СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ОБОЛОЧКОВЫХ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ Российский патент 2011 года по МПК B22C9/04 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к получению отливок по выплавляемым моделям.

Известен способ прокаливания керамических форм, получаемых по выплавляемым моделям, включающий сушку керамической оболочки, из которой предварительно удалены модели, и введение кислородсодержащего вещества в керамическую оболочку перед ее прокаливанием, предусматривающий погружение керамической оболочки в насыщенный раствор кислородсодержащего вещества с температурой разложения 200-600°С с последующим удалением упомянутого раствора из полостей керамической оболочки и сушкой последней [1]. В качестве кислородсодержащего вещества используют перманганат калия, натриевую селитру или бертолетову соль.

Данный способ имеет ряд недостатков, связанных с введением дополнительной операции и дополнительного оборудования для приготовления насыщенного раствора кислородсодержащего вещества и необходимостью удаления раствора из полостей керамической оболочки.

Используемые окислители имеют температуру разложения, при которой они сгорают до спекания оболочки, происходящего при 550-600°С. При разложении и выделении активного кислорода высока вероятность растрескивания оболочки. При использовании в качестве кислородсодержащего вещества перманганата калия повышается вероятность образования горячей коррозии (питтинга) за счет диоксида марганца MnO₂, выделяющегося в результате протекания химических реакций. Кроме того, недостатком способа является тот факт, что натриевая селитра обладает высокой взрывоопасностью, а бертолетова соль в дополнение к этому характеризуется высокой токсичностью.

Известен способ прокаливания оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, включающий их нагрев с подачей в полость оболочковой формы окислительной среды, в качестве которой используют 6-10%-ную паровоздушную смесь, подаваемую под избыточным давлением 0,6-1,0 кГс/см² в количестве, равном 20-24-кратному объему прокаливаемой формы [2].

Недостатками указанного способа являются необходимость применения дополнительного оборудования (парогенератора) и высокая вероятность разрушения формы из-за подачи паровоздушной смеси под избыточным давлением.

Известен способ изготовления керамической литейной формы, используемой для производства литья по выплавляемым моделям, включающий последовательное нанесение на модельный блок слоев огнеупорного покрытия, выплавление модельного состава и пропитку формы с последующим ее прокаливанием [3]. При этом пропитку проводят в водном растворе разлагающихся при температуре прокаливания солей серной кислоты, а именно сернокислого алюминия или сернокислого железа.

Недостаток указанного способа - необходимость применения дополнительного оборудования (бак для погружения модельного блока в концентрированный водный раствор сернокислого алюминия или сернокислого железа) и введение дополнительной операции приготовления концентрированного водного раствора сернокислого алюминия или сернокислого железа. Кроме того, соли серной кислоты ухудшают условия труда, поскольку обладают весьма низкой экологичностью.

Наиболее близким к изобретению по техническому существу и достигаемому результату является способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии и обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, введение в оболочку кислородсодержащего вещества, сушку и прокалку [4]. При этом предварительно на блок моделей наносят защитный слой покрытия на основе нитроцеллюлозного лака с температурой разложения 500-700°С, который затем сушат, а в качестве кислородсодержащего вещества используют известковую селитру, которую вводят в количестве 5-7% мас. суспензии для образования второго слоя формы. Однако известный способ имеет ряд недостатков. Вводится дополнительная операция нанесения на блок моделей защитного слоя покрытия, характеризующаяся низкой экологической безопасностью и высокой трудоемкостью. Высока сложность контроля и соблюдения необходимой толщины слоя покрытия. Кроме того, известковая селитра является взрывоопасным веществом.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением. Решается задача совершенствования технологического процесса в части введения кислородсодержащего вещества. Технический результат - снижение трудоемкости и повышение экологичности процесса изготовления литейной формы при высоком качестве отливок.

Этот технический результат достигается тем, что согласно способу изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающему послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом, введение кислородсодержащего вещества, вытопку моделей, сушку и прокалку, кислородсодержащее вещество вводят, начиная со второго слоя оболочки, в составе зернистого материала для обсыпки, к которому добавляют борную кислоту в количестве 2-3% мас.; в качестве кислородсодержащего вещества используют дихромат калия или пероксиды щелочноземельных металлов в количестве 5-10% мас.

При проведении прокаливания одновременно идут два ключевых процесса, касающиеся остатков модельной композиции в оболочковой форме: горение предельных углеводородов (при достаточном количестве кислорода) и пиролиз (в условиях недостатка кислорода). Введение определенного количества кислородсодержащего вещества позволяет интенсифицировать оба этих процесса, поскольку обеспечивается получение дополнительного количества кислорода, необходимого для более полного сгорания остатков модельной композиции, и выделение тепла экзотермических реакций для повышения спекаемости оболочковых форм и термодеструкции связующего материала оболочки. При этом из технологической цепочки изготовления формы исключаются дополнительные трудоемкие операции (например, нанесения покрытий и их сушки), сокращается время прокаливания форм, снижается температурный максимум их пребывания в печи. Это, в свою очередь, обеспечивает повышение экологической безопасности процесса изготовления формы, уменьшение ресурса потребляемой энергии и возможность замены высокотемпературных печей на среднетемпературные.

Введение борной кислоты в состав зернистого материала для обсыпки способствует повышению прочности оболочковых форм при ее прокаливании и улучшению качества поверхности отливок за счет спекания керамического материала оболочки и уменьшения «гребешков» на поверхности отливки, а также позволяет получать отливки в оболочковых формах без опорного наполнителя. При прокаливании происходит разложение борной кислоты до борного ангидрида по реакции

2Н₃ВО₃=3Н₂О+В₂О₃.

Образующийся борный ангидрид в температурном интервале прокаливания оболочковых форм плавится, заполняя макро- и микротрещины, формирующиеся в керамической оболочке в результате полиморфных превращений (переход β-кварца в α-кварц) и выделения кислорода из кислородсодержащего вещества, входящего в зернистый материал обсыпки. При содержании борной кислоты менее 2% мас. эффект упрочнения форм незначителен. Содержание борной кислоты более 3% мас. ведет к образованию большого количества легкоплавких соединений. При последующей заливке формы металлическим расплавом происходит нежелательная диффузия бора в поверхностный слой отливок, что затрудняет их последующую механическую обработку.

Для обеспечения полной прокаленности оболочковой формы, интенсивного выгорания остатков модельной композиции при прокаливании в температурном интервале 500-700°С и снижения времени пребывания литейной формы в прокалочной печи в состав зернистого материала обсыпки вводится кислородсодержащее вещество, являющееся активным окислителем. При этом используется окислитель с температурой разложения не ниже 500°С, что обусловливается необходимостью выделения кислорода при таких температурах, когда свободное горение остатков модельной композиции в полости формы завершается и в форме остается только сажистый углерод. Использование окислителя с температурой разложения выше 700°С неэффективно, так как до такой температуры формы прогреваются только к окончанию процесса прокаливания. Указанным требованиям удовлетворяют дихромат калия K₂Cr₂O₇ с температурой начала разложения 610°С и пероксиды щелочноземельных металлов, например пероксид бария ВаО₂ с температурой начала разложения 600°С.

Содержание кислородсодержащих веществ в количестве менее 5% от массы зернистого материала обсыпки не обеспечивает полного выгорания остатков модельной композиции из полости формы, а выше 10% приводит к растрескиванию оболочки из-за интенсивного газовыделения.

Пример осуществления способа.

Для изготовления огнеупорной суспензии использовалось готовое связующее ГС-20э ТУ 6-02-1-046-95 и маршалит (искусственный пылевидный кварц) марки А или Б по ГОСТ 9077-82. Перемешивание составляющих огнеупорной суспензии проводилось в гидролизаторе мод. 661 до получения рабочей вязкости 55 секунд (с контролем по вискозиметру ВЗ-4). При необходимости для доводки связующего до рабочей вязкости использовалась добавка азотной кислоты.

В качестве зернистого материала обсыпки применялся кварцевый песок марок 1K₂O₂02 ГОСТ 2138-91 для первого слоя и 1K₁O₁03 ГОСТ 2138-91 для последующих слоев с добавкой порошка борной кислоты из расчета 2-3% мас. от материала обсыпки и порошка дихромата калия (пероксида бария) из расчета 5-10% мас. от материала обсыпки. Равномерное покрытие поверхности модельного блока огнеупорной суспензией проводилось послойно двукратным погружением в рабочую емкость гидролизатора. При этом осуществлялись обсыпка каждого слоя зернистым материалом в псевдокипящем потоке, для чего использовался пескоосыпатель мод. 42-00-107, и его вакуумно-аммиачная сушка в полуавтоматической установке мод. 41-00/570. Общее количество слоев оболочковой формы составляло пять-шесть. Обсыпка первого (рабочего) слоя оболочки проводилась без применения добавки кислородсодержащего вещества и борной кислоты, поскольку это ухудшило бы качество поверхности отливок.

Вытопка моделей осуществлялась горячей водой. После этого проводилась сушка оболочковых форм в сушильной камере при температуре 50-70°С в течение 1,5-2,0 ч. Скорость воздушного потока в сушильной камере составляла 4,0-5,0 м/с. Далее осуществлялась прокалка оболочковых форм без опорного наполнителя в прокалочной печи СНО 8.5.17.5/12 по режиму: нагрев до 650°С со скоростью не более 150°С в час с выдержкой при температурном максимуме 1,5-2,0 ч.

В многослойных оболочковых формах изготавливались отливки «Кронштейн» массой 135 г из стали 20Х13Л ГОСТ 977-88 (по восемь отливок в форме). Заливка форм проводилась при температуре 1580-1620°С.

Результаты промышленных испытаний, проведенных согласно предлагаемому способу, представлены в таблицах 1 и 2.

Испытания показали высокую эффективность и экологичность предлагаемого способа при относительно низкой трудоемкости и высоком качестве отливок.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №829316, кл. В22С 9/12, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР №1210956, кл. В22С 9/04, 1984.

3. Авторское свидетельство СССР №495140, кл. В22С 9/04, 1974.

4. Авторское свидетельство СССР №1101317, кл. В22С 9/04, 1982 - прототип.

Таблица 1 Содержание борной кислоты Н₃ВО₃ в обсыпке, % мас. Содержание дихромата
калия K₂Cr₂O₇
в обсыпке, % мас. Содержание пероксида бария ВаO₂ в обсыпке, % мас. Выход годных отливок, % Примечания 1,0     55,0 «Гребешки» на         поверхности         отливок из-за         растрескивания         оболочек 2,0 5,0-10,0 0 100 - 3,0     100 - 4,0     75,0 Неметаллические         включения в         поверхностном         слое отливок 1,0     50,0 Разрушение         оболочки 2,0 0 5,0-10,0 100 - 3,0     100 - 4,0     80,0 Окисные плены в         теле отливки

Таблица 2 Содержание дихромата калия K₂Cr₂O₇ в обсыпке, % мас. Содержание пероксида бария ВаO₂ в обсыпке, % мас. Содержание борной кислоты Н₃ВО₃ в обсыпке, % мас. Выход годных отливок, % Примечания 4,0     75,0 Остатки         сажистого         углерода в   0 2,0-3,0   поверхностном         слое отливок 5,0     100 - 6,0     100 - 7,0     100 - 8,0     100 - 9,0     100 - 10,0     100 - 11,0     65,0 Высокая         шероховатость         поверхности         отливок и         «гребешки»   4.0   50,0 Низкое качество         поверхностно
го         слоя отливок 0 5,0 2,0-3,0 100 -   6,0   100 -   7,0   100 -   8,0   100 -   9,0   100 -   10,0   100 -   11,0   60,0 Низкое качество         поверхностно
го         слоя отливок

Способ включает послойное нанесение на модельный блок огнеупорной суспензии и обсыпку зернистым материалом. Начиная со второго слоя оболочки, в состав зернистого материала вводят кислородсодержащее вещество в количестве 5-10 мас.% и борную кислоту в количестве 2-3 мас.%. Осуществляют вытопку моделей горячей водой, а затем прокалку оболочек. Обеспечивается снижение трудоемкости и повышение экологичности процесса изготовления литейной формы при высоком качестве отливок. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом, введение кислородсодержащего вещества, вытопку моделей, сушку и прокалку, отличающийся тем, что, начиная со второго слоя оболочки, в состав зернистого материала для обсыпки вводят кислородсодержащее вещество в количестве 5-10 мас.% и борную кислоту в количестве 2-3 мас.%.

2. Способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям по п.1, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего вещества используют дихромат калия или пероксиды щелочноземельных металлов.