсыпочного материала создает условия для электрофизической активации его взаимодействия со слоем огнеупорной суспензии, в результате чего достигаются ускорение формообразования, повышение прочности и трещиноустойчивости керамических форм. При напряженности электрического поля менее 1500 В/м эти эффекты выражены незначительно. Дальнейшее увеличение напряженности электрического поля более 2000 В/м нецелесообразно по причине существенного возрастания энергетических затрат.
Предлагаемый способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. В водный раствор АБФК (ТУ 113-08-606-87) вводили поливиниловый спирт (ГОСТ 10779-78), варьируя его количество из расчета получения в суспензии ПВС 1, 2, 3 мас.%. Затем готовили суспензию из растворов АБФК и ПВС, а также пылевидного кварца марки ПКЗ (ГОСТ 9077-82). Полученную суспензию наносили на блок выплавляемых моделей из состава МВС15 (ТУ 101516-76). Количество слоев - 4. Вязкость 1 слоя суспензии по вискозиметру ВЗ-4 составляла 75…80 с, а последующих - 60…70 с. Каждый слой обсыпали периклазом (ТУ 2149-215-10964029-2004). Средний размер зерен периклаза для обсыпки 1 слоя составлял 180 мкм, для последующих - 280 мкм. Параметры по удалению моделей, термообработки керамических форм и заливки расплава поддерживались аналогичными прототипу. Полученные керамические оболочковые формы на АБФК использовались для изготовления отливок из стали 35Л (ГОСТ 977-88). Сравнительные данные способов приведены в табл.1.
| Таблица 1 | ||||
| Сравнительные данные способов изготовления керамических форм | ||||
| Наименование показателей | Прототип | Количество ПВС в суспензии на АБФК, мас.% | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| 1. Живучесть суспензии, ч | 4…6 | Не менее 20 суток | ||
| 2. Продолжительность отверждения слоя суспензии, мин | 30…40 | 15 | 18 | 20 |
| 3. Прочность керамических образцов, МПа: | ||||
| - после вытопки моделей; | 3,8…4,1 | 5,2 | 6,8 | 7,4 |
| - после термообработки; | 4,2…4,8 | 6,4 | 7,5 | 7,9 |
| - остаточная (выбиваемость) | 3,2…3,5 | 1,8 | 1,5 | 1,2 |
| 4. Газопроницаемость, ед. | 1…2 | 3 | 4 | 6 |
| 5. Склонность к образованию трещин, м/м2 | 26…40 | 10…16 | ||
| 6. Шероховатость поверхности отливок, Rz | 60…80 | 40 | 40 | 40 |
Пример 2. Изготовление оболочковых керамических форм на АБФК осуществляли из суспензии состава аналогично примеру 1, но варьируя при этом зернистость периклаза для обсыпки первого (лицевого) слоя в пределах 160…200 мкм. Средний размер частиц периклаза для обсыпки последующих слоев составлял 280 мкм. Влияние зернистости периклаза обсыпки первого слоя на свойства оболочковых форм представлено в табл.2.
| Таблица 2 | |||
| Влияние зернистости периклаза обсыпки первого слоя на свойства оболочковых форм | |||
| Наименование показателей | Зернистость периклаза для первого слоя, мкм | ||
| 160 | 180 | 200 | |
| 1. Прочность керамических образцов, МПа: | |||
| - после вытопки моделей; | 7,6 | 6,8 | 6,6 |
| - после термообработки; | 8,0 | 7,5 | 7,2 |
| - остаточная (выбиваемость) | 1,8 | 1,5 | 1,1 |
| 2. Газопроницаемость, ед. | 3 | 4 | 5 |
| 3. Склонность к образованию трещин, м/м2 | 13 | 12 | 11 |
Пример 3. Варьировали зернистость периклаза для обсыпки последующих слоев суспензии на АБФК связующем в пределах 250…300 мкм. Средний размер частиц периклаза для обсыпки первого слоя составлял 180 мкм. Состав суспензии и параметры по изготовлению оболочковых керамических форм соответствовали представленным в примере 2. Влияние зернистости периклаза для обсыпки последующих слоев суспензии на АБФК связующем и свойства оболочковых керамических форм приведено в табл.3.
| Таблица 3 | |||
| Влияние зернистости периклаза обсыпки последующих слоев на свойства оболочковых форм | |||
| Наименование показателей | Зернистость периклаза для последующих слоев, мкм | ||
| 250 | 280 | 300 | |
| 1. Прочность керамических образцов, МПа: | |||
| - после вытопки моделей; | 7,9 | 6,8 | 6,0 |
| - после термообработки; | 8,4 | 7,5 | 6,9 |
| - остаточная (выбиваемость) | 2,1 | 1,5 | 0,8 |
| 2. Газопроницаемость, ед. | 2 | 4 | 6 |
| 3. Склонность к образованию трещин, м/м2 | 15 | 12 | 8 |
Пример 4. Изготовление оболочковых керамических форм на АБФК связующем осуществляли из суспензии состава, мас.%:
| алюмоборфосфатный концентрат | 18…25 |
| вода | 15…20 |
| поливиниловый спирт | 1…3 |
| пылевидный огнеупорный наполнитель | остальное |
При этом обсыпку лицевого слоя суспензии осуществляют периклазом, а каждого последующего слоя суспензии - смесью периклаза и керамзита, варьируя соотношение между ними по объему 2:1; 3:1; 4:1. Средний размер частиц периклаза для обсыпки лицевого составлял 180 мкм, для последующих слоев - 280 мкм, а зернистость керамзита была в пределах 400…500 мкм. Влияние соотношения между периклазом и керамзитом на свойства получаемых оболочковых керамических форм приведено в табл.4.
| Таблица 4 | |||
| Влияние соотношения периклаза и керамзита на свойства оболочковых форм | |||
| Наименование показателей | Соотношение между периклазом и керамзитом по объему | ||
| 2:1 | 3:1 | 4:1 | |
| 1. Продолжительность отверждения слоя суспензии, мин | 25 | 18 | 14 |
| 2. Прочность керамических образцов, МПа: | |||
| - после вытопки моделей; | 8,2 | 6,9 | 6,3 |
| - после термообработки; | 8,9 | 7,8 | 6,7 |
| - остаточная (выбиваемость) | 2,1 | 1,8 | 1,6 |
| 3. Газопроницаемость, ед. | 9 | 7 | 3 |
| 4. Склонность к образованию трещин, м/м2 | 2 | 12 | 13 |
Пример 5. Изготовление оболочковых керамических форм осуществляли аналогично примеру 4, соблюдая соотношение между периклазом и керамзитом 3:1 по объему. При этом обсыпку проводили в электрическом поле, варьируя его напряженность 1500, 1800, 2000 В/м. Для этого установка кипящего слоя подсоединялась к источнику тока, а частицы обсыпки, находящиеся в псевдоожиженном состоянии, подвергались электрофизической активации. Влияние напряженности электрического поля для обработки обсыпки на свойства керамических форм представлено в табл.5. Аналогичные результаты ускорения формообразования и повышения прочности керамических образцов получены и при способе изготовления форм по первому варианту решения поставленной технической задачи.
| Таблица 5 | |||
| Влияние напряженности электрического поля на свойства оболочковых форм | |||
| Наименование показателей | Напряженность электрического поля при обработке обсыпки, В/м | ||
| 1500 | 1800 | 2000 | |
| 1. Продолжительность отверждения слоя суспензии, мин | 14 | 12 | 10 |
| 2. Прочность керамических образцов, МПа: | |||
| - после вытопки моделей; | 9,2 | 9,6 | 9,8 |
| - после термообработки; | 9,7 | 9,9 | 10,4 |
| - остаточная (выбиваемость) | 1,8 | 1,9 | 1,9 |
| 3. Склонность к образованию трещин, м/м2 | 1…2 |
Таким образом, заявленное изобретение решает важнейшую проблему в области специальных способов литья по полной замене дорогостоящего экологически вредного ЭТС, требующего в большинстве случаев проведения длительной операции гидролиза с применением огнеопасного этилового спирта. Разработанный способ позволяет изготавливать качественные керамические формы на дешевом и безопасном АБФК связующем, причем с физико-механическими свойствами не уступающими этилсиликатным формам, а по выбиваемости, газопроницаемости, продолжительности формообразования существенно их превышающими. По сравнению с известными способами изготовления керамических форм на АБФК заявленное изобретение позволяет, по сути, сделать эти формы действительно эффективной альтернативой этилсиликатным формам (по живучести, прочности форм, шероховатости поверхности получаемых отливок и др.).
Учитывая повышенные технологические свойства керамических форм на АБФК, изготавливаемых по заявленному изобретению, они могут быть с успехом применены практически в любых отечественных и зарубежных цехах ЛВМ.
1. Способ изготовления форм по выплавляемым моделям, включающий нанесение на модель лицевого и последующих внутренних слоев суспензии на алюмоборфосфатном концентрате, их обсыпку и сушку, отличающийся тем, что лицевой и последующие слои наносят из суспензии состава, мас.%:
| алюмоборфосфатный концентрат | 18-25 |
| вода | 15-20 |
| поливиниловый спирт | 1-3 |
| пылевидный огнеупорный наполнитель | остальное |
а обсыпку слоев суспензии осуществляют периклазом зернистостью 160-200 мкм для лицевого слоя и зернистостью 250-300 мкм для последующих слоев суспензии.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при обсыпке слоев суспензии на периклаз воздействуют электрическим полем напряженностью 1500-2000 В/м.
3. Способ изготовления форм по выплавляемым моделям, включающий нанесение на модель лицевого и последующих внутренних слоев суспензии на алюмоборфосфатном концентрате, их обсыпку и сушку, отличающийся тем, что лицевой и последующие слои наносят из суспензии состава, мас.%:
| алюмоборфосфатный концентрат | 18-25 |
| вода | 15-20 |
| поливиниловый спирт | 1-3 |
| пылевидный огнеупорный наполнитель | остальное |
при этом обсыпку лицевого слоя суспензии осуществляют периклазом зернистостью 160-200 мкм, а обсыпку каждого последующего слоя суспензии осуществляют смесью периклаза и керамзита зернистостью соответственно 250-300 мкм и 400-500 мкм, взятых в соотношении (2-4):1 по объему.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при обсыпке слоев суспензии на периклаз и смесь периклаза с керамзитом воздействуют электрическим полем напряженностью 1500-2000 В/м.
