СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ НА ГИПСОВОМ СВЯЗУЮЩЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК ИЗ ЦВЕТНЫХ И ЧЕРНЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2001 года по МПК B22C9/00 

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

В настоящее время для этого наибольшее распространение получил "ЭНТИОХ-процесс" [1, 2]. Однако, являясь узкоспециализированным на производство ювелирных изделий, этот способ формообразования из импортных кристобалито-гипсовых смесей ("Суперкаст", "Ультравест" и др.) или отечественных динасо- гипсовых смесей ("Ювелирная-1", "Ювелирная-2") не обеспечивает требуемого качества изготовления литьем по выплавляемым моделям сложнопрофильных художественных и машиностроительных отливок. Кроме того, литье в гипсовые формы имеет ограниченность по температуре заливки расплавов (не выше 1100^oC) по причине разложения гипсового связующего с выделением газов [1], что не позволяет качественно изготавливать отливки из высокотемпературных, в том числе черных сплавов.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления 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 - 50-63
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 технологичность операции формовки и стабильность свойств смеси. Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:
- используемая в способе вибровакуумная обработка создает условия для дегазации смеси и увеличения ее плотности, но не вызывает заметного повышения поверхностной прочности (твердости) изготавливаемых стержней и форм на гипсовом связующем после тепловой обработки;
- применяемое в способе прототипа воздействие наносекундных электромагнитных импульсов на затворитель гипсовой формовочной массы обеспечивает значительное улучшение и стабильность реологических свойств смеси, но практически не приводит к существенному росту прочностных характеристик стержней и форм при прокалке и заливке высокотемпературных сплавов;
- в связи с неудовлетворительным комплексом физико-механических свойств стержней и форм на гипсовом связующем в горячем состоянии наблюдается ограниченность их применения по температуре заливки расплавов (не выше 1100^oC);
- по мере увеличения массы и габаритов художественных и машиностроительных изделий способ прототипа вызывает повышение брака по засорам, наплывам, неточности геометрии указанных отливок.

Кроме того, недостатки способа прототипа приводят к ухудшению технологических свойств смесей на гипсовом связующем при их прокалке и заливке высокотемпературных расплавов.

В основу изобретения положена задача создать такой способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем, который обеспечил бы увеличение их прочности при прокалке и заливке высокотемпературных расплавов с сохранением высокой выбиваемости для улучшения качества производства сложнопрофильных художественных и машиностроительных отливок различных габаритов и массы.

Указанная задача решается таким образом, что в способе изготовления стержней и форм на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и черных сплавов, включающем подготовку жидкоподвижной формовочной смеси, ее вибровакуумирование, заливку и отверждение с последующей прокалкой, согласно изобретению, после отверждения смесь подвергают поверхностной сушке для образования пористого поверхностного слоя и осуществляют пропитку раствором алюмоборфосфатного концентрата (АБФК), после чего смесь подвергают прокалке. Поверхностную сушку смеси проводят на воздухе в течение 8-10 ч или в сушильной камере при температуре 150-200^oC, 1,5-2,0 ч.

Пропитку раствором АБФК затвердевшей формовочной смеси на гипсовом связующем проводят на глубину (1-5)•10^-3 м.

Поверхностная сушка затвердевшей формовочной смеси обеспечивает ее пористость, необходимую для последующей пропитки на оптимальную глубину. Пропитка раствором АБФК создает условия для формирования высокопрочной и термостойкой оболочки стержней и форм, способной саморазупрочняться после изготовления отливок. Использование в качестве пропитывающего раствора АБФК, являющегося высокотемпературным связующим материалом, позволяет повысить прочность (общую и поверхностную) стержней и форм на гипсовом связующем, в особенности в горячем состоянии после прокалки. В результате появляется возможность их заливки высокотемпературными расплавами (чугун, сталь и др.) с формированием сложнопрофильных отливок улучшенного качества.

Глубина пропитки затвердевшей формовочной смеси раствором АБФК в пределах (1-5)•10^-3 м является оптимальной с позиций получения повышенных прочностных характеристик стержней и форм, а также обеспечения их улучшенной выбиваемости за счет саморазупрочнения гипсовой основы при высоких температурах прогрева.

Таким образом, в заявляемом способе сочетаются преимущества гипса по обеспечению технологичности процесса формовки и улучшенной выбиваемости стержней и форм с достоинствами АБФК, как высокотемпературного связующего материала. В результате создается комплекс условий для повышения качества изготовления сложнопрофильных художественных и машиностроительных отливок из цветных и черных сплавов, в том числе высокотемпературных.

Предлагаемый способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем осуществляют следующим образом.

Готовят затворитель 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. [1, 2]. При этом наилучшие результаты для изготовления сложнопрофильных художественных и машиностроительных отливок дает смесь, предлагаемая в прототипе. После подготовки жидкоподвижной формовочной смеси проводят ее вибровакуумирование по режиму: продолжительность обработки - 2,4 мин, остаточное давление воздуха в камере - 1400-2000 Па, амплитуда вибрации - 0,5-0,8 мм при частоте 50 Гц.

После обработки смеси ее заливают в оснастку (стержневой ящик или опоку). По окончании самопроизвольного затвердевания смеси осуществляют формирование ее пористого поверхностного слоя путем поверхностной сушки (естественной на воздухе в течение 8-10 ч или в сушильной камере по режиму: 150-200^oC, 1,5-2,0 ч) с последующей пропиткой в водном растворе АБФК (ТУ 113-08-606-87) плотностью 1250-1300 кг/м³ методом кратковременного окунания или "заливкой-выливкой" в полость формы. При этом создаются условия для оптимальной глубины пропитки в пределах (1-5)•10^-3 м.

Глубина пропитки менее 10^-3 м не обеспечивает заметного повышения физико-механических свойств стержней и форм. При глубине пропитки более 5•10^-3 м затрудняются условия удаления стержней из отливок и выбивки форм. На заключительном этапе изготовления стержней и форм проводят их прокалку (450-500^oC, 3-4 ч). Прокаленные стержни и формы используются для изготовления сложнопрофильных, тонкорельефных отливок из цветных и черных сплавов.

Предлагаемый способ изготовления стержней и форм 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 - 0,01
Вода - Остальное
При подготовке смеси воду перемешивают с АХФС и заливают полученный раствор в емкость. Сухую формовочную массу засыпают в водный раствор АХФС из расчета 360-380 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих смеси. После перемешивания ингредиентов осуществляют вибровакуумную обработку жидкоподвижной формовочной смеси. Для этого емкость со смесью устанавливают в камеру, создают в ней разрежение (остаточное воздушное давление 1400-2000 Па) с одновременной вибрацией частотой 50 Гц и амплитудой 0,5-0,8 мм. По окончании вибровакуумной обработки смеси в течение 3,4 мин ее заливают в технологическую оснастку (стержневые ящики или опоки).

После самопроизвольного затвердевания смеси на гипсовом связующем через 15-20 мин с момента затворения сухих составляющих проводят поверхностную сушку. Для этого применяют нагрев в сушильной камере (150-200^oC, 1,5-2,0 ч) или естественную сушку на воздухе в течение 8-10 ч.

Затем проводят операцию пропитки затвердевшей и поверхностно-подсушенной формовочной смеси раствором АБФК (ТУ 113-08-606-87) плотностью 1300 кг/м³. В ходе испытаний варьируют глубину пропитки (1, 3, 5)•10^-3 м за счет изменения режима поверхностной сушки смеси и продолжительности ее обработки в растворе АБФК.

Заключительную стадию технологического процесса изготовления стержней и форм проводят путем их прокалки при температуре 450-500^oC в течение 3-4 ч.

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют подготовку смеси и изготовление стержней и форм на гипсовом связующем согласно прототипу. При этом фиксируются их физико- механические свойства.

Показателями для сравнения являются твердость (поверхностная прочность) по прибору LTW 3122 (Польша), прочность на сжатие стандартных цилиндрических образцов (диаметр и высота 50 мм) до прокалки и в горячем состоянии при температуре 900^oC, а также выбиваемость стержней и форм, оцененная по их остаточной прочности после прокалки и охлаждения до комнатной температуры.

Влияние разработанного способа изготовления стержней и форм на их свойства в сравнении с прототипом представлено в таблице.

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный способ изготовления стержней и форм обеспечивает увеличение более чем на 60% твердости смеси, повышение прочности, в особенности в горячем состоянии в 1,6-2,0 раза, при сохранении улучшенной выбиваемости смесей на гипсовом связующем.

Заявленный способ опробован при изготовлении литьем по выплавляемым моделям художественных и машиностроительных изделий из высокотемпературных сплавов, 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 из цветных и черных сплавов.

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).

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления стержней и форм на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и черных сплавов. Способ включает подготовку жидкоподвижной формовочной смеси, ее вибровакуумирование, заливку, отверждение, поверхностную сушку, пропитку раствором алюмоборфосфатного концентрата и последующую прокалку. Смесь подвергают поверхностной сушке для образования пористого поверхностного слоя. Для этого применяют нагрев в сушильной камере при 150-200°С в течение 1,5-2 ч или естественную сушку на воздухе в течение 8-10 ч. Пропитку раствором алюмоборфосфатного концентрата затвердевшей формовочной смеси проводят на глубину (1-5)•10^-3 м. Обеспечивается увеличение прочности стержней и форм при прокалке и заливке высокотемпературных расплавов с сохранением высокой выбиваемости. 3 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и черных сплавов, включающий подготовку жидкоподвижной формовочной смеси, ее вибровакуумирование, заливку и отверждение с последующей прокалкой, отличающийся тем, что после отверждения смесь подвергают поверхностной сушке для образования пористого поверхностного слоя и осуществляют пропитку раствором алюмоборфосфатного концентрата, после чего смесь подвергают прокалке. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхностную сушку смеси проводят на воздухе в течение 8 - 10 ч. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхностную сушку смеси проводят в сушильной камере при 150 - 200°С в течение 1,5 - 2,0 ч. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что пропитку раствором алюмоборфосфатного концентрата затвердевшей формовочной смеси на гипсовом связующем проводят на глубину (1 - 5)• 10^-3 м.