СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ НА ГИПСОВОМ СВЯЗУЮЩЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК ИЗ ЦВЕТНЫХ И ДРАГОЦЕННЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2001 года по МПК B22C1/18 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем в производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов.

В настоящее время для этого наибольшее распространение получил "ЭН-ТИОХ - процесс" /1, 2/. Однако, являясь узкоспециализированным на производство ювелирных изделий, этот способ формообразования из импортных кристобалито-гипсовых смесей ("Суперкаст", "Сантикаст", "Ультравест" и др.) или отечественных динасо-гипсовых смесей ("Ювелирная - 1", "Ювелирная - 2") не обеспечивает требуемого качества изготовления литьем по выплавляемым моделям (ЛВМ) крупногабаритных сложнопрофильных художественных или машиностроительных отливок.

Наиболее близким по технической сущности является способ приготовления керамических форм и стержней при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов /3/. В соответствии с указанным прототипом при приготовлении смеси, имеющей состав, мас.%:
Гипс - 10...14
Динас - 59...63
Пылевидный возгон шамотного производства - 3,7...7,0
Алюмохромфосфатное связующее - 0,003...0,020
Вода - остальное,
осуществляют предварительную обработку водного раствора алюмохромфосфатного связующего наносекундными электромагнитными импульсами с последующим перемешиванием ингредиентов и вакуумной обработкой полученной суспензии при ее вибрации.

Известное техническое решение обеспечивает стабильность свойств смеси и технологичность операции формовки. Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:
- низкая эффективность вибровакуумной обработки для дегазации больших объемов суспензии, требуемых при изготовлении крупногабаритных художественных или машиностроительных отливок, что приводит к их повышенному браку по наплывам;
- недостаточный уровень реологических свойств суспензии для качественного воспроизводства ею развитой поверхности сложнопрофильных выплавляемых моделей;
- неудовлетворительный комплекс прочностных характеристик форм и стержней на гипсовом связующем для изготовления литьем по выплавляемым моделям крупногабаритных отливок, вызывающий по мере повышения их массы увеличение брака по засорам;
- формирование поверхностных дефектов (наплывов, засоров) на художественных и машиностроительных отливках увеличивает трудоемкость их зачистки и приводит к безвозвратным потерям цветных и драгоценных металлов и сплавов.

В основу изобретения положена задача создать такой способ приготовления смеси, который обеспечил бы формирование условий для ее эффективной дегазации, улучшение реологических свойств суспензии и физико-механических характеристик форм и стержней на гипсовом связующем для повышения качества производства художественных и машиностроительных отливок из цветных и драгоценных сплавов, в особенности крупногабаритных и массивных.

Указанная задача решается таким образом, что в способе приготовления смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов, включающем перемешивание ингредиентов смеси и ее вакуумную обработку, согласно изобретению одновременно с вакуумированием осуществляют наложение на смесь ультразвукового поля в течение 2...6 мин.

Сочетание ультразвуковой и вакуумной обработки гипсовой суспензии обеспечивает интенсивное выделение из нее пузырьков воздуха, в том числе растворенных в водном затворителе, их коалесценцию и эффективную дегазацию смеси в результате явления кавитации и акустических течений, инициируемых ультразвуковым полем в жидкой фазе суспензий. Процесс дегазации смеси ускоряется также за счет возникающего перепада давлений в газовом пузырьке и разряжением над суспензией. При этом проведение вакуумно-ультразвуковой обработки смеси в течение 2.6 мин, является оптимальным, поскольку именно в этот промежуток времени вязкость затвердевающей суспензии повышается до таких значений, при которых пузырьки воздуха еще способны к перемещению и удалению из всего объема смеси. Дальнейшее повышение времени обработки приводит к тому, что вязкостные силы начинают тормозить процесс дегазации суспензии с гипсовым связующим.

Наложение ультразвукового поля на смесь обеспечивает увеличение ее текучести и продолжительности затвердевания, необходимых для качественного изготовления в технологии литья по выплавляемым моделям крупногабаритных форм и стержней на гипсовом связующем. Указанный эффект достигается за счет ионизации затворителя и диспергирования его частиц под действием ультразвука. Образующиеся ионы растворенных веществ затворителя адсорбируются на частицах гипса и определенным образом блокируют его взаимодействие с водой, увеличивая продолжительность затвердевания суспензии. Измельчение частиц раствора вызывает уменьшение вязкости суспензии при заданном ее наполнении и обеспечивает улучшение воспроизводимости конфигурации сложнопрофильных моделей. "Разжижение" затворителя позволяет также увеличить степень наполнения суспензии и за счет этого повысить прочность и трещиноустойчивость форм и стержней.

Таким образом, достигаемые эффективная дегазация смеси, улучшенные реологические свойства и прочностные характеристики форм и стержней создают условия для повышения качества производства литьем по выплавляемым моделям крупногабаритных художественных или машиностроительных отливок из цветных и драгоценных сплавов.

Предлагаемый способ приготовления смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов осуществляют следующим образом.

Готовят затворителя смеси. Засыпают в него сухую формовочную массу, в качестве которой могут быть использованы отечественные смеси на гипсовом связующем: "Ювелирная - 1", "Ювелирная - 2", импортные: "Ультравест", "Суперкаст" и др. При этом наилучшие результаты для крупногабаритного литья дает смесь, предлагаемая в прототипе. Затем осуществляют перемешивание ингредиентов с последующим одновременным вакуумированием и ультразвуковым воздействием на суспензию с гипсовым связующим в течение 2...6 мин. Для этого может быть использована установка, состоящая из ультразвукового генератора, например марок УЗГ-22-10, УЗГ-8-01/22 /4/, магнитострикционного преобразователя (ПСМ-15) и ванны, дном которой служит волновод, соединенный с сердечником преобразователя. Ванна герметично закрывается крышкой, в которую через систему уплотнений устанавливается шток с крыльчаткой, приводимый в движение от электродвигателя, для перемешивания ингредиентов смеси. К ванне подсоединяется через трубопровод ресивер и вакуумный насос. Таким образом, осуществляя в ванне перемешивание ингредиентов смеси, проводят одновременно вакуумно-ультразвуковую обработку получаемой суспензии. Ультразвуковая ванна крепится на цапфах и может поворачиваться относительно горизонтальной оси для выливания подготовленной жидкоподвижной смеси в оснастку (опоки, стержневые ящики) при изготовлении форм и стержней на гипсовом связующем.

Обработку суспензии проводят при частоте ультразвука 22...24 кГц и мощности 80...100 Вт на выходе генератора, остаточном давлении воздуха в ванне - 1400...2000 Па.

Вакуумно-ультразвуковая обработка продолжительностью менее 2 минут оказывается малоэффективной, поскольку не удается максимально удалить воздух из больших объемов суспензии и значительно улучшить ее технологические свойства.

При обработке более 6 минут повышение вязкости затвердевающей жидкоподвижной смеси затрудняет ее дегазацию. В частности, образующиеся в результате кавитирующего действия ультразвука газовые пузырьки остаются в суспензии, обеспечивая брак отливок по наплывам.

Предлагаемый способ приготовления смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем иллюстрируется следующим примером.

Пример. Используют смесь состава прототипа при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Гипс - 14
Динас - 60
Пылевидный возгон шамотного производства - 4
Алюмохромфосфатное связующее (АХФС) - 0,01
Вода - остальное
При подготовке смеси предварительно воду перемешивают с АХФС и заливают полученный раствор в ультразвуковую ванну. Сухую формовочную массу засыпают в водный раствор АХФС из расчета 360...380 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих смеси. После перемешивания смеси ингредиентов одновременно подвергают ее вакуумированию и наложению ультразвукового поля. Для этого применяют установку, представляющую собой вакуумируемую ультразвуковую ванну с электромешалкой. Дном ванны является волновод магнитострикционного преобразователя (ПМС-15), последовательно соединенного в электрическую цепь с генератором ультразвука марки УЗГ-22-10 /4/.

Обработку смеси в такой установке проводят при частоте ультразвука 22 кГц и мощностью на выходе генератора 100 Вт, при этом амплитуда виброскорости поверхности волновода составляет 0,06 м/с, а остаточное воздушное давление в ультразвуковой ванне поддерживается в пределах 1400...2000 Па. В ходе испытаний варьируют продолжительность вакуумно-ультразвуковой обработки: 2, 4 и 6 минут.

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют приготовление смеси согласно прототипу. Подготовленные смеси используют для изготовления форм и стержней с фиксацией физико-механических свойств.

Показателями для сравнения являются объем пор, приходящийся на 1 кг форм, при различных высотах опок, текучесть и продолжительность затвердевания суспензии на гипсовом связующем при разной степени ее наполнения, а также прочность получаемых форм и стержней.

Продолжительность затвердевания смеси фиксировали с помощью иглы Вика /5/.

Текучесть смеси оценивали, используя методику Суттарда, по диаметру растечения 250 мл суспензии при поднятии стандартной гильзы со смесью на гипсовом связующем, с момента затворения которой прошло 8 минут /5/.

Прочность форм оценивали, испытывая на изгиб образцы размером (40х20х5)·10^-3 м после естественной сушки на воздухе в течение 24 часов.

Влияние вакуумно-ультразвуковой обработки смеси на свойства форм и стержней на гипсовом связующем представлено в таблице.

Из данных таблицы видно, что используемый в прототипе способ вибровакуумной обработки создает условия для требуемой дегазации гипсовой суспензии при изготовлении лишь мелких отливок. По мере увеличения высоты опок эффективность способа подготовки смеси, применяемого и прототипе, значительно падает. Степень дегазации смеси предлагаемым вакуумно-ультразвуковым способом практически высока при всех указанных габаритах опок.

Результаты испытаний показывают также, что по сравнению с прототипом заявленный способ приготовления смеси обеспечивает ее реологические свойства, необходимые для изготовления отливок. При этом улучшается воспроизводимость смесью тонкорельефной поверхности моделей, практически в 2,0 раза повышается прочность форм и стержней на гипсовом связующем в производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов.

Способ приготовления смеси опробован при изготовлении литьем по выплавляемым моделям крупногабаритных художественных изделий и турбинных колес, показав улучшение качества этих сложнопрофильных отливок.

Учитывая повышенный комплекс получаемых технологических свойств, заявленный способ приготовления смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем может быть также использован для получения сложной литейной оснастки, в зубопротезном деле, ювелирном литье, в производстве машиностроительных заготовок ответственного назначения.

Список литературы
1. Урвачев В.П., Кочетков В.В., Горина Н.Б. Ювелирное и художественное литье по выплавляемым моделям сплавов меди. - Челябинск: Металлургия, 1991. - 168 с.

2. Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литье - СПб.: Политехника, 1996. - 213 с.

3. Патент РФ N 2129932. Смесь для изготовления керамических форм и стержней при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов и способ ее приготовления / Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Крымский В.В. и др. Бюл. N 13, 1999 (прототип).

4. Основы физики и техники ультразвука / Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н. Н. Хавский и др. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.

5. Гутов Л.А., Бабляк Е.Л., Изойко А.П. Художественное литье из драгоценных металлов. - Л.: Машиностроение, 1988. - 224 с.

Изобретение относится к литейному производства. Способ приготовления смеси включает перемешивание ингредиентов смеси и ее вакуумную обработку. Одновременно с вакуумной обработкой на смесь накладывают ультразвуковое поле в течение 2 - 6 мин. Сочетание ультразвуковой и вакуумной обработки смеси обеспечивает интенсивное выделение из нее пузырьков воздуха. Улучшаются реологические свойства смеси и физико-механические характеристики форм и стержней. 1 табл.

Способ приготовления смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов, включающий перемешивание ингредиентов смеси и ее вакуумную обработку, отличающийся тем, что одновременно с вакуумной обработкой на смесь накладывают ультразвуковое поле в течение 2 - 6 мин.