Способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и черных сплавов

 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при производстве сложнопрофильных отливок различных габаритов и массы. Способ заключается в следующем. Подготавливают суспензию на гипсовом связующем, проводят ее вибровакуумирование и заливают суспензию в оснастку. После ее затвердевания осуществляют пропитку полученных стержней и форм погружением их в раствор кремнийорганического лака при непрерывном воздействии ультразвукового поля интенсивностью (0,5-5)•10⁴ Вт/м². Ультразвуковое поле ускоряет капиллярную пропитку. Дополнительно раствор лака обрабатывают наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 400-900 Вт/м³. Это уменьшает вязкость раствора лака и увеличивает смачивающую и пропитывающую способность раствора. В заключительной стадии проводят прокалку стержней и форм. Обеспечивается повышение прочности, точности, трещиноустойчивости и выбиваемости стержней и форм. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления стержней и форм на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и черных сплавов.

В настоящее время для этого наибольшее распространение получил "ЭНТИОХ-процесс" /1,1/.

Однако, являясь узкоспециализированным на производство ювелирных изделий, этот способ формообразования из импортных кристобалито-гипсовых смесей ("Суперкаст", "Ультравест" и др.) или отечественных динасо-гипсовых смесей ("Ювелирная-1", "Ювелирная-2") не обеспечивает требуемого качества изготовления литьем по выплавляемым моделям сложнопрофильных художественных и машиностроительных отливок, в особенности крупногабаритных. Кроме того, литье в гипсовые формы имеет ограниченность по температуре заливки расплавов (не выше 1100^oС) по причине разложения гипсового связующего с выделением газов /1/, что не позволяет качественно изготавливать отливки из высокотемпературных, в том числе черных сплавов.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и черных сплавов /3/. В соответствии с указанным прототипом осуществляют подготовку суспензии, ее вибровакуумирование, заливку и отверждение с последующей прокалкой. Причем после отверждения смеси формируют ее пористый поверхностный слой и осуществляют пропитку раствором алюмоборфосфатного концентрата (АБФК).

Формирование пористого поверхностного слоя смеси осуществляют ее сушкой на воздухе в течение 8...10 часов или термообработкой в сушильной камере. Пропитку проводят на оптимальную глубину (1...5)•10^-3 м.

Известное техническое решение обеспечивает получение отливок из высокотемпературных расплавов.

Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки: - используемые в способе для формирования пористого поверхностного слоя гипсовой смеси ее естественная сушка на воздухе в течение 8...10 часов или термообработка в печи являются длительными и энергоемкими; - применяемая в способе прототипа пропитка раствором АБФК оказывается недостаточно эффективной, поскольку вязкость указанного ингредиента значительна, а его растворителем выступает вода, обладающая более низкой смачивающей способностью, чем органические растворители (спирты, толуол, ксилол и др. ); - при пропитке водным раствором АБФК остается высокой вероятность размыва гипсовых стержней и форм на водном затворителе, что приводит к последующему отслоению пропитанного слоя в процессе прокалки и нарушению точности получаемых отливок; - длительность формообразования, низкая эффективность пропитки, а также повышенная склонность к трещинообразованию стержней и форм на гипсовом связующем по мере увеличения массы и габаритов художественных и машиностроительных отливок вызывают рост их брака по засорам, наплывам, неточности геометрии.

В основу изобретения положена задача создать такой способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем, который обеспечил бы ускорение формообразования, увеличение их прочности, точности, трещиноустойчивости и выбиваемости, создающих условия для улучшения качества производства сложнопрофильных художественных и машиностроительных отливок различных габаритов и массы.

Указанная задача решается таким образом, что в способе изготовления стержней и форм на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и черных сплавов, включающем подготовку суспензии, ее вибровакуумирование, заливку и отверждение в оснастке с последующими пропиткой в упрочняющем растворе и прокалкой, согласно изобретению пропитку осуществляют раствором кремнийорганического лака при непрерывном воздействии ультразвукового поля интенсивностью (0,5...5)•10⁴ Вт/м².

Кроме того, для снижения вязкости, повышения смачивающей, пропитывающей и адгезионной способности раствора кремнийорганического лака его предварительно обрабатывают наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) с удельной мощностью 400...900 Вт/м³.

Пропитка в растворе кремнийорганического лака обеспечивает повышение прочности, исключение расслоений и трещинообразования, увеличение точности стержней и форм на гипсовом связующем. Проведение указанной операции при непрерывном воздействии ультразвукового поля интенсивностью (0,5...5)•10⁴ Вт/м² создает условия для ускорения капиллярной пропитки и полностью устраняет необходимость в применяемых в прототипе длительной естественной сушке на воздухе или использовании нагревательных печей с целью формирования пористого поверхностного слоя гипсовой смеси.

Предварительная обработка упрочняющего раствора кремнийорганического лака наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 400... 900 Вт/м³ обеспечивает эффект его разжижения за счет разрыва связей в полиэтилсилоксанах вследствие энергетического взаимодействия импульсного электромагнитного поля с коллоидными частицами указанного раствора. В результате резко падает вязкость, увеличивается смачивающая и пропитывающая способность упрочняющего раствора.

Таким образом, указанные отличительные признаки ускоряют процесс формообразования и повышают физико-механические свойства стержней и форм на гипсовом связующем. Это приводит к улучшению качества тонкорельефных отливок различных габаритных размеров и массы, получаемых по "ЭНТИОХ-процессу".

Предлагаемый способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем осуществляют следующим образом.

Готовят затворитель смеси. Засыпают в него сухую формовочную массу, в качестве которой могут быть использованы отечественные смеси на гипсовом связующем: "Ювелирная-1", "Ювелирная-2", импортные - "Ультравест", "Суперкаст" и др. /1,1/. При этом наилучшие результаты для изготовления сложнопрофильных художественных и машиностроительных отливок дает смесь, защищенная патентом РФ 2129932 /4/. После подготовки суспензии проводят ее вибровакуумирование по режиму: продолжительность обработки 2...4 мин, остаточное давление воздуха в камере - 1400...2000 Па, амплитуда вибрации -0,5...0,8 мм при частоте 50 Гц. Затем суспензию заливают в оснастку (стержневой ящик или опоку), и по окончании ее самопроизвольного затвердевания осуществляют пропитку в растворе кремнийорганического лака при непрерывном воздействии ультразвукового поля интенсивностью (0,5. ..5)•10⁴ Вт/м² в течение 8...10 мин.

В качестве пропиточного раствора могут быть использованы кремнийорганические лаки марок КО-964, КО-964Н, КО-916К, КО-086, КО-991-5 (ТУ 6-02-753-73). Они представляют собой сложные кремнийорганические соединения на основе полиэтилсилоксанов, растворенных в толуоле или ксилоле /5/. Их состав определяет высокие смачивающую и пропитывающую способности, а также адгезию при высокотемпературной прокалке стержней и форм за счет образования силоксановых химических связей.

Пропитку проводят погружением стержней или форм в раствор кремнийорганического лака, находящийся в ультразвуковой ванне, с интенсивностью ультразвука (0,5...5)•10⁴ Вт/м² и частотой 20...22 кГц. Для этого могут быть использованы серийно выпускаемые промышленные установки марок УЗВ-15М; 16М; 17М; 18М, УЗВМ-3 с магнитострикционными преобразователями ПМС-6М, ПМС-38 /6/.

Диапазон значений интенсивности ультразвукового поля (0,5...5)•10⁴ Вт/м² обеспечивает оптимальную глубину пропитки в пределах (3...15)•10^-3 м. При интенсивности меньше, чем 0,5•10⁴ Вт/м², не достигается для указанных растворов кремнийорганического лака акустическая кавитация, в связи с чем звукокапиллярный эффект /6/ оказывается слабо выраженным. Поэтому глубина пропитки незначительна (меньше, чем 3•10^-3 м) и не обеспечивает заметного повышения физико-механических свойств стержней и форм. Интенсивность ультразвука более 5•10⁴ Вт/м² создает условия для развитой кавитации и вызывает значительное повышение глубины пропитки (более 15•10^-3 м), что, определенным образом, затрудняет удаление стержней из отливок и выбивку форм.

Для снижения вязкости, повышения адгезионной и смачивающей способности раствора кремнийорганического лака его перед непосредственной операцией пропитки дополнительно обрабатывают НЭМИ с удельной мощностью 400...900 Вт/м³ в течение 15...20 мин. С этой целью могут быть использованы генераторы НЭМИ /7/. Импульсное электромагнитное поле мощностью меньше, чем 400 Вт/м³, для указанного раствора не обеспечивает разрыв связей в полиэтилсилоксанах, в связи с чем эффект разжижения кремнийорганического лака оказывается слабо выраженным. При удельной мощности более 900 Вт/м³ начинает проявляться тенденция к агрегации коллоидных частиц, что вызывает некоторое повышение вязкости, ухудшение адгезионной и смачивающей способности упрочняющего раствора. Это, во многом, определяет затрудненные условия процесса последующей пропитки.

На заключительном этапе изготовления стержней и форм проводят их прокалку (450. ..500^oС, 3...4 ч). Прокаленные стержни и формы используются для изготовления сложнопрофильных, тонкорельефных отливок из цветных и черных сплавов.

Предлагаемый способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Используют смесь /4/ при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Гипс - 14 Динас - 60 Пылевидный возгон шамотного производства - 4 Алюмохромфосфатное связующее - 0,01 Вода - Остальное
При подготовке суспензии воду перемешивают с АХФС и заливают полученный раствор в емкость. Сухую формовочную массу засыпают в водный раствор АХФС из расчета 360. . . 380 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих смеси. После перемешивания ингредиентов осуществляют вибровакуумную обработку суспензии. Для этого емкость с суспензией устанавливают в камеру, создают в ней разрежение (остаточное воздушное давление 1400...2000 Па) с одновременной вибрацией частотой 50 Гц и амплитудой 0,5...0,8 мм. По окончании вибровакуумной обработки (продолжительность 3. ..4 мин) ее заливают в технологическую оснастку (стержневые ящики или опоки).

После самопроизвольного затвердевания суспензии проводят операцию пропитки в растворе кремнийорганического лака марки КО-991-5 (ТУ 6-02-753-73) с условной вязкостью по вискозиметрической воронке ВЗ-4 при 20^oС в пределах 25. . .30 с. Пропитку осуществляют одновременно с наложением ультразвукового поля в течение 8...10 мин. Для этого стержни и формы на гипсовом связующем помещают в указанный раствор, предварительно залитый в ультразвуковую ванну марки УЗВМ-3 с магнитострикционным преобразователем ПМС-38. В ходе испытаний варьируют интенсивность ультразвукового поля: (0,5;2;5)•10⁴ Вт/м² при резонансной частоте 20...22 кГц.

Заключительную стадию технологического процесса изготовления стержней и форм проводят путем их прокалки при температуре 450...500^oС в течение 3...4 чв.

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют подготовку смеси и изготовление стержней и форм на гипсовом связующем согласно прототипу. При этом фиксируются их физико-механические свойства.

Показателями для сравнения являются твердость (поверхностная прочность) по прибору LTW 3122 (Польша), прочность на сжатие стандартных цилиндрических образцов (диаметр и высота 50 мм) до прокалки и в горячем состоянии при температуре 900^oС, а также выбиваемость стержней и форм, оцененная по их остаточной прочности после прокалки и охлаждения до комнатной температуры.

Пример 2. Параметры подготовки суспензии и изготовления стержней и форм на гипсовом связующем аналогичны представленным выше, но перед пропиткой дополнительно осуществляют обработку раствора кремнийорганического лака наносекундными электромагнитными импульсами, варьируя их удельную мощность: 400; 600; 900 Вт/м³ при продолжительности воздействия 15...20 мин. Показателями для сравнения являются: краевой угол смачивания кварцевой пластины, поверхностное натяжение, условная вязкость, равновесная высота пропитки пористой среды. Значения этих параметров определялись до и после обработки НЭМИ. Краевой угол смачивания фиксировали проецированием капли на экран, поверхностное натяжение - методом отрыва кольца /8/. Вязкость определяли по вискозиметрической воронке ВЗ-4. Для оценки пропитывающей способности использовали известную методику капиллярной пропитки раствором смеси кварцевого песка и пылевидного кварца, взятых в соотношении 3:1 по массе, в трубке диаметром 5 мм. Влияние НЭМИ на свойства пропитывающего раствора представлено в табл. 1.

Представленные данные свидетельствуют о том, что обработка раствора кремнийорганического лака НЭМИ позволяет за счет снижения краевого угла смачивания, повышения поверхностного натяжения и уменьшения более чем в 2 раза вязкости обеспечить значительное улучшение пропитывающей способности. Влияние разработанного способа изготовления стержней и форм на их свойства по сравнению с прототипом представлено в табл. 2.

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный способ обеспечивает увеличение более чем в 2 раза твердости, повышение прочности после отверждения и в горячем состоянии, улучшение выбиваемости стержней и форм на гипсовом связующем. При этом пропитка в ультразвуковом поле создает условия для ускорения более чем в 6 раз процесса формообразования, а предварительная обработка НЭМИ упрочняющего раствора кремнийорганического лака вызывает снижение вязкости, повышение адгезионной и смачивающей способности.

Заявленный способ опробован при изготовлении литьем по выплавляемым моделям художественных и машиностроительных изделий, показав улучшение качества этих сложнопрофильных отливок.

Учитывая повышенный комплекс физико-механических свойств, заявленный способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем может быть также использован для получения сложной литейной оснастки, в зубопротезном деле, ювелирном литье, в производстве машиностроительных заготовок ответственного назначения из цветных и черных сплавов.

Список литературы
1. Урвачев В.П., Кочетков В.В., Горина Н.Б. Ювелирное и художественное литье по выплавляемым моделям сплавов меди. Челябинск: Металлургия, 1991. - 168 с.

2. Магницкий О. Н. , Пирайнен В.Ю. Художественное литье. - СПб.: Политехника, 1996. - 213 с.

3. Патент РФ 2171728. Способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и черных сплавов / Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Ивочкина О.В., Ердаков И.Н. Бюл. 22, 2001 (прототип).

4. Патент РФ 2129932. Смесь для изготовления керамических форм и стержней при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов и способ ее приготовления / Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Крымский В.В. и др. Бюл. 13, 1999.

5. Астахин В.В., Трезвов В.В., Суханова И.В. Электроизоляционные лаки, пленки и волокна. - М.: Химия, 1986. 160 с.

6. Основы физики и техники ультразвука / Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н. Н. Хавский и др. - М.: Высш. шк., 1987. - 352 с.

7. Патент РФ 2030097, МКИ Н 03 К 3/33, К 3/45. Формирователь наносекундных электромагнитных импульсов / Белкин B. C. , Шульженко Г.И. Заявл. 17.01.92.

8. Теоретические основы литейной технологии / А. Ветишка. Пер. с чешск. - Киев: Вища школа, 1981. - 320с.

Формула изобретения

1. Способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и черных сплавов, включающий подготовку суспензии, ее вибровакуумирование, заливку и отверждение в оснастке с последующими пропиткой в упрочняющем растворе и прокалкой, отличающийся тем, что пропитку осуществляют раствором кремнийорганического лака при непрерывном воздействии ультразвукового поля интенсивностью (0,5-5)•10⁴Вт/м².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед пропиткой дополнительно обрабатывают раствор кремнийорганического лака наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 400-900 Вт/м³.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2