СПОСОБ ХИМИЧЕСКОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ СЛОЕВ ЖИДКОСТЕКОЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ Российский патент 2011 года по МПК B22C1/18 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления керамических форм и стержней на жидкостекольном связующем в литье по выплавляемым моделям сложно профильных тонкорельефных отливок из черных и цветных сплавов.

В настоящее время для этого широко используется в производстве химическое закрепление слоев жидкостекольного покрытия в водных растворах хлоридов алюминия или кальция (Литье по выплавляемым моделям: монография / под ред. Я.И.Шкленника. - М.: Машиностроение, 1984. - 408 с.; Стрюченко, А.А. Керамические формы в точном литье по постоянным моделям / А.А.Стрюченко, Э.В.Захарченко. - М: Машиностроение, 1988. - 128 с.). Они имеют водородный показатель (pH) в пределах 0,5…1,0 и создают условия для гелеобразования покрытия. Однако отверждение каждого слоя покрытия протекает лишь с поверхности. В процессе сушки происходит усадка, свободному прохождению которой препятствует неравномерность гелеобразования. В результате возникающие напряжения вызывают появление в пленках связующего микротрещин, развивающихся в процессе прокалки керамических форм. Поэтому происходит нарушение точности, а в некоторых случаях и коробление форм, снижающее качество отливок.

Наиболее близким по технической сущности является способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия, включающий их обработку в растворе алюмоборфосфатного концентрата (RU 2228816. Раствор и способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям. Л.Г.Знаменский. Бюллетень изобретений №14, 2004 г.).

Известное техническое решение обеспечивает ускорение формообразования и некоторое улучшение физико-механических свойств керамических форм и стержней. Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:

- вследствие нерегулируемого образования пузырьков водорода при взаимодействии раствора АБФК с пылевидным кварцем (наполнителем суспензии) наблюдается появление такого дефекта, как отслоение в изготавливаемой керамической форме, нарушающей точность получаемых отливок;

- нерегулируемое газовыделение в формирующемся слое огнеупорного покрытия приводит к образованию в нем крупных наружных пор, в которые при заливке расплава в керамическую форму проникает металл, вызывая появление облоя и пригара на поверхности отливок;

- отслоение в керамической форме, облой и пригар на отливках значительно ухудшают качество их поверхности и увеличивают трудоемкость зачистных работ;

- учитывая, что точные отливки изготавливаются часто из труднообрабатываемых механически сплавов, применение керамических форм, получаемых по прототипу, имеет существенные ограничения при выборе материала отливки;

- отслоения при формообразовании вызывают снижение потенциальной прочности получаемых керамических форм и стержней, что приводит к появлению засоров на отливках, в особенности в случае повышенного теплового и силового воздействия на них заливаемого металла при производстве крупногабаритных и тонкорельефных литых заготовок.

В основу изобретения положена техническая задача - создать такой способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям, который обеспечил бы улучшение физико-механических характеристик керамических форм и стержней за счет регулирования процессов газовыделения при формообразовании и его ускорения, вызывающие повышение качества изготовления точных отливок, в особенности крупногабаритных и тонкорельефных.

Указанная техническая задача решается таким образом, что в способе химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям, включающем обработку нанесенных на выплавляемую модель слоев жидкостекольного покрытия в упрочняющем растворе, согласно изобретению обработку осуществляют путем пропитки слоев смесью растворов алюмоборфосфатного концентрата и карбоксиметилцеллюлозы натриевой, взятых в соотношении 4:1 по объему, при одновременном воздействии на нее ультразвуком интенсивностью 1…5 Вт/см² и вакуумированием с остаточным воздушным давлением (0,1…0,5)×10⁵ Па.

Заявляемый способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия осуществляют следующим образом.

Готовят суспензию на жидкостекольном связующем и пылевидном кварце. Для этого исходное натриевое жидкое стекло (ГОСТ 13078-81) разбавляют водой до плотности 1200…1250 кг/м³. В подготовленный раствор жидкого стекла при интенсивном перемешивании вводят пылевидный кварц из расчета на 1 л связующего 2…2,5 кг пылевидного кварца. Суспензию перемешивают в течение 20…30 мин при скорости вращения крыльчатки 3000 об/мин. На выплавляемую модель наносят слой облицовочного покрытия на гидролизованном растворе этилсиликата с условным содержанием кремнезема 16…20% масс., а затем 4-5 слоев покрытия с использованием подготовленной жидкостекольной суспензии. При этом для закрепления каждого слоя жидкостекольного покрытия используют смесь предварительно подготовленных водных растворов алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) (ТУ 113-08-606-87) плотностью 1250…1300 кг/м³ и карбоксиметилцеллюлозы натриевой (КМЦ-Н) (ГОСТ 6-15-1077-92) плотностью 1100…1150 кг/м³. При подготовке смеси указанные растворы АБФК и КМЦ-Н берут в соотношении 4:1 по объему.

Закрепление осуществляют путем окунания модельного блока с нанесенным слоем жидкостекольного покрытия в закрепляющий раствор АБФК и КМЦ-Н, который предварительно заливают в ультразвуковую ванну, например, марки УЗВ-50ЭК, обеспечивая интенсивность ультразвукового воздействия в пределах 1…5 Вт/см². При этом одновременно осуществляют вакуумирование ультразвуковой ванны, создавая остаточное воздушное давление (0,1…0,5)×10⁵ Па.

При интенсивности ультразвукового воздействия на закрепляющий раствор меньше, чем 1 Вт/см², не удается достичь требуемого уровня диспергирования пузырьков до 50 мкм. В результате в формирующемся слое огнеупорного покрытия образуются крупные поры (500…900 мкм), в том числе и открытые, в которые проникает металл при заливке. Интенсивность ультразвука более 5 Вт/см² является в данном случае нерациональной по причине резкого возрастания энергетических затрат.

В случае, если остаточное воздушное давление над закрепляющим раствором в ультразвуковой ванне будет больше 0,5×10⁵ Па, требуемая дегазация в слое суспензии не происходит. При вакуумировании с остаточным воздушным давлением менее 0,1×10⁵ Па значительно усложняется конструкция установки для закрепления слоев жидкостекольной суспензии.

После закрепления нанесения всех слоев покрытия керамические формы проходят все стадии литья по выплавляемым моделям, а именно вытопку моделей, прокалку, заливку сплавом, охлаждение и формирование отливки, удаление керамики.

Предлагаемый способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям иллюстрируется следующим примером.

Пример. Готовят закрепляющий раствор для слоев жидкостекольного покрытия. Для этого смешивают раствор АБФК (ТУ 113-08-606-87) плотностью 1300 кг/м³ и раствор КМЦ-Н (ГОСТ 6-15-1077-92) плотностью 1100 кг/м³, взятых в соотношении 4:1 по объему. Затем на модельный блок из состава МВС-15 наносят кварцевое огнеупорное покрытие на гидролизованном растворе этилсиликата с условным содержанием SiO₂ 18% масс. После формирования этилсиликатного покрытия последовательно наносят слои жидкостекольного покрытия на пылевидном кварце с обсыпкой кварцевым песком и закреплением каждого слоя в подготовленной смеси растворов АБФК и КМЦ-Н.

При подготовке суспензии используют водный раствор натриевого жидкого стекла (ГОСТ 13078-81) с модулем 3, плотностью 1200 кг/м и пылевидного кварца марки ПК-2 (ГОСТ 9077-82), взятых из расчета 1 л связующего на 2 кг наполнителя, и перемешивают их в течение 20 мин при скорости вращения крыльчатки 3000 об/мин. Условная вязкость жидкостекольной суспензии 30…40 секунд по вискозиметрической воронке при температуре 18…20°C.

Для закрепления слоев жидкостекольного покрытия в ультразвуковую ванну марки УЗВ-50ЭК заливают предварительно подготовленную смесь растворов АБФК и КМЦ-Н. Модельный блок с нанесенными слоями помещают в закрепляющий раствор, создают ультразвуковое поле и остаточное воздушное давление 0,3×10⁵ Па. В ходе испытаний варьируют интенсивность ультразвукового воздействия - 1, 3, 5 Вт/см². Количество слоев жидкостекольного огнеупорного покрытия - 4. После формирования покрытий осуществляют вытопку, прокалку керамических форм и их заливку сталью З0Л по стандартной методике. Показатели для сравнения представлены в таблице.

Сравнительные показатели способов закрепления слоев жидкостекольного покрытия Показатель Прототип Разработанный способ при интенсивности ультразвука, Вт/см² 1 3 5 1. Продолжительность затвердевания слоя, мин 14…17 10 8 5 2. Прочность образцов после вытопки, МПа 5,4…7,0 8,0 9,0 7,0 3. Прочность образцов при 800°C, МПа 6,7…8,2 9,0 10,0 8,0 4. Остаточная прочность (выбиваемость), МПа 3,5…4,8 1,5 1,8 1,2 5. Газопроницаемость, ед. 2…3 10 13 15 6. Размер облоя на отливках, см 0,5…1,2 0 0 0 7. Толщина пригара на отливках, мм 1…4 0 0 0

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный способ обеспечивает повышение прочности после вытопки моделей и в горячем состоянии, увеличение газопроницаемости, улучшение выбиваемости отливок из керамических форм при сокращении продолжительности формообразования.

Заявленный способ опробован при изготовлении литьем по выплавляемым моделям крупногабаритных художественных отливок со сложными по конфигурации поднутрениями и протяженными полостями, показав улучшение качества их тонкорельефной поверхности.

Учитывая повышенный комплекс физико-механических свойств керамических форм и стержней, заявленный способ может быть использован в художественном литье, в производстве машиностроительных заготовок ответственного назначения из цветных и черных сплавов.

Способ включает обработку нанесенных на выплавляемую модель слоев жидкостекольного покрытия путем окунания модельного блока с нанесенным слоем жидкостекольного покрытия в закрепляющий раствор алюмоборфосфатного концентрата и карбоксиметилцеллюлозы натриевой, взятых в соотношении 4:1 по объему. Раствор предварительно заливают в ультразвуковую ванну, обеспечивая интенсивность ультразвукового воздействия 1…5 Вт/см². Одновременно осуществляют вакуумирование с остаточным воздушным давлением (0,1…0,5)×10⁵ Па. Обеспечивается требуемый уровень диспергирования пузырьков, что ведет к улучшению физико-механических характеристик керамических форм и стержней. 1 табл.

Способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям, включающий обработку нанесенных на выплавляемую модель слоев жидкостекольного покрытия в упрочняющем растворе, отличающийся тем, что обработку осуществляют путем пропитки слоев смесью растворов алюмоборфосфатного концентрата и карбоксиметилцеллюлозы натриевой, взятых в соотношении 4:1 по объему, при одновременном воздействии на нее ультразвуком интенсивностью 1…5 Вт/см² и вакуумированием с остаточным воздушным давлением (0,1…0,5)×10⁵ Па.