СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ЛИТЬЯ
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 2.4

ЛИТЬЁ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Изготовление оболочковых форм

Требования к формам. Оболочковая форма должна отвечать следующим требованиям: обладать достаточной прочностью, выдерживать динамический и статический напоры расплава, не деформироваться при заливке, затвердевании и охлаждении отливки; быть огнеупорной, т. е. не разупрочняться при прокаливании и особенно при заливке; иметь газопроницаемые стенки, чтобы в полостях формы не возникало противодавление воздуха (такое явление приводит к браку отливок по недоливу); быть химически инертной к модельному составу и металлу отливки; иметь достаточную податливость, чтобы не препятствовать усадке сплава; обеспечивать получение отливок с поверхностью требуемой шероховатости и высокой точности размеров, массы и конфигурации.

Материалами керамической оболочковой формы являются огнеупорная основа (две фракции – пылевидная менее 0,05 мм и «грубая» 0,1 – 0,3 мм) и связующее.

По химическому составу огнеупорных материалов керамические оболочковые формы разделяют на оксидные и углеродные. В свою очередь оксидные материалы форм по химическому составу разделяют на кислые, основные и амфотерные.

Кислые оксидные материалы форм на основе кристаллического кварца (SiO2) применяют наиболее широко, так как они наиболее дешевы и недефицитны. Их используют в массовом и крупносерийном производстве отливок средней сложности массой до 3 – 5 кг из углеродистых и низколегированных сталей.

Основные оксиды – MgO, CaO – применяют редко, только в производстве отливок из сплавов, обладающих высокой химической активностью к кислотным оксидам в жидком состоянии.

Амфотерные материалы на основе оксида алюминия Al2O3 широко применяют при изготовлении отливок из жаропрочных и антикоррозионных сплавов.

Углеродистые формы применяют при изготовлении отливок из титановых сплавов.

Конструкция формы. В производстве наиболее часто используют оболочковые формы, упрочненные сыпучим огнеупорным материалом (рисунок 2.2, а). Преимущества таких форм заключаются в том, что их использование не связано с выполнением высоких требований по прочности и термостойкости к собственно оболочковой форме. Их конструктивное решение исключает резкое охлаждение формы после прокалки перед заливкой. Оболочковую форму после удаления модели прокаливают и помещают в нагретый сыпучий огнеупорный материал, что позволяет снизить длительность операции прокаливания и энергозатраты на ее осуществление. В качестве опорных материалов используют кварцевый песок, шамотную крошку, бой форм. Такие формы используют в массовом производстве отливок небольших размеров.

При изготовлении оболочковых форм с прочным опорным материалом (рисунок 2.2, б) оболочку помещают в опоку, в которую заливают жидкую смесь со связующим на основе цемента или жидкого силикатного стекла (ЖС). Иногда добавляют борную кислоту (рекомендуется современное название «гидроксид бора») или буру, которые при прокаливании форм способствуют упрочнению опорного материала и уменьшению давления на оболочку. Модель удаляют до или после упрочнения. Такой способ подготовки форм применяют в серийном производстве отливок, к которым предъявляются повышенные требования по точности размеров и геометрической точности. Процесс изготовления отливок данным способом длительный и энергоемкий, поэтому его используют редко.

Конструкции оболочковых форм

Рисунок 2.2 – Конструкции оболочковых форм: а – с сыпучим опорным материалов; б – с прочным опорным материалом; в – истинно оболочковая форма; 1 – контейнер; 2 – оболочка; 3 – опорный материал

Истинно оболочковую форму (рисунок 2.2, в) прокаливают и заливают без опорных материалов, при этом сокращается продолжительность прокаливания форм, упрощается их выбивка.

Материалы для изготовления форм. Для изготовления оболочковой формы используют следующие огнеупорные материалы: мелкодисперсную основу суспензии, посыпку и опорный материал. Общими требованиями к огнеупорным материалам для оболочковых форм являются: высокая огнеупорность (как правило, не ниже 1500оС); низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР); отсутствие полиморфных превращений при нагревании и охлаждении; химическая стойкость при нагревании.

Чаще других для изготовления оболочковых форм используют кварц, дистенсилиманит, циркон, высокоглиноземистый шамот (муллит), электроко-рунд (белый), диоксид циркония стабилизированный, оксид магния (магнезит), шпинель, оксид кальция спеченный.

Огнеупорные материалы различаются по размерам зерен. Обычно в суспензию вводят мелкозернистые огнеупоры – размер фракций 0,05 – 0,063 мм. Для обсыпки применяют зернистые огнеупоры фракций 0,2 – 0,315 мм для первого и второго слоев покрытия, 0,63 мм для последующих слоев, В качестве опорного материала применяют огнеупоры более крупных фракций – крошку размером зерен 1 – 3 мм.

Изготовление оболочковых форм. Суспензия наносится на блоки моделей при окунании их в ванну с суспензией, а на крупные блоки и модели – путем их обливания. В зависимости от характера производства и степени механизации блок моделей погружают в ванну вручную, с помощью манипуляторов или копирных устройств на цепных конвейерах. Блок погружают таким образом, чтобы с поверхности моделей, особенно из глухих полостей и отверстий, могли удаляться пузырьки воздуха. Вынутый из суспензии блок моделей медленно поворачивают в разных направлениях, чтобы суспензия равномерно распределилась по поверхности моделей, а излишки ее стекли. После этого на слой суспензии сразу наносится слой песка. Между моментами нанесения суспензии и обсыпкой должно проходить не более 10 с, так как далее суспензия подсохнет, и песок не соединится с ней. Суспензию в ванне непрерывно перемешивают с небольшой скоростью для предотвращения оседания огнеупорного материала. Песок на слой суспензии наносится при погружении блока в «кипящий» слой песка.

После нанесения каждого слоя суспензии и обсыпки его выполняется сушка оболочковых форм. Форму высушивают в потоке воздуха или в парах аммиака. Во время сушки на воздухе завершаются процессы гидролиза, происходит испарение растворителя и воды, коагуляция золя кремниевой кислоты и превращением его в гель с последующим затвердеванием и образованием твердых прослоек, связывающих зерна огнеупорного пылевидного материала.

Процесс коагуляции можно ускорить обработкой слоев оболочки парами аммиака. Аммиак омывает полиэфиры этоксильных групп (продуктов неполного гидролиза) и переводит эти соединения в гель.

Продолжительность сушки и обсыпки каждого слоя суспензии на воздухе 2 – 4 ч, а в парах аммиака – 50 – 60 мин, из которых 20 – 30 мин – сушка на воздухе, 10 – 20 мин – сушка в парах аммиака и 10 – 20 мин – выветривание паров аммиака. Сушку ведут в вертикальных и горизонтальных многоярусных сушилках. Операция сушки – одна из наиболее длительных в общем цикле изготовления оболочковой формы, поэтому ускорение сушки – одно из важнейших направлений совершенствования процесса.

Удаление моделей. В зависимости от материала моделей используют различные способы их удаления из оболочки. Воскообразные модельные составы обладают низкой теплопроводностью. Поэтому при медленном нагреве модель прогревается на всю толщину, расширяется, давит на оболочковую форму и может разрушить ее. При быстром нагреве модель оплавляется с поверхности, модельный состав впитывается в поры формы или вытекает из нее и оболочковая форма не разрушается. Поэтому быстрый нагрев модельного блока – одно из основных условий получения оболочковой формы без трещин.

Модели из выплавляемых воскообразных составов удаляют из формы погружением блока моделей в горячую воду или ванну с модельным составом. Эти способы удаления моделей получили наибольшее применение на производстве. Удаление выплавляемых моделей возможно также в паровых автоклавах или горячим воздухом, но вследствие больших потерь мо-дельного состава и сложности оборудования эти способы применяют редко.

Выплавление в воде позволяет получить 90 – 95% возврата модельного состава, однако достаточно большой является вероятность появления трещин в оболочке.

Выплавление в перегретом модельном составе позволяет повысить прочность оболочковой формы в непрокаленном состоянии, благодаря пропитке ее модельным составом. При прокаливании оболочковой формы воскообразный состав в ее порах коксуется и дополнительно упрочняет форму. Однако вследствие перегрева ухудшается качество возврата.

Выплавление горячим воздухом используют для модельных составов канифоль-полистерол-церезин. Для уменьшения вероятности образования трещин в оболочковой форме ее формуют в жидкой формовочной смеси. Затем форму высушивают при 80 – 90оС в течение 10 часов, после чего в процессе нагрева до 200 – 220оС модели выплавляются.

Растворимые карбамидные составы растворяют в воде при 20 – 27оС. Так как модельный состав не расширяется, трещин в оболочковой форме не образуется.

Пенополистирольные выжигаемые модели могут быть удалены из формы выжиганием в процессе ее нагрева вместе с модельным блоком или путем растворения. Выжигание пенополистирольных моделей сопровождается большими выделениями паров стирола, других углеводородов и сажи. Поэтому для регулирования процесса горения в прокалочной печи создают среду с определенным окислительно-восстановительным составом, для того чтобы горение полистирола и продуктов его термического разложения происходило без образования сажи.

При прокаливании оболочковой формы без опорных материалов ее помешают в печь вместе с моделью и нагревают до температуры 700 – 720оС в течение 30 мин, затем выдерживают при этой температуре около 20 мин для полной газификации остатков модельного состава и далее нагревают с той же скоростью до 920 – 1020оС.

Пенополистироловые выжигаемые модели могут быть удалены из обо-лочковой формы растворением в бензоле, толуоле, ацетоне. Этот процесс чаще используют для изготовления крупных форм. Во всех случаях при выжигании, растворении пенополистироловых моделей должна быть обеспечена хорошая приточно-вытяжная вентиляция участка и рабочих мест с последующей очисткой удаляемого в атмосферу воздуха.

Формовка. Для предотвращения разрушения оболочковой формы при заливке ее заформовывают в сыпучие огнеупорные материалы или жидкие формовочные смеси. В качестве опорных материков используют сухой кварцевый песок, шамотный порошок, размолотые и просеянные через сито с ячейкой 2 мм остатки оболочки после очистки отливок. Главное требование к используемым для формовки огнеупорным материалам – высокая огнеупорность и одинаковый с материалом оболочки ТКЛР, так как при различии данного показателя возможно возникновение напряжений и, как следствие этого, появление трещин в оболочковой форме при ее прокаливании и заливке.

В производстве используют два способа формовки оболочковых форм в сыпучие опорные материалы: в холодном и нагретом состоянии форм и опорных материалов.

Формовку в холодном состоянии используют в единичном, мелкосерийном и массовом производстве. Оболочковую форму после удаления модели помещают в контейнер из жаростойкой стали, засыпают контейнер огнеупорным материалом, уплотняют ее вибрацией на вибростоле, а затем прокаливают. Формовку в нагретом состоянии чаще используют в массовом производстве. В этом случае оболочковые формы прокаливают отдельно и сразу после прокаливания их заформовывают в предварительно нагретом сыпучем огнеупорном материале. Это позволяет сократить длительность прокаливания оболочковых форм, уменьшить напряжения в них, повысить надежность процесса.

Прокаливание оболочковых форм. Данная операция необходима для полного удаления из форм остатков модельного состава, испарения остатков воды и продуктов неполного пиролиза связующего, а также спекания связующего и огнеупорного пылевидного материала. Во время прокаливания в стенке оболочковой формы образуются поры и микротрещины, благодаря чему возрастает газопроницаемость оболочки.

Оболочковые формы без опорных материалов прокаливают течение 0,5 – 1 часа. Тонкая стенка формы быстро прогревается снаружи и изнутри, в ней возникают лишь минимальные напряжения и микротрещины, не оказывающие существенного влияния на ее прочность.

Оболочковая форма, заформованная в сыпучий огнеупорный материал, нагревается изнутри (со стороны рабочей полости) быстрее, чем снаружи через слой формовочного материала. Чтобы в стенке формы не возникли термические напряжения вследствие резкого одностороннего нагрева, начальную температуру в печи и скорость нагрева выбирают из условия равномерного нагрева оболочковой формы. Для кварцевых материалов эта скорость равна 100оС/ч. После нагрева до 900 – 1000оС делают выдержку для завершения процесса прокаливания. Общая продолжительность прокаливания формы 6 – 8 часов.

Если сыпучий огнеупорный материал при нагреве претерпевает поли-морфные превращения, протекающие с изменением объема, возможно появление напряжений и образование трещин в оболочковых формах. В этом случае целесообразно прокаливать оболочки отдельно, а затем формовать их в нагретый огнеупорный материал.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 2.4

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ