Способ изготовления керамических литейных форм

Способ изготовления керамических литейных форм

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советск их

Социапистических

Республик

ОП HCAHHE

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (1944740 (6I ) Дополнительное к авт. свип-ву (22)Заявлено 11,07.80 (21) 2961232/22-02 с прнсоелинением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 23. 07. 82. Бюллетень № 27

Дата опубликования описания 23.07.82 (51)М. Кл.

В 22 С 9/00

Гоеуааротмнный квинтет

СССР оо делам нэабретеннй н открытнй (53) УДК621 ° 744. . 3: 621. 74. 045 (088.8) А. М. Петриченко, Е. А. Гетьман, Г. Я. Ельцов, В. В. Колесихин, Б. С. Линецкий,В. Н. Бати ат, Г.Н. Вахания, P. Ш. Тумасян, Т. И. Демченк, А.В. Бакулев и А.М. Садковский

Научно-исследовательский ин ститут специал ьййх---способов литья и Бологовский арматурный завод (72) Авторы изобретения (71) Заявители (541 СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ЛИТЕЙНЫХ

ФОРМ

Изобретение относится к литейному производству, а именно для производст ва точных отливок из сплавов черных и цветных металлов.

Известны способы, согласно которым керамические формы и стержни при ис5 пользовании связующих на основе этилсиликата и органических растворителей получают путем заливки в технологическую оснастку керамической суспензии, которую после частичного затвердевания извлекают из оснастки и подвергают мягкому удалению летучих составляющих продуктов гидролиза этилсиликата путем сушки на воздухе или в печи, нагретой до 50200 С, в течение 5 — 60 мин или применяют для сушки инфракрасное излучение. го

Характерным для способов является то, что в процессе сушки формы, насышенной органическим растворителем, сетка мелких трещин появляется в первые же моменты после гелеобразования в результате испарения летучих, что является основой получения качественных керамических форм 1 1 7 (?)

Однако получение качественных форм сложной конфигурации мягким уда лением летучих не всегда возможно, так как замедленное удаление испаряющегося растворителя вызывает образование крупных трещин, нарушающих сплошность керамики.

Известен также способ, в котором для интенсификации сушки керамических форм используют теплоту сгорания паров растворителя при его сжигании над поверхностью формы, покрытой сетчатым материалом.(31.

Однако удаление растворителя из керамической формы при его сжигании над сетчатым покрытием происходит неравномерно, так как его невозможно наложить с необходимым зазором

944740 4 формирования равномерно распределенной тонкой сетки микротрещин.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления керамических литейных форм, включающему нанесение на модель гаэонепроницаемой пленки, заполнение оснастки керамической смесью, ее отверждение, выдержку смеси до упругого состояния, отделение формы вместе с газонепроницаемой пленкой от модели, снятие пленочного покрытия и выжигание летучих веществ из керамической формы, после отделения Формы вмес. те с газонепроницаемой пленкой от модели форму нагревают инфракрасными лучами до 60-90 С.

Сущность способа заключается в следующем.

Остающаяся за счет адгезии на поверхности керамической формы газонепроницаемая полиэтиленовая пленка образует прозрачный, диатермичный по отношению к световым лучам слой, препятствующий испарению летучих составляющих. В таком состоянии керамическую форму со стороны, покрытой газонепроницаемой пленкой, нагревают до 60-90 С инфракрасными лучами.

При нагреве керамической формы через газонепроницаемое диатермичное покрытие (прозрачную полиэтиленовую пленку или любую другую прозрачную для инфракрасных лучей) поверхностный слой стабилизируется (липкий коилоидальный раствор гидролизованного этилсиликата, полимеризуясь, превращается в твердый стекловидный материал), что приводит к минимальным значениям адгезии между пленкой и затвердевшим поверхностным слоем керамики. Благодаря незначительным значениям адгезии, объемной усадке керамики и необратимой деформации полиэтиленовой пленки при .нагревании образуется зазор между поверхност. ным слоем керамической Формы.,и полиэтиленовой пленкой. мы (4), на поверхность керамической формы сложной конфигурации.

Из-за этого форма нагревается неравномерно, что приводит к неравномерности расширения зоны испарения и объемной усадке геля, s результате чего возникают термические напряжения, которые способствуют образованию крупных трещин, короблению формы и снижению размерной точности 0 отливок.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления керамических литейных форм по 15 постоянным моделям, включающий нанесение на модель газонепроницаемой пленки, заполнение оснастки керамической смесью и отверждение, выдержку смеси до упругого состояния 20 и отделение формы вместе с газонепроницаемой пленкой от модели, снятие пленочного покрытия и выжигание летучих веществ из керамической форОднако при реализации известного способа процесс трещинообразования начинает протекать в упруго-пластичном состоянии только после снятия по- З0 лиэтиленовой пленки за счет испарения из пор и капилляров растворителя затвердевающей керамической смеси через открытую поверхность за промежуток времени от момента снятия пленки до поджигания паров растворителя и их горения. При этом трещины формируются в зависимости от направления теплового потока, а величина и направление их в значительной степени 40 зависят от соотношения нормальных и касательных напряжений. Но так как трещины, формирующиеся в керамике, в первоначальный момент развиваются только нормально к направлению тепло- 4 вого потока, то. возникает резкое увеличение скорости продвижения фронта парообраэования во внутренние слои керамики, что приводит к появлению значительных напряжений в поверх50 ностном слое и, следовательно, грубой сетки: трещин, которые в процессе удаления летучих развиваются до величин, нарушающих целостность керамической формы особенно на стыках торцовых

55 и боковых поверхностей.

Целью изобретения является улуч- . шение качества литейных форм за счет

В процессе образования зазора и нагрева поверхностного слоя керамики из пор и капилляров последнего происходит испарение летучих составляющих, при этом поток газовой среды при свободном перемещении в ограниченном пространстве типа. щели при нагретой нижней поверхности (поверхностный слой керамической формы) 944

740 6

5 приобретает конвективное движение и приводит к образованию отдельных циркуляционных зон, на основании чего образуется равномерный зазор как на горизонтальных, так и на вертикальных .поверхностях керамической формы .

При этом пары летучих составляющих благодаря такому характеру движения, конденсируются на внутренней поверх- 10 ности полиэтиленовой пленки, поскольку она не поглощает инфракрасные лучи, а следовательно, не нагревается, а конвективный теплообмен за счет теплопроводности среды обес- 5 печивает достаточную разницу температур между поверхностным слоем керамики и полиэтиленовой пленки для конденсации паров летучих составляющих на ее внутренней поверхности. 20

Так как поры и капилляры затвердевшей керамической смеси в период ее нахождения в эластичном состоянии имеют разнообразную форму и за полнены жидкостью (продукты гидро- 25 лиза этилсиликата), то после нагрева поверхностного слоя керамической формы до 60-90 С в результате испарения летучих из пор и капилляров в зазор и их конденсации на полиэтиленовой пленке образуется мелкая сетка трещин, размеры которых менее 0,0 10,05 мм, при этом возникающие в этот период напряжения очень малы. Поэтому при снятии пленки с конденсированнои жидкостью и незамедлительном

35 поджигании наличие мелкой сетки трещин в поверхностном слое керамической формы, образованной по предлагаемому способу, изменяет направление

40 дал ьнейше го образования трещин, они искривляются и взаимно переплетаются, при этом направленность теплового потока искажается, чем и объяс- . няется падение скорости продвижения

45 зоны парообразования, а следовательно снижаются термические напряжения в процессе удаления летучих выжиганием.

При нагреве поверхностного слоя керамической формы ниже указанного предела, т.е. менее 60 С, не обеспечивается градиент температур, так как температуры окружающей среды и жидкости внутри керамики отличаются незначительно, поэтому равномерного зазора и конденсации летучих составляющих не наблюдается.

При нагреве выше 90оС полиэтилейовая пленка перегревается эа счет конвективного теплообмена до значений, при которых теряет свою упругость, размягчается и не образует равномерного зазора.

В табл. 1 приведены результаты исследований по выбору оптимального интервала температуры нагрева инфракрасными лучами поверхностного слоя керамики через полиэтиленовую пленку.

Температура нагрева поверхностного слоя измерялась вмонтированными в керамический стержень на глубину 1-2 мм ртутными термометрами с пределами о измерения 50-100 С и ценой деления

0,2 С.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Изготовление керамических стержней, по которым получают стальные и чугунные заготовки кокильной оснастки с литой рабочей поверхностью, осуществляют по модели, которой служит само изделие.

Модель устанавливают на перфорированную плиту, соединенную с вакуумной системой, покрывают ее поверхность полиэтиленовой пленкой толщиной 0,05-0,1 мм известным способом с применением вакуума, пленка под .действием нагрева и разрежения плот но облегает модель и точно воспроизводит ее конфигурацию. Затем устанавливают опоку вакуумную, которую заполняют сыпучим песком и герметизируют газонепроницаемым покрытием после чего, применяя разрежение, песчаную форму уплотняют до прочности, достаточной, чтобы противостоять воздействию жидкоподвижной керамической смеси, и извлекают модель.

При этом размеры полости формы при вакуумной формовке регулируют своебразной "усадкой" тела формы в герметизированном объеме за счет дополнительного уплотнения формовочного материала путем увеличения давления от 160 мм рт. ст. до

760 мм рт. ст., длительности дополнительной вибрации 0 - 10 с, зернис-. тости и текучести формовочных материа. лов для компенсации отклонений размеров керамических стержней в процессе их объемной усадки при отверждении и тепловой обработки в зависимости от состава керамической смеси и применяемого расплава литой заготовки кокиля.

После этого размещают на вакуумной форме, фиксируют и жестко крепят

944740 жидком стекле или другом связую50 щем, и после затвердевания опока снимается. В опоку загружается к опоке рамку, оформляющую знак керамического стержня, после чего рабочую полость вакуумной формы и рамки заполняют керамической смесью.

Для приготовления керамической 5 смеси на 1 л гидролизованного этилсипиката берут 3 кг наполнителя (60 молотого кварца КП-1 и 40ã. кварцевого песка 1K02A) и вводят отвердитель (36-38 мл 53-ного водного раствора аммиака).

Керамическая смесь в рабочей полости вакуумной формы отверждается до студнеобразного состояния, и через 2-3 мин опоку с вакуумной формой кантуют на 180, отключают ее от вакуумной системы, извлекают керамический стержень после разрушения вакуумной формы и освобождают рамку, которая оформляет знак стержня.

Поскольку сыпучий материал, например кварцевый песок, после отключения вакуума высылается сам, а керамическая смесь стабилизировалась частично, то адгезия между пленкой и материалом керамики плотно удерживает ее на поверхности.

Облицованный пленкой керамический стержень помещают в камеру под источники инфракрасных лучей, которы-30 ми являются лампы накаливания, и нагревают поверхностный слой керамики до 60-90 С с образованием на внутренней поверхности пленки мельчайших капелек сконденсировавшихся на аэрозолях летучих составляющих.

После потери прозрачности полиэтиленовой пленки ее удаляют и незамедлительно поджигают пары растворителя.

После выгорания и удаления летучих в течение 15-20 мин стержень подвергают прокалке в камерной электропечи сопротивления при температуре не ниже 650 С и охлаждают вместе с печью до 40-50 С;

Бла года ря на гре ву керамиче ского стержня под пле н кой и конде н сации паров летучих составляющих на последней ус коряется образование коне чной стабильной структуры керамики за счет старения геля и образуется мелкая сетка трещин в поверхностном слое керамическрго стержня до выжигания, предотвращающая разрушения керамики при последующем их выжигании.

При этом были получены высококачественные керамические стержни с сеткой мелких трещин и высокой размерной точност ью, что подтвержает полученные результаты проведенных исследований зависимости качества от условий формования стержней, стабилизационной выдержки и удаления летучих с поверхности керамики, сравнительные данные которых при ведены в табл. 2.

Из приведенных данных следует, что отклонения на размеры отливок укладывают в пределы 5-7-го классов точности.

В лабораторных условиях были получены крупные образцы из стали 15Л квадратного сечения со стороной

150 мм по предлагаемому и известному способам. Для определения качества литой поверхности в зависимости от трещиноватости поверхности керамических стержней выбран метод секущей прямой с подсчетом количества "гре-. бешков" на единицу поверхности размером 100 100 мм, пролитых в зависимости от развитости трещин. Сравнительные результаты проведенных исследований представлены в табл. 3.

Как видно из табл. 3, предлагаемый способ изготовления керамических форм позволяет предупредить разрушение керамики и сократить время изготовления форм путем образования сетки мелких трещин при стабилизирующей выдержке керамики под газопроницаемой диатермичной пленкой, через которую осуществляется нагрев поверхностного слоя инфракрасными лучами.

Осуществление предлагаемого при использовании гипса и жидкостекольной смеси осуществляется согласно изложенному.

При этом на модель, покрытую пленкой, устанавливают не вакуумную опоку, а обычную.

В опоку заливается раствор гипса (алебастра), наливной .самоотвердевающей смеси на сульфидной барде, любая из известных смесей, и после ее отверждения опока снимается.

Далее способ осуществляется в соответствии с изложенным. При использовании жидких пленок заполнение опоки производится после высыхания пленки, как описано. Было йроведено влияние на отливку по предла9 9447 гаемому способу использование гипса. а также твердых и жидких пленок.

Сравнительные данные при использовании гипса, а также твердых и жидких пленок приведены в табл. 4. s

Полученные по предлагаемому способу керамические стержни устанавливались в жидкостекольные песчаные фор мы, которые заливали сталью 15Л сеЪ аФ

Порядковый номер замера температуры

Температура прогрева поверхностного слоя под пленкои о С

8ремя от начала

Наблюдаемые факты поведения системы "керамика-пленка" испытания, 57

120

Конденсат на пленке отсутст.

58

59

140

То же

160

4

200

240

Значительное ухудшение прозрачности пленки

Пленка стала непрозрачной

480

То же

«l!»

I!«

«!!»

13

Локальные вспучивания пленки

Разрывы пленки в виде сплавления ф

93 780

То же а 2 теал киля

-0,45

-1,05

34,15

128 7

+0,14

+0,08

34, 72

129,6,560 .

СЧ 21-40

160

34,72 34,15 -0,96 -0,28

129,6 128,7 -1, 36 -0,68 СЧ21-40

72

87

8889

91

720

40 10 рым чугуном. Качество керамических стержней позволило полностью исклю-. чить механическую обработку литых рабочих гнезд заготовок кокильной оснаст ки.

Экономическая эффективность от реализации предлагаемого способа составит ориентировочно 10-20 руб. на единицу изделий металлооснастки.

Таблица!

Следы конденсации

Заметный рост конденсации паров

12

Продолжение табл. 2

944740

Величина усадки отли вок по сравнению с размерами керамичес. кого стержня, мм атеиал окиля

Вакуум,мм. рт.ст.

560

34,72

129,6

34,15

128,7

-0,68

-1,26

+0,03

-0,12

Сталь

15Л

160

-О, 16

-0,32

34,15

128,7

-1,18

-1 96

34,72

129,6

Сталь

15Л.

П р и м е ч а н и е: Отрицательные величины означают, что размеры отливки меньше, чем размеры в стержне, положительные величины означают, что размеры отливки превышают размеры стержня, т. е. отливка. расширяется.

Таблица 3

Способ изготовления керамических стержней

Время термообработки, мин

Прокал ка, ч

СтабилиВыжи гание летучих зационная выдержка

1-2

15-20 2-3

Известный

15-20. 2-3

Предлагаемый

Контролируемые параметры вакуумной формовки

Продолжительность вибрации, с

Контролируемые размеры вакуумной формы, мм

Контроли руемые размеры модели отливки изделия мм

Изготовл. по известному способу

Изготовл. по предлагаемому способу

Высота

"Гребешков" требующая слесарной доводки и зачистки,. мм

0,1-0,3

0,4-0,8

Более 0,8

0,1-0 3

0,4-0,8

Более 0,8

Коли чест во

"гребешков", пересеченных диагональной прямой

944740

Таблица 4

Конт роли руе мые параметры вакуумной формы

Контролируемые размеры вакуумной формы, мм

Контролируемые размеры модели (отливки изделия}, мм

Величина у садки отливок по.сравнению с размерами керамического стержня, мм

ПродолжительВакуум, мм рт. ст.

МатеИзвестный

Заливка гипса на твердую плен ку

Заливка гипса после риал ность вибрации, с способ высыхания жидкой пленки

34,72 34,15 -0,45 -0,27

560

-0,31

С4.

21-40

- 1,05 -0,35 -0,49

129,6 128,7

160

Формула изобретения

Составитель Г. М. Зарецкая

Техред Т. Маточка Корректор M. Шароши

Редактор В. Данко

Заказ 5211/12 Тираж 852 Подписное

ВНИИПИ Государственнбго комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Способ изготовления керамических литейных форм, включающий нанесение на модель газонепроницаемой пленки, заполнение оснастки керамической смесью, ее отверждение, выдержку смеси до упругого состояния, отделение формы вместе с газонепроницаемой пленкой от модели, снятие пленочного покрытия и выжигание летучих веществ из керамической формы, о т35 л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью улучшения качества форм путем формирования равномерно распределенной тонкой сетки микротрещин, после отделения формы вместе с газонепроницаемой пленкой от модели форму нагревают инфракрасными лучами до 60-90 С.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе l Небогатое l0. Е. и др. Специальные способы литья. М., "Машиностроеwe", 1975, с. 159 °

2. Дошкарж И. и др. Производство точных сотливок. М., "Машиностроение", 1979, с. 111.

3. Авторское свидетельство СССР

N 399291, кл. В 22 С 9/04, 1971.

4. Авторское свидетельство СССР

N 710750, m. В 22 C 9/00, 1977.