CC BY
22МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.74
Ю.И. Трифонов, В.А. Героцкий, Т.Д. Курилина
СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ ЖИДКОПОДВИЖНЫМ ОПОРНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева
В производственных условиях апробирован способ повышения прочности, газопроницаемости и геометрической точности оболочковых форм, получаемых по выплавляемым моделям.
Для этого форма вместе с опорным наполнителем помещается в электровакуумную печь для вытопки модельной массы и прокалки формы. Использование низкого вакуума позволяет снизить температуру прокалки формы. Применение жидкоподвижного опорного наполнителя и низкого вакуума при вытопке модельной массы и прокалки формы оказывает положительное влияние на качество формы.
Ключевые слова: оболочковая форма, жидкоподвижный опорный наполнитель, вакуум, температура прокалки, прочность и газопроницаемость опорных наполнителей, качество формы.
Современные модельные составы в литейном производстве изготавливают из комбинаций восков (парафино-стеариновая смесь, природные твердые воски) с добавлением пластмасс (полиэтилен, поливинилбутилацетат, бутадиенстирол, этилцеллюлоза) [1]. При литье по выплавляемым моделям крупных тонкостенных отливок с повышенной геометрической точностью, традиционные парафино-стеариновые модельные составы не удовлетворяют необходимым требованиям.
Модели из таких составов недостаточно прочны, размягчаются при 30^35°С, что в процессе технологических операций приводит к искажению форм и нарушению точности геометрических размеров отливок.
Необходимым свойством обладают традиционные парафино-стеариновые модельные составы со специальными наполнителями, повышающими прочность и термостойкость моделей. При этом желательно, получать стабильные свойства моделей при изготовлении их (моделей) на прессе с усилием 10-15 т.
Прочность таких модельных составов в 4^5 раз выше, чем традиционных.
Однако прочные модельные составы требуют и более высоких температур, (по сравнению с парафино-стеариновыми) при удалении моделей из оболочек.
Удаление из форм модельного состава производится различными способами, отличающимися техническим исполнением и долей безвозвратных потерь модельных композиций. Наиболее известны [1] способы, указанные в табл. 1.
Удаление моделей низкотемпературным нагревом при очевидных достоинствах имеет ряд существенных недостатков. Наименее рекомендуемым можно считать выплавление горячим воздухом, при котором из-за медленного прогрева модели и быстрого нагревания оболочки в последней происходит образование трещин [2]. Проникающий в оболочку модельный состав впоследствии необходимо выжигать при прокаливании.
Использование жесткой воды при вытапливании модельного состава в горячей ванне способствует его омылению, образованию нерастворимых в воде продуктов, которые накапливаются в модельных составах и служат источником засоров в отливках.
© Трифонов Ю.И., Героцкий В.А., Курилина Т.Д., 2013.
Таблица 1
Способы выплавления модельного состава
Способ Оборудование Температурный режим, °С Потери, % Примечание
Высокотемпературный Термические 900-1100 10-15 Снимается необ-
нагрев печи ходимость прокалки
Низкотемпературный Ванны с кипят- 90-100 2-5
нагрев ком
Нагрев при высоком Автоклавы 135-165 при давле- 2-5
давлении нии 3-6 атм.
Наиболее успешным способом выплавления моделей является применение в качестве среды расплава применяемого модельного состава. Имеется мнение [2], что прочность прокаленных оболочек возрастает за счет скоксовавшихся остатков модельного состава. Это же явление способствует улучшению условий заливки, затвердевания и охлаждения отливки и предупреждению образования в них обезуглероженного слоя.
Способ изготовления многослойной оболочковой формы по выплавляемым моделям [3], включающий образование многослойной формы из керамической суспензии на этилси-ликатном связующем, предусматривает выплавление модели при воздействии по оболочку горячим воздухом и прокалку оболочки, отличающиеся тем, что, с целью улучшения качества форм за счет устранения трещин при выплавлении модели в горячем воздухе, горячий воздух подают со скоростью 10 - 20 м/с и одновременно с ним на модель воздействуют сухим насыщенным водяным паром в течение 2 - 20 мин, который после выплавления модели удаляют.
Перспективным считается использование СВЧ нагрева для удаления моделей [4].
Для удаления высокопрочных модельных составов применяют высокотемпературный нагрев. В результате под воздействием более высоких температур возникают и более высокие напряжения в оболочке, что приводит, как правило, или к частичному разрушению ее или короблению, и, в конечном итоге, к нарушению геометрической точности полости литейной формы, а, следовательно, отливки.
Чтобы исключить такие явления, необходимо упрочнение оболочки с помощью внешней опоры осуществлять до удаления из нее модели, а не после, как это практикуется при традиционном способе литья по выплавляемым моделям.
Возможность коробления и растрескивания оболочки при вытопке модельной массы и последующей прокалки требует ее упрочнения перед проведением указанных операций и упаковкой в опорную смесь. Простейшая опорная смесь - сухой песок. Однако хотя песок уменьшает термические напряжения в оболочке при прокалке, невозможно при действующей технологии использовать засыпку оболочек песком перед вытопкой моделей. Соответственно прорабатывались разные варианты опорных смесей применительно к цеховым условиям.
Известен способ с применением влажного наполнителя, состоящего из 88-90% кварцевого песка и 10-12% глиноземного цемента марки 400-500. После перемешивания 4-5 мин в сухом состоянии в смесь добавляют 30-35% воды. После перемешивания образующуюся суспензию (раствор) заливают в контейнер, в котором предварительно установлена модель с нанесенной на ее оболочкой (причем допускается, чтобы количество слоев уменьшилось с 4-5 до 2-3). Через 5-10 мин суспензия (раствор) твердеет. Для более плотного обтекания суспензией модели, целесообразно заливку осуществлять на вибрационном столе. Недостатком такой технологии является низкая газопроницаемость полученной формы, что нежелательно при изготовлении тонкостенных отливок с развитой поверхностью. Для полного от-
верждения суспензии и частичного удаления влаги форма выдерживается на воздухе 16 -20 ч и затем помещается в печь для вытопки модели с последующей прокалкой в течение 12-16 ч.
Новая технология заключается в использовании в качестве влажного наполнителя для заливки оболочек жидкоподвижных композиций. Высокая текучесть таких композиций позволяет отказаться от уплотнения на вибростоле. Но главное заключается в том, что газопроницаемость формы после отверждения и выдержки достигает 400 и более единиц. Соответственно улучшаются условия прокалки и заливки форм.
Рекомендуемые составы жидкоподвижных композиций приведены в табл. 2. Так как все они на практике дают близкие результаты, в зависимости от наличия материалов можно использовать любую из композиций.
Таблица 2
Состав смесей для заливки оболочковых форм
Смесь Формовочный песок Связка Пенообразователь Отвердитель Добавки
Фосфатная 1К02 1К0315 100% Алюмо-фосфатная, 7-8% ДС-РАС 0,15-0,20% - Вода до 5-6% Цемент 0-3%
Жидко-стекольная - Жидкое стекло 6-7% ДС-РАС 0,15-0,20% Ферро-хромой шлак 0-4% Вода до 5-6%
Цементная - Цемент марки 400500 7-8% Концентрат бражки и жидкий (КБЖ) 9-11% - Хлористое железо 0,2-3,3%
Для приготовления композиций удобно использовать доступные установки для приготовления строительных растворов и бетонов емкостью 25-30 литров. Подготовленная оболочка помещается в опоку и заливается свежеприготовленной жидкоподвижной композицией.
Для приобретения прочности 0,5-0,7 МПа (5-7 кгс/см ) и газопроницаемости порядка 400 единиц, форма выдерживается на воздухе 24 ч. Затем осуществляется прокалка форм с одновременным выплавлением моделей.
Прокалка форм - важная принципиальная операция, определяющая в значительной степени качество и себестоимость отливок. В данной технологии обычная температура прокалки оболочек до 950° трудно осуществима, так как в процессе участвуют опоки, которые при такой температуре будут чрезмерно окисляться и коробиться.
Кроме того, смеси на жидком стекле, при их использовании в формах, при температуре 700-750 °С теряют прочность, что проявится при следующей операции заливки форм.
Обычно режимы прокаливания выбирают с учетом разновидности форм и свойств входящих в их состав материалов [4]. Однако минимальная температура нагрева для удаления органических остатков модельного состава и этилсиликатного связующего во всех случаях составляет 850-950 °С. Исключением является прокалка в вакууме и в высокотемпературном псевдоожиженном слое огнеупорного материала, когда процессы возгонки, деструкции или окисления удаляемых веществ протекают более интенсивно. При этом возможно некоторое понижение температуры прокалки. Например, при литье деталей из алюминиевых сплавов в кварцевые формы применение прокаливания в вакууме или псевдоожиженном слое горячего песка ограничивается нагревом оболочек до 500-550 °С. Таким образом, не достигается температура полиморфного превращения песка и исключается опасность растрескивания оболочек.
Снизить температуру прокалки форм можно за счет использования низкого вакуума до 1-10 мм рт. ст. На рис. 1 показана схема электровакуумной печи для прокалки форм. Форма 2 помещается на решетку печи 4 и осуществляется нагрев до 500-550°С. Плавящая модельная масса стекает в приемник 6. После 1-3-часовой выдержки гермитизируется крышка 1 и отверстие внизу печи закрывается пробкой 8. Включается через ниппель 7 вакуум и осуществляется часовая выдержка под вакуумом. Такая выдержка равноценна прокалке при 900-950°С.
Рис. 1 Электровакуумная печь для прокатки форм:
1 - крышка; 2 - литейная форма;
3 - корпус печи; 4 - решетка; 5 - нагреватель;
6 - приемная чаша для молельного состава; 7 - ниппель вакуумпровода; 8 - пробка
Таким образом, с помощью заливки оболочковых форм, полученных по выплавляемым моделям, жидкоподвижными смесями возможна эффектная организация получения тонкостенных прецизионных отливок из алюминиевых сплавов при умеренных затратах [5].
В качестве варианта основы опорных смесей были выбраны применяющиеся в цехе гипсовые смеси, включающие 60% гипса, 32% песка, 2% асбеста и 6% слюды. Для повышения технологичности в цеховую смесь вводили различные добавки.
С целью увеличения жидкоподвижности в жидкую гипсовую смесь вводили 0,2-0,3% ПАВ ОП-7. Эта добавка несколько умешала количество воды в смеси, но все же влажность смеси оставалась высокой и составляла 40-45%. Образцы прокаливали при 500, 600, 700 и 800°С с выдержкой 1 ч. Прочность при 500 °С оставалась практически как у исходного образца, затем по мере роста температуры прокалки падала и оказалась для 800 °С низкой.
Проверяли влияние различных добавок на прочность опорных смесей с гипсовым наполнителем при различных температурах прокалки (рис. 2).
Добавка этилсиликата прореагировала с ОП -7 в смеси и устранила пенообразование. В результате пришлось увеличить количество воды в смеси из-за уменьшения ее жидкотеку-чести. Влияние добавок на прочность смеси представлено на рис. 2.
Как видно на рис. 2, наибольшей прочностью обладает смесь с добавкой этилсиликата. Исходная смесь, обладая повышенной прочностью при низкой температуры прокалки, с повышением температуры теряет ее. Прочность смеси с добавкой жидкого стек-
ла достаточно велика в исходном состоянии, при прокалке она падает и с ростом температуры меняется мало.
5
н о
1
.
400 600 800 °С
температура прокалки
Рис. 2. Влияние температуры прокалки на прочность опорных смесей:
1 - исходная смесь: 45%гипсовой смеси, 54% воды, 1% ОП-7;
2 - добавка 4% жидкого стекла;
3 - добавка 4% негидролизованного этилсиликата
С целью предотвращения разупрочнения смеси с добавкой жидкого стекла при прокалке в состав смеси ввели 1% борной кислоты. В результате, как показали эксперименты, при прокалке прочность смеси практически не изменялась и осталась на уровне исходной.
Недостаток гипсовых смесей - значительное содержание воды (до 60%). С целью уменьшения содержания воды и колебания размеров при отверждении и прокалке смеси использовали следующий состав: 1 часть гипсовой смеси, 2 части песка, 0,5 части цемента и добавка 0,5% ОП-7 в жидкую композицию. Данный состав показал значительную прочность после отверждения. После прокалки при 700-750°С прочность падала, но оставаясь достаточной для технологических целей.
Анализ показывает, что идеальной опорной смесью может служить пористая масса или затвердевшая пена. Такая пена может быть получена в результате выделения газа в процессе отверждения смеси, например, по реакции алюминиевого порошка с ортофосфорной кислотой.
По данной реакции одновременно выделяется водород и трехзамещенный алюмофос-фат, который служит алюмофосфатной связкой в смеси. В экспериментах использовали цеховую суспензию на гидролизованном этилсиликате с добавками до 10-25% алюминиевого порошка и 5-10% ортофосфорной кислоты. После смешивания начиналась реакция с выделением водорода, масса вспенилась и через сутки затвердевала в виде достаточно прочной твердой «губки» с размером ячеек 1-5 мм.
Выводы
Использование в процессе изготовления оболочковой формы в качестве опорного наполнителя жидкоподвижной смеси способствует повышению физико-механических свойств и качества формы.
В качестве технологии выплавления модельного состава и последующей прокалки
может использоваться электровакуумный нагрев, обеспечивающий снижение температуры прокалки и, следовательно, являющийся более энергоэффективным, чем традиционные режимы подготовки оболочковой формы к заливке. Уменьшение температуры также повышает прочность, геометрическую точность и газопроницаемость формы.
Библиографический список
1. Вагин Г.Я. Ресурсо- и энергосбережение в литейном производстве: учебник для вузов / Г.Я. Вагин, В.А. Коровин, И.О. Леушин, А.Б. Лоскутов; Нижегород. гос. тех. ун-т. - Н. Новгород, 2008. - 211 с.
2. Литье по выплавляемым моделям / под ред. Л.И. Шкеленника и В.А.Озерова. - М.: Машиностроение, 1984. - 404 с.
3. А.с. SU 1141643 А1 Способ изготовления многослойной оболочковой формы по выплавляемым моделям.
4. Специальные способы литья: справочник / В.А. Ефимов [и др.]; под общ. ред. В.А. Ефимова. - М.: Машиностроение, 1991. - 436 с.
5. Трифонов, И.Ю. Опыт получения тонкостенных корпусных отливок из алюминиевых сплавов по выплавляемым моделям // Литейное производство сегодня и завтра: тр. 8-й научно-практической конференции. - СПб., 2010.
Дата поступления в редакцию 21.11.2013
Y.I. Triaonov, V.A. Gerotsky, T.D. Kurilina
METOD OF HARDENING OF THE SHELL MOLD BY THE FLUID BEARING FILLER
Purpose: When investment casting of large thin-walled castings with high geometric precision, traditional paraffin-stearic model formulations do not meet the necessary requirements. Purpose - to find a way of hardening shell molds.
Design/methodology/approach: Under production conditions was tested way to increase strength, permeability and geometric precision for shell molds by investment casting.
Findings: For this form, together with supporting liquid filler is placed in electrical vacuum furnace for melting out the model and calcination forms.
Research limit ations/implications: The low vacuum uses to reduce the temperature of baking forms. Originality/value: Application liquid filler and low vacuum melting out the model and calcination mold has a positive impact on the quality of the form.
Key words: shell of mold, liquid filler, vacuum baking temperature, strength, permeability.
