способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям

Формула изобретения

Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, включающий формирование на модельном блоке оболочки с использованием кремнезольного связующего, плавленого кварца в качестве огнеупорного наполнителя и обсыпочного материала, сушку слоев оболочки и вытопку модельного состава в горячей воде, отличающийся тем, что для формирования первого или двух первых слоев оболочки используют кремнезоль кислый и плавленый кварц при следующем соотношении компонентов, об.%:

Кремнезоль кислый	37-41
Плавленый кварц	59-63,

а для формирования последующих слоев оболочки используют суспензию, содержащую кремнезоль основной и плавленый кварц при следующем соотношении компонентов, об.%:

Кремнезоль основной	36-44
Плавленый кварц	56-64.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления керамических оболочковых форм при литье по выплавляемым моделям для получения точных отливок.

Из предыдущего уровня техники известны способы изготовления литейных форм по выплавляемым моделям, для осуществления которых используется суспензии, содержащие в своем составе кремнезоль.

Известна суспензия, применяемая для процесса изготовления литейных форм по выплавляемым моделям, которая содержит кислый кремнезоль, этилсиликат, поверхностно-активное вещество и огнеупорный наполнитель (А.с. СССР № 616039, МПК B22C 1/16. Суспензия для изготовления литейных форм по выплавляемым моделям / В.Н. Иванов, А.Д. Чулкова, Н.А. Шабанова, Ю.Г. Фролов, Ю.И. Растегин. - № 2439736; заявл. 14.01.1977; опубл. 05.05.1980).

Недостатком указанного технического решения является применение в технологическом процессе токсичных кислот (соляной и фосфорной) и этилсиликата, что отрицательно влияет на экологическую безопасность производства. Кроме того, присутствие этилсиликата сокращает время живучести керамической суспензии из-за развития процессов гелеобразования при хранении суспензии.

Известна суспензия для изготовления литейных оболочковых форм по выплавляемым моделям, содержащая этилсиликат, кремнезоль основной, поверхностно-активное вещество анионоактивное и кварц пылевидный (А.с. СССР № 1109238, МПК B22C 1/00, B22C 1/16. Суспензия для изготовления литейных оболочковых форм по выплавляемым моделям / Л.Ф. Лобанова, Р.И. Шкурская, Г.Ф. Гудова, С.О. Щелкунов, Г.И. Агафонов. - № 36000217; заявл. 07.04.1983; опубл. 15.10.1988).

Недостатком указанного технического решения является наличие в технологическом процессе токсичного этилсиликата. Наличие в кремнезоле основном Na₂O снижает химическую стойкость керамической формы к заливаемому расплаву.

Известен способ изготовления форм по выплавляемым моделям, в котором использован щелочной кремнезоль, термореактивная смола и огнеупорный порошок (Патент JP 3106534, МПК B22C 1/16, B22C 9/04. Высокоточная форма для литья и способ ее изготовления / Tsukahara Takayaki, Kondou Masanori. - № 19890245577; заявл. 21.09.1989).

К недостаткам указанного технического решения можно отнести:

- увеличение номенклатуры ингредиентов для приготовления суспензии (термореактивная смола);

- увеличение стоимости изготовления керамической формы, вызванное применением дополнительных ингредиентов в суспензии;

- снижение химической стойкости керамической формы к заливаемому расплаву вследствие наличия Na₂O в кремнезоле основном.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому изобретению является способ, описанный в изобретении по патенту РФ № 2446910, согласно которому покрытие наносят окунанием модельного блока в керамическую суспензию, содержащую кремнезоль кислый, поливиниловый спирт, поверхностно-активное вещество, пеногаситель и обессоленную воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кислый кремнезоль	80-87
Поливиниловый спирт	0,4-0,8
Поверхностно-активное вещество	0,5-0,7
Пеногаситель	0,1-0,15
Обессоленная вода	остальное

На суспензию наносят зернистый материал (плавленый кварц). Каждый слой подвергают отверждению - сушке при температуре 25-30°C. После окончательного формирования оболочковой формы вытапливают модельную массу в кипящей воде (Патент РФ № 2446910, МПК B22C 1/18. Связующее для изготовления оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям / А.С. Максютин, Н.А. Зотов, Н.С. Петелькина. - № 2010154014; заявл. 28.12.2010; опубл. 10.04.2012).

Недостатком указанного технического решения является то, что кислые кремнезольные связующие обладают промежуточным характером затвердевания, в связи с чем керамическая оболочка может разупрочняться в процессе вытопки модельной массы в горячей воде.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности керамических оболочковых форм.

Поставленная задача достигается тем, что согласно предлагаемому способу на модельном блоке формируют оболочку с использованием кремнезольного связующего, огнеупорного наполнителя и обсыпочного материала, в качестве которых используют плавленый кварц. После этого проводят сушку слоев, вытопку модельного состава в горячей воде. Отличием от прототипа является то, что для формирования первого слоя или двух первых слоев используют суспензию, содержащую кремнезоль кислый и плавленый кварц при следующем соотношении компонентов (об.%):

Кремнезоль кислый	37-41
Плавленый кварц	59-63.

Для формирования последующих слоев используют суспензию, содержащую кремнезоль основной и плавленый кварц при следующем соотношении компонентов (об.%):

Кремнезоль основной	36-44
Плавленый кварц	56-64.

Указанное соотношение компонентов в суспензии для формирования первого слоя или двух первых слоев позволяет добиться наилучшей кроющей способности, что оказывает влияние на качество поверхности отливок.

Применение покрытий с разными уровнями кислотности (щелочности) улучшает адгезионные свойства между покрытиями за счет образования водородных связей. Физико-химические изменения на границе двух сред приводят к установлению кислотно-щелочного равновесия между ними. При изменении pH раствора в сторону кислой среды, если золь был щелочным, и в сторону щелочной, если золь был кислым, происходит процесс гелеобразования, при этом протекает процесс объединения мицелл в более крупные агломераты.

Плавленый кварц в качестве наполнителя суспензии на основе кремнезоля обеспечивает гомогенность суспензии и дает однородное покрытие.

В составе кислых кремнезольных связующих практически полностью отсутствует Na₂O, кроме этого они, как правило, являются модифицированными (алюминизированными). Это обеспечивает высокую огнеупорность и химическую стойкость покрытий на их основе к заливаемому расплаву. Однако кислые кремнезольные связующие обладают промежуточным характером затвердевания, что приводит к разупрочнению керамической оболочки в горячей воде.

Керамические покрытия на базе кремнезолей основных имеют несколько худшие показатели по огнеупорности и химической стойкости к заливаемому расплаву из-за наличия в кремнезоле основном Na₂O. Тем не менее, такие покрытия при высыхании твердеют необратимо, что позволяет успешно производить вытопку модельного состава в горячей воде.

Внутренний слой формы при вытопке модельного состава в горячей воде находится в контакте с модельным составом и частично пропитывается им, что ограничивает контакт внутреннего слоя формы с горячей водой. Это позволяет изготавливать первые слои на основе кислого кремнезольного связующего.

Внешний слой формы при вытопке модельного состава с первых секунд контактирует с горячей водой. Использование для создания последующих слоев кремнезоля основного предотвращает разупрочнение керамической оболочки. Кроме того, кремнезоль основной является более дешевым по сравнению с кремнезолем кислым.

Способ осуществляется следующим образом. При изготовлении суспензии для первого или двух первых слоев оболочки вначале в бак-смеситель вливают кремнезоль кислый «Армосил К» (ТУ 2145-008-61801487-2010), затем при включенной мешалке порциями вводят наполнитель плавленый кварц «Экосил-мелур-1» при следующем соотношении компонентов, об. %:

Кремнезоль кислый	39
Плавленый кварц	61.

После перемешивания замеряют вязкость суспензии вискозиметром ВЗ-4. На первые слои вязкость составляет 25 65 секунд.

При изготовлении суспензии, используемой для формирования последующих слоев в бак-смеситель вливают кремнезоль основной «Армосил А» (ТУ 2145-005-95412478-2006), затем при включенной мешалке порциями вводят наполнитель плавленый кварц «Экосил-мелур-1» (ТУ 5931-002-71435339-2004) при следующем соотношении компонентов, об. %:

Кремнезоль основной	40
Плавленый кварц	60.

После перемешивания замеряют вязкость суспензии вискозиметром ВЗ-4. На последующие слои вязкость составляет 20 80 секунд.

Покрытие наносят окунанием модельного блока в керамическую суспензию с последующей обсыпкой его зернистым материалом. В качестве обсыпочного материала применяют плавленый кварц, причем размер зерен при обсыпке последовательно увеличивается от лицевого (первого слоя) к наружному. Рекомендуется такая последовательность обсыпки: для первого слоя - плавленый кварц «Экосил-мелур-2» зернистостью 0,063-0,125 мм, для второго слоя - плавленый кварц «Экосил-мелур-3» зернистостью 0,125-0,315 мм, для третьего и последующих слоев - «Экосил-мелур-5» зернистостью 0,4-0,63 мм. Обсыпка проводится в пескосыпах с псевдокипящим слоем. Каждый слой подвергают отверждению - сушке в потоке воздуха с относительной влажностью 40-50% при температуре 20-30°C. Время сушки слоев оболочковой формы на базе кремнезоля кислого не менее 40 мин, на базе кремнезоля основного - не менее 70 мин. После окончательного формирования керамической оболочки на модельном блоке проводят удаление модельной массы в горячей воде.

Заявляемые соотношения компонентов в суспензии позволяют добиться наилучшего результата при формировании оболочек. Если в связующем на основе кремнезоля кислого содержание плавленого кварца будет менее 59 об.%, возможно «стекание» слоя. При содержании кварца более 63 об.% связующее неравномерно распределяется по модельному блоку и приводит к тому, что мелкие неровности не заполняются суспензией.

Если в связующем на основе кремнезоля основного содержание плавленого кварца будет менее 56 об.%, то прилипание обсыпочного материала к суспензии будет неустойчивым. Содержание кварца более 64 об.% приводит к тем же недостаткам, что и в связующем на основе кремнезоля кислого.

По сравнению с техническим решением, взятым за прототип, предлагаемый способ дополнительно обеспечивает достижение следующих результатов:

- снижение времени и трудоемкости процесса получения суспензии в связи с устранением дополнительных операций (приготовление эмульсии поверхностно-активного вещества с пеногасителем и приготовление рабочего раствора поливинилового спирта);

- уменьшение номенклатуры ингредиентов для приготовления суспензии за счет исключения поливинилового спирта, поверхностно-активного вещества, пеногасителя, обессоленной воды;

- снижение стоимости изготовления керамической формы за счет исключения дополнительных ингредиентов.