Способ изготовления керамических форм методом электролитического осаждения и устройство для его осуществления
Патент 747910
Авторы
Способ изготовления керамических форм методом электролитического осаждения и устройство для его осуществления
Иллюстрации
Реферат
Союз Советских
Сощиалистических
Республик (61) Дополнительнбе к авт. свид-ву— (22) Заявлено 100278 (21) 2579327/22-02 (51)М. Кл.® с присоединением заявки ¹ (23) С 25 0 1/12//
В 22 С 9/04
Государственный комитет
СССР по делам изобретений и открытий
ПриоритетОпубликовано 15.07.80. Бюллетень № 26 (53) УДК621. 74. 046: 621 742 4(088 8) Дата опубликования описания 15.07.80 (72) Авторы изобретения
A.Ï.Hèêèôîðoâ, П.A Hèêèôoðoâ и В.В.Бандуркин (71) Заявитель
Челябинский политехнический институт им. Ленинского комсомола (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ
МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ОСА)КДЕНИЯ
И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
f 2
Способ относится к литейному осаждение суспензии наблюдается на производству, в частности к изготов- выступающих углах модели. лению керамических форм точного С целью уменьшения влияния "тенелитья методом электрофореза, и мбжет вого" эффекта и получения более равбыть использован в керамической про- номерной толщины осаждаемой на моде мышленности для изготовления керами- ли керамической формы применяют ческих,изделий. различные приспособления и способы
При изготовлении формы сложной проведения электрофореза. конфигурации наблюдается неравномер- 0 Известен способ, в котором для увеность толщины ее стенок, развивающая- личения равномерности толщины стенки ся как на выступающих (увеличение тол- формы при проведении электрофореза щины), так и на углубленных ее участ- модель приводят во вращение вокруг ках (уменьшение толщины). Особенно своей оси или в поступательное движесильная разностенность наблюдается 5 ние вдоль ванны с керамической сусв Углублениях модели. Замечено, что пензией. При движении или вращении в, с увеличением размеров выступающей затененные участки модели просачивают части модели по высоте разностенность ся свежие порцйи суспензии,способствуобразующейся на ней керамической фор- ющие выравниванию толщины керамичесмы увеличивается и в некоторых слу- кого осадка f13 . чаях достигает 100в на разных ее кон- Однако "теневой" эффект не устрацах, т.е. на дне углубления модели няется полностью, так как при движестенка керамической формы совсем не нии модели. суспензия проходит в заобразуется.Это вызвано развитием так тененные участки через "токовый называемого "теневого" эффекта, ког- 25 барьер" выступающих частей модели да на выступающих частях модели проис- и теряет значительное количество тверходит осаждение большего количества дых составляющих суспенэии. Оставшаятвердого наполнителя керамической ся, обедненная часть суспензии, просуспензии, чем ыа затененных, удален- шедшая в затененный участок модели, ных от катода участках. Повышенное не обеспечивает формирование в нем
747910
4 необходимой толщины стенки керамичес кой формы.
Это связано с недостатком способа, который заключается в том, что при проведении электрофореза всю электропроводную модель подключают к источнику тока одновременно и осаждение формы ведут одновременно по всей поверхности модели.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемо 0 му результату является способ, включающий погружение электропроводной модели в электролитическую суспензию и создание потенциала между модельюанодом и катодом (21 .
Согласно этому способу регулирование осадка на модели осуществляют изменением градиента внешнего напря,жения либо уменьшением расстояния между электродами, либо повышением 20 приложенного к электродам электрического напряжения.
Увеличение градиента внешнего напряжения, приложенного к электродам, 1 способствует увеличению выхода осад- 5 ка и ускорению процесса электрофореза.
Однако при этом пропорционально росту градиента напряжения увеличивается. разностенность формирующегося на Модели керамического изделия. Это связано с тем же недостатком, что и в других способах: источник тока подключают одновременно по всей электропроводной модели, что вызывает итен сивное осаждение суспензии на выступающих частях модели и слабое осаждение на электрически затененных, удален— ных от-электрода участках. Разностенность возрастает с увеличением сложности конфигурации модели, особенно с увеличением размеров высту- 40 пающих частей и углублений и уменьшением расстояний между ними и ка- тодом.
Повысить равномерность размеров стенок формы можно было бы путем 45 избирательного осаждения суспензии на различных участках модели, например, сначала провести осаждение стенок формы в углублениях и на затененных участках модели,а затем на остальных участках. Однако известные устройства модели не позволяют осуществить такой процесс избирательного электрофоретического изготовления формы.
Известны устройства, применяемые для изготовления керамических форм электрофорезом, в которых. для выравнивания размеров толщины стенки форм применяют металлические сетки (3) и (4 J. 60
В устройстве r 3J сетку-электрод закрепляют эквицистантно модели и погружают их вместе в суспензию для проведения электрофорестического изготовления формы. 65
Однако и при этом не исключается неравномерность осаждения формы, так как сохраняется влияние сложности конфигурации токопроводной поверхности модели.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее ванну для керамической суспензии, подмодельную плиту, электропроводную модель, истощении тока, соединенный положительным полюсом с моделью,и электрод (4) .
В нем для улучшения элетропроводности и обеспечения возможности осаж цения суспензии в углублениях моде ли применяют металлические прокладки (из фольги), которые устанавливают в углублениях модели. Эти металличес,кие прокладки являются анодными усилителями.
Однако модель представляет собой единую электрически, замкнутую цепь по всей ее поверхности, и анодные уоилители включены в общую электрическую цепь. Это вызывает неравномерность распределения плотности электрического тока и, следователь.но, образование разностенности формы.
Особенно большая разностенность формы развивается с усложнением конфи- гурации модели и степенью размерного отличия ее отдельных частей, а также при применении цельных моделей из высокоэлектропроводных материалов, таких как сталь, алюминий, медь и др., так как при этом более интенсивно развивается неравномерность распределения тока по различным участкам модели.
По единой электрически замкнутой модели невозможно провести избирательное (поочередное) формирование керамического изделия на различных ее участках.
Цель изобретения — регулирование толщины стенок формы и повышение ее качества независимо от сложности и конфигурации модели.
Это достигается тем, что производят избирательное подключение части модели к положительному, полюсу источника тока в зависимости от расстояния поверхности модели относительно катода.
Подключают сначала к положительному полюсу источника тока удаленные от катода части модели, затем затененные ее части, выступающие и плоские.
Модель выполнена сборной из электропроводных частей, каждая из которйх имеет самостоятельный подвод к источнику тока и электроизолирована от соседней части модели.
На фиг.1 схематично представлено устройство для осуществления cnoco 6à; на фиг. 2,3,4,5 — то же, варианты конфигурации модели.
747910
Устройство содержит технологическую ванну 1,в которую погружена подмодельная плита 2 вместе с моделью 3.
Последняя выполнена сборной из любого известного электропроводного материала (алюминия, стали, чугуна, графита) . 5
Модели можно выполнять из неэлектропроводных материалов, таких как дерево,полистирол,парафин,но с электропрЬводными покрытиями 4,наносимыми раздельно на разные части модели с неза- 0 висимыми подводами электрического тока.
Части 3,5,6,7,8 модели склеивают с помощью электроизоляционного клея, например эпоксидной смолы, в единую конструкцию. Поэтому между отдельны15 ми электропроводными частями имеются электроизоляторы 4 из эпоксидной смолы. Отдельные части модели соединены независимой связью через выключатели 9, 10, 11, 12, 13, регуля- 20 тором 14, скользящий -контакт 15 с источником тока 16. Причем плюс источника тока подсоединен при анофорезе к модели, а минус соответственно к ванне. Склеенная модель укрепляется 25 любым известным способом на подмодельной плите 2, выполненной из электроиэоляционного материала, например из текстолита.
Электроиэоляционные прослойки 30 выполняют малой толщины, например в пределах 0,1 — 0,3 мм, в виде электроизоляционной краски, например иэ эпоксидной смолы, клея БФ-2 и др.
Для изготовления форм согласно З5 способу и устройству керамические формы изготовляют методом электрофореза из суспензии следующего состава, вес.Ъ:
Песок марки KO 315 39 40
Пылевидный кварц 47
Электролит (10%-ный р-р гексамета фосфата натрия) 0,3
Вода Остальное
Вязкость суспензии по В3-4 22 с.
Суспензию т отовят в пропеллерной мешалке. Продолжительность перемешивания составляла 3 ч. Порядок перемешивания: сначала смешивают воду с пылевидным кварцем, затем добавляют песок небольшими порциями и в песок вводят электролит. Из мешалки сус,пензию необходимой порцией заливают в электролизер. Осажденную электрофорезом форму высушивают электроосмосом, отделяют от модели и проводят измерение размеров.
Сравнительные измерения размеров стенки фбрмы и ее качества проводят в двух сечениях: I-I u II-II (на 60 рис. 1). Сечение I-I выбрали на удалении от основания модели, равном
10 мм, сечение IT-II на удалении от конца выступающей части, равном
5 мм. Модели имели следующие размеры: 65
6 высота выступающей части А, величи на углубления Б, наружный диаметр выступающей части В, внутренний диаметр выступающей части (углубления) Г.
Все испь|туемые модели имели воздухоотводные каналы из углублений. Опыты проводили каждый раз на свежих порциях суспензии одного и того же состава.
Пример 1. Модель, собранную из элек аропроводных частей 3,5,6,7, 8, изолированных друг от друга электроизоляционными прокладками 4, и закрепленную на подмодельной плите 2, погрузили в суспензию, залитую в ванну 1 до уровня, показанного на фиг.1.
Изготовление формы проводили следующим образом. Сначала включили через выключатель 9, 11, 13 части модели
3, 6, 8 и провели осаждение суспензии, затем включили через выключатели 10 и 12 части модели 5 и 7 и прсвели осаждение формы на этих частях.
Продолжительность электрофореза во всех случаях составляла 60 с. Электрический режим во всех случаях поддер-! живался одинаковым: напряжение 60 В, время 60 с. Режим электроосмоса: время 15 мин, напряжение 250 В. В табл.1. приведены сравнительные данные по толщине стенки форм, полученных по цельной и расчлененной мо делям при прочих равных условиях.
Как видно из табл.1, разностенность формы, изготовленной rio цельной модели, возрастает с увеличением высоты выступающей части. Наблюдается значительная разница в размерах наружной и внутренней (в углублении) стенок формы. А при высоте модели 150 мм на дне углубления стенка формы не образуется. Причем установлено, что с уменьшением размера
Г,и изменением отношения B/Г на цельной модели разностенность формы возрастает.
В форме, полученной предлагаемым способом.по расчлененной модели, разница в размерах стенки мала, и ее можно полностью устранить при использовании регулируемого режима электрофореза на отдельных частях модели.
Пример 2. Для изготовления формы использовали расчлененную мо" дель по горизонтальным плоскостям (фиг. 4). Порядок изготовления формы принят следующий. Очередность включения частей модели следующая: части
3, 17, 18, 19. Режимы электрофореза.
Начальное напряжение изменяли для каждой части до получения начальной удельной плотности тока, равной
0,016 А/см ..-Время электрофореэа на каждой части менялось до достижения удельной плотности тока, равной
747910
0,003 А/см . Изменение времени для разных частей колебалось от 15 до
25 с. Общее время формообразования одной формы составило 85 с. Замеры размеров формы показали, что средняя толщина стенки равна б мм.Отклонение размеров толщины стенки на концах формы не.превышало 1,74 (при замерах с точностью до 0,1 мм).
Пример 3. В соответствии с заданием необходимо было получить форму с толщийой стенки в основании, равной 6 мм, а на выступе с толщиной, равной 3,5 мм. Для получения формы применяли регулируемый режим электрофореза и расчлененную модель, схема которой представлена на фиг. 5. Рас.четом установлено, что при достижении толщины стенки, равной б мм, конечная удельная плотность тока составляет 0,003 A/cM,а при достижении толщины стенки, равной 3,5 мм, она составляет 0,008 A/ñì
Порядок изготовления формы. Сначала включили" к источнику тока части модели 3, 20, 21. При достижении удельной плотности тока О, 003 А/см понизили напряжение со 110 до 30 В, что обеспечило удельную плотность тока на частях 3, 20, 21,равную
0,0005 А/см . Затем, не выключая части 3, 20, 21, включили части модели 22, 23, и при достижении удель ной плотности тока на частях 22, 23, равной 0,008 А/см, все части модели отключили от источника тока. Форму подвергли.электроосмотическому упрочнению по режиму: напряжение
250 В, время обработки 15 мин. Затем из готовой формы удалили извлекаемые части 22, 23, а готовую форму отделили от остальных частей модели.
В этом примере показана возможность
"осаждения формы на одних частях мо делй йри поддержании некоторого тока на других ранее осажденных частях формы для исключения их возврат ного насыщения влагой. Кроме этого, показан вариант разборной модели, позволяющий легко удалять ее части яз готовой Формы известными приемами.!
О
Пример 4. Предлагаемый способ .позволяет регулировать качество формы как на отдельных участках, так и всей формы в целом. Кроме размерных характеристик, качественными параметрами формы являются величина выхода осаДка, плотность (удельная объемная масса), остаточная влажность после электрофореза и чистота служебной поверхности формы. ВСе эти параметры взаимосвязаны и зависят от внешних факторов:величины приложенного напря- 60 жения, продолжительности электрофореза и характера расположения отдельных частей модели по отношению к катоду (при анофорезе или к аноду при катофорезе). При осаждении формы б5 одновременно по всей поверхности цельной модели, как это выполняют в известных способах, воздействие внешних факторов способствует улучшению одних качественных параметров формы и ухудшению других.
Отдельные части модели 3 .(фиг. 3) из электропроводного материала склеены в единую конструкцию, которая смонтирована на подмодельной плите
2 из электроизоляционного материала.
Отдельные части модели электроизолированы друг от друга электроизоляционными прослойками 4 в виде клея, например из эпоксидной смолы. Внутри отдельные части модели имеют каналы для вывода через подмодельную плиту электрической проводки 7 к полюсу источника тока . Ванну 1 подключают к источнику тока 16 (отрицательный полюс при анофорезе).
Пример 5. С целью облегчения удаления модели из готовой оболочковой формы ее выполняют разборной, но собранной в единую конструкцию для проведения электрофореза. На фиг. 5 представлена схема разборной модели с расчлененными по вертикальным плоскостям участкам.
После изготовления формы из нее удаляют сначала части 23 и 22 с помощью подъемников 24. Подмодельная . плита 1 и части модели 3, 20, 21 выполнены скрепленными вместе. От каждой части модели имеется электрическая проводка к плюсу источника тока. Ванну 1 подключают к минусу источника тока 16 при анофорезе.
Пример б. На фиг. 5 представлен вариант разборной модели, расчлененной по, горизонтальным плоскостям.
Для фиксации отдельных частей модели друг с другом их снабжают знаковыми частями с электроизолированными поверхностями, а скрепляют с помощью винтов из изолирующего материала, например из текстолита.
Эти варианты расчлененных моделей испольэовали для выполнения предлагаемого способа.
В данном примере осаждение формы проводили в два приема на модели, представленной на фиг. 5. Сначала осаждали форму на частях 1, 3, 5, затем на частях 2 и 4. Изменение режимов и качественные показатели по всей поверхности цельной модели и предлагаемым способом избирательного осаждения по расчлененной модели представлены в табл.2. Качество поверхности определяли по шероховатости в микронах.
Анализ результатов испытания, при- веденных в табл. 2,показал, что во всех случаях качественные показатели форм, полученных предлагаемым способом избирательного осаждения по расчлененной модели, выше, чем качество форм, полученных известным crioco747910
Т а б л и ц а 1
Цельная модель (фиг. 1) 2,7
4,2
1,4
100
3,5
3;1
4,8
3,2
0,5
115
120
1,8
145
150
5,3
7,6
Расчлененная модель (фиг. 2) 100
3,8
3 8
3,8
3,6
3,8
120
3,9
4,1
3,6
115
3,6
3,5
3,8
3,6
150
145
Таблица 2
Части моде
Режим электрофореза
Пример
Плотность| Остаточная г/см влажность,В
Качество поверхнос- ти мкм
4 I ли родол напряитель ение, ность, В с расчлененная цельная рас- цельчленен ная ная цель расная члененная
-расчлененная цель ная модель
1,45 1 55 18 13 0,87 0,93 37
60 3
При- 60 мер 5 фиг.5
3,20
60 22 1,52 1,58 15 11 0,91 0,95 32 19
60
26
10 0,9 0,97 Вскипы
1,51 1,62 15
1,57 1,69 12 8 0,9 1,01 48
Вскипы
32
Ъом эа один прием ITo цельной модели.
Причем с увеличением количества расчленных частей на модели качество керамической формы повышается по всем параметрам. Реализация изобретения позволит получать высококачественные керамические формы электрофореэом по электропроводным удаляемым,в том числе металлическим, моделям.
Способом избирательного электрофоретического осаждения форма на различных участках модели обеспечивает получение не только равномерной по размеру стенки иэделия, но и с необходимым ее увеличением в опасных зонах. Экономическую эффективность достигают за счет полного устранения брака форм по изломам и разностенности. По данным литейной лаборатории производственной базы ЧПИ брак форм по излому и раэностенности составлял 88%.
Кроме того, можно расширить номенклатуру отливок для получения их точным способом литья, Качественные показатели формы
747910
Продолжение табл. 2
Режим электро фореэа
Качественные показатели формы
Пример
Остаточная лажность,Ъ
Качество поверхности мкм
Плотность|
r/GM3 продол напряжитель жение, ность| В с расчлецель ная цельная расчле1 ненная ненная
60 3 .20
1,45 1,55 16 12 1,3 1,4
120 19
120
60 22 1,52 1,58 14 . 9 1,37 1,42 28
15
110 3 1,51 1,62 12
120
7 1,36 1,46 55
Вскипы
1,57 1,69 8
110 22
5 1,41 1,52 45
120
23
Вскипы
1,28 1,53 21 14 0,81 0,97 41
60 3 б
1,35 1,55 18 12 0,87,099 38
60 5
100 3
80 20
60 23
40 19
1,45
1,46
1,62
1,63
6,8
1,61 †. 7,1 — 1,46
1,65
1,46
6,8
При- 60 110 3 . Mep 3, (+60} (затем 22 фиг.5 30) 20
1,65 — 8 - 1,03
60 110 22 (до конца) 20
8 — 1,03
1,65 " Величины напряжений предварительно определили опытным путем. укаэанные величины напряжений для данной конструкции модели обеспечили постоянство качественных параметров формы во всех ее частях..
При- 60 мер 1, фиг. 1
При- 25 мер 2,— фиг.4 ° . 22
Части модели цель ная
МОдель рас- цельчленен ная ная
Выход осадка, г/см рас чле нен ная
13
Формула изобретения
1. Способ изготовления керамических форм методом электролитического осаждения, включающий погружение электропроводной модели, подключенной к положительному полюсу источника тока, в электролитическую суспензию и создания потенциала между : моделью-анодом и катодом, о т л и— ч а ю шийся тем, что,. с целью регулирования толщины стенок формы Ы и повышения ее качества, производят избирательное подключение частей модели к положительному полюсу источника тока в зависимости от расположения их пове йностей относительно катода.
2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что подключают к положительному полюсу источника тока сначала удаленные от катода части gp модели.и затененные ее части, затем выступающие и плоские.
3. Устройство для осуществления способа по пп. 1 и 2, содержащее ванну для электролитической суспензии, подмодельную плиту, электропроводную модель, источник тока, соединенный положительным полюсом с моделью, и катод, о т л и ч а ю щ е ес я тем,"что модель выполнена сборной из электропроводных частей, каж- дая из которых имеет"самостоятельный подвод к источнику тока и электроизолирована от соседней части модели.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Инструктивные материалы по новой технологии изготовления оболочковых форм точного литья по выплавляемым моделям методом электрофореза.
Харьков. ХПИ, 1973.
2. Сб. "Вестник Харьковского политехнического института", 1972. 9 68, с. 63 - 66.
3. Авторское свидетельство СССР
Р 476073, кл.. В 22 С 9/04, 1973.
4. Сб. "Перспективы развития производства литья rla выплавляемым моделям", М., 1975, с. 114 — 117.
747910 фие. Ф
Фие. 5
Составитель И.Куницкая
Техред О,Легеза Корректор и. Иуска
Редактор Г. Нечаева филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
Заказ 4188/17 Тираж б98 Подписное
ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5