СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ НА ГИПСОВОМ СВЯЗУЮЩЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК ИЗ ЦВЕТНЫХ И ДРАГОЦЕННЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2003 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, защищенный патентом РФ 2163524 /3/. В соответствии с указанным прототипом изготовление форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов осуществляют путем перемешивания ингредиентов смеси, обработки в вакууме ультразвуком полученной суспензии, ее заливки в оснастку и отверждения.

Известное техническое решение создает условия для эффективной дегазации самой суспензии, обеспечивает ее высокие реологические свойства и технологичность операции формовки. Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:
- применяемый в прототипе способ предусматривает заливку суспензии в оснастку, в ходе которой возрастает вероятность ее газонасыщения вновь после дегазации за счет вакуумно-ультразвуковой обработки, в результате чего не удается достигнуть минимальной газонасыщенности самой формы или стержня на гипсовом связующем;
- водомассовое отношение, минимальное значение которого лимитируется требуемой текучестью суспензии, оказывается достаточно высоким и является главной причиной склонности к трещинообразованию форм и стержней, их увеличенной усадки, пониженной точности и прочности;
- неудовлетворительный комплекс физико-механических характеристик форм и стержней на гипсовом связующем для изготовления литьем по выплавляемым моделям крупногабаритных отливок вызывает по мере повышения их габаритов и массы увеличение брака по засорам, наплывам, неточности геометрии;
- 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 изготовления форм и стержней на гипсовом связующем, который обеспечил бы формирование условий для их эффективной дегазации, а также повышение физико-механических характеристик за счет снижения до минимума водомассового отношения при сохранении высоких реологических свойств суспензии для улучшения качества производства художественных и машиностроительных отливок из цветных и драгоценных сплавов различных габаритов и массы.

Указанная задача решается таким образом, что в способе изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов, включающем перемешивание ингредиентов смеси, обработку в вакууме ультразвуком полученной суспензии, ее заливку в оснастку и отверждение, согласно изобретению, заливку суспензии производят в оснастку с отверстиями, снабженными полупроницаемыми мембранами, а после заливки суспензии осуществляют выдавливание из нее дисперсионной среды через указанные отверстия.

При этом удаление дисперсионной среды производят под давлением (1,5... 5)10⁵.

Выдавливание жидкой составляющей (дисперсионной среды) из залитой в оснастку суспензии обеспечивает повышение трещиноустойчивости, прочности, точности форм и стержней по существу за счет снижения их водомассового отношения.

Удаление дисперсионной среды под давлением (1,5...5)10⁵ Па из оснастки через отверстия в ней с полупроницаемыми мембранами вызывает эффект принудительной, избирательной фильтрации, в ходе которой жидкая фаза удаляется при сохранении в оснастке дисперсных частиц гипсового связующего, наполнителя и технологических добавок. В результате создаются условия для эффективной дегазации и коренного улучшения физико-механических свойств форм и стержней на гипсовом связующем. Это повышает качество изготовления литьем по выплавляемым моделям художественных или машиностроительных отливок из цветных и драгоценных сплавов различных размеров и массы.

Диапозон значений давления (1,5...5) 10⁵ ПА является оптимальным с позицией обеспечения минимального достижимого водомассового отношения, определяющего увеличение прочности, трещиноустойчивости и точности форм или стержней.

Предлагаемый способ 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. При этом наилучшие результаты для крупногабаритного литья дает смесь, защищенная патентом РФ 2129932 /4/. 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-8-01/22 151, 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. 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.

Ультразвуковая ванна крепится на цапфах и может поворачиваться относительно горизонтальной оси для выливания в оснастку (опоки, стержневые ящики) подготовленной суспензии. После ее заливки незамедлительно осуществляют выдавливание дисперсионной среды (жидкой составляющей) из отверстий, снабженных полупроницаемыми мембранами. При этом оптимально затворенное гипсовое связующее, наполнитель, технологические добавки остаются в оснастке, а избыточная жидкая фаза удаляется за счет избирательной принудительной фильтрации под давлением через мембрану. В качестве ее материала могут быть использованы хризотил-асбест (ГОСТ 12871-93), катионитовая смола КФ-1 (ГОСТ 20298-74), целлюлоза, пергамент, некоторые виды керамики и др. [6].

Давление может быть осуществлено профилирующей колодкой в опоке или поршнем через знаковую часть стержневого ящика. При этом оптимальным является диапозон значений (1,5...5)10⁵ Па. Если давление меньше, чем 1,5•10⁵ Па, не удается эффективно удалить дисперсионную среду и обеспечить минимально достижимое водомассовое отношение, определяющее повышенные физико-механические свойства форм и стержней на гипсовом связующем. При давлении больше чем 5•10⁵ Па высока вероятность их механического разрушения.

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

Пример. Используют смесь /4/ 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 ингредиентов смеси осуществляют одновременное вакуумирование и наложение ультразвукового поля на суспензию. 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-22-10/5/.

Обработку суспензии в такой установке проводят при частоте ультразвука 22 кГц и мощностью на выходе генератора 100 Вт. При этом остаточное воздушное давление в ультразвуковой ванне поддерживается в пределах 1400...2000 Па. Продолжительность вакуумно-ультразвуковой обработки составляет 5 мин. По ее окончании суспензию заливают в оснастку и незамедлительно выдавливают дисперсионную среду из отверстий, снабженных полупроницаемыми мембранами, в качестве материала которых используется хризотил-асбест (ГОСТ 12871-93). При этом варьируют давление принудительной фильтрации жидкой фазы через мембраны: (1,5; 3; 5) 10⁵ Па.

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют изготовление форм и стержней согласно прототипу с фиксацией их физико-механических свойств. Показателями для сравнения являются объем пор, приходящийся на 1 кг форм, при различных высотах опок, прочность и твердость получаемых форм и стержней, точность их геометрии.

Прочность форм оценивали, испытывая на изгиб образцы размером (40 х 20 х 5)•10^-3 м после естественной сушки на воздухе в течение 24 ч. Точность определяли по отклонению размеров образцов от номинальных, а их твердость (поверхностную прочность) - по прибору LTW 3122 (Польша). Влияние разработанного способа изготовления форм и стержней на их свойства в сравнении с прототипом представлено в таблице.

Из данных таблицы видно, что по мере увеличения высоты опок эффективность способа, применяемого в прототипе, значительно падает. Степень дегазации форм и стержней предлагаемым способом практически высока при всех указанных габаритах опок и практически не зависит от них.

Результаты испытаний показывают также, что по сравнению с прототипом заявленный способ обеспечивает повышение более чем в 2,0 раза твердости и прочности форм и стержней на гипсовом связующем в производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов. Это вызывает увеличение точности и улучшение качества их изготовления.

Предлагаемый способ в литье по выплавляемым моделям художественных изделий и турбинных колес показал улучшение качества этих сложнопрофильных отливок.

Принимая во внимание результаты проведенных испытаний, заявленный способ 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 2163524. Способ приготовления смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов / Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Ивочкина О.В. Бюл. 6, 2001 (прототип).

4. Патент РФ 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. 13, 1999.

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

6. Евстратова К.И., Купина Н.И., Малахова И.И. Физическая и коллоидная химия - М.: Высшая школа, 1990. - 487 с.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов. Способ изготовления форм и стержней на гипсовом связующем включает перемешивание ингредиентов смеси, обработку в вакууме ультразвуком полученной суспензии в течение 2-6 мин, ее заливку в оснастку и отверждение. Заливку суспензии производят в оснастку с отверстиями, снабженными полупроницаемыми мембранами. После заливки суспензии осуществляют выдавливание из нее дисперсионной среды через указанные отверстия под давлением (1,5...5)•10⁵Па. Избыточная жидкая фаза удаляется за счет избирательной принудительной фильтрации через мембраны. Создаются условия для эффективной дегазации смеси. Обеспечивается повышение трещиноустойчивости, прочности, точности форм и стержней. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов, включающий перемешивание ингредиентов смеси, обработку в вакууме ультразвуком полученной суспензии, ее заливку в оснастку и отверждение, отличающийся тем, что заливку суспензии производят в оснастку с отверстиями, снабженными полупроницаемыми мембранами, а после заливки суспензии осуществляют выдавливание из нее дисперсионной среды через указанные отверстия. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удаление дисперсионной среды производят под давлением (1,5...5)•10⁵ Па.