Материаловед

В качестве огнеупорной основы формовочных смесей применяют кварцевый песок, пылевидный кварц, электрокорунд, циркон, дистен-силлиманит, шамот, магнезит, графит. Связующими материалами служат этилсиликат, жидкое стекло, гипс.

3.4.1. Приготовление огнеупорной суспензии для изготовления керамической формы

Огнеупорные суспензии (этилсиликатные и жидкостекольные), как правило, готовят в специальных установках.

Приготовление этилсиликатной суспензии. Для приготовления этилсиликатной суспензии рекомендуется использовать установки, у которых частота вращения крыльчатки составляет до 2500 мин^-1. На практике суспензию иногда готовят вручную, если к качеству поверхности отливки не предъявляется высоких требований.

Этилсиликатную суспензию готовят двумя способами – раздельным и совмещенным.

При раздельном способе предварительно готовят гидролизованный этилсиликат, затем в него вводят огнеупорную составляющую при постоянном перемешивании. Суспензию выдерживают в течение получаса до полного удаления из нее пузырьков воздуха.

При использовании совмещенного метода в этилсиликат сначала вводят, непрерывно перемешивая, растворитель (гидролизный спирт, ацетон или изопропиловый спирт). Затем всыпают часть (0,7 – 0,8 от общего количества) огнеупорного материала и перемешивают в течение 10 – 15 мин. Далее вливают воду, подкисленную соляной или азотной кислотой, продолжая перемешивать в течение 30 – 40 мин. Добавляют оставшуюся часть огнеупорного материала и специальные добавки (глицерин, борную кислоту и др.), перемешивают еще в течение 10 – 15 минут.

Приготовление жидкостекольной суспензии. Для приготовления жидкостекольной суспензии в жидкое стекло добавляют сначала огнеупорную глину (глинозем или шамот), а затем пылевидный кварц. Огнеупорные составляющие вводят при непрерывном перемешивании в течение часа. Для улучшения технологических свойств в суспензию иногда добавляют 4 % веретенного масла. Готовую суспензию выдерживают в течение 5 – 8 мин до удаления пузырьков воздуха.

3.4.2. Приготовление формовочной смеси на основе гипса

Приготовление гипсовой массы. Жидкую гипсовую массу готовят обычно в смесителях пропеллерного типа. В воду предварительно вводят заполнитель схватывания (0,15 – 0,30 % от массы сухой смеси).

Если форма предназначена для литья магниевых сплавов, добавляют также 1 % борной кислоты для предотвращения загорания магния при заливке. Кислота, кроме того, замедляет схватывание гипса.

Составы некоторых огнеупорных покрытий приведены в     табл. 3.3.

Таблица 3.3. Состав огнеупорных покрытий

Заливаемые сплавы	Покрытие	Состав суспензии
		Связующие	Массовая доля связующего,%
Углеродистые стали, чугуны	Этилсиликатное	Гидролизованный этилсиликат	30-40
	Комбини- рованное с упрочняющим жидкостекольным покрытием	Гидролизованный этилсиликат (облицовочные слои); жидкое стекло (упрочняющие слои)	30-40 40
Титановые сплавы	Комбинированное	Гидролизованный этилсиликат; жидкое стекло	43-48 40
Цветные сплавы	Гипсовая форма	Вода (99,7%), замедлитель схватывания	40
	Этилсиликатное	Гидролизованный этилсиликат (98%), борная кислота (2%)	32

Продолжение табл.3.3

Заливаемые сплавы	Состав суспензии		Закрепляющая присыпка
	Огнеупорный материал	Массовая доля огнеупорного материала, %	Огнеупор	Размер зерна, мм
Углеродистые стали, чугуны	Пылевидный кварц	60-70	Кварцевый песок	0,20-0,40
	Пылевидный кварц Пылевидный Кварц + глина (Н2О до 10-15%)	60-70 60	Кварцевый песок	0,20-0,40
Титановые сплавы	Электрокорунд (М5 М7 -20%, М4-80%) Электрокорунд М40	52-57 60	Электрокорунд, шлифзерно; электрокорунд	0,40-0,63 0,63-0,8
Цветные сплавы	Гипс (40%), кварцевый песок (50%), асбест	60	—	—
	Электрокорунд (М%- 70%, М7- 30%)	78	Электрокорунд, шлифзерно	0,40

3.4.3. Нанесение огнеупорного покрытия на модель

Перед нанесением огнеупорного покрытия модель обезжиривают 1,5 % водным раствором нейтрального мыла, соды или олеиновой кислоты и т. п.

Огнеупорное покрытие наносят на модель путем однократного, двух- или трехкратного погружения в суспензию с интервалом 10–25 с для сушки очередного слоя на воздухе. Модельный блок после последнего погружения в суспензию обсыпают зернистым материалом. Если предусмотрено вытапливание модели в горячей воде, жидкостекольное покрытие закрепляют однопроцентным водным раствором хлористого аммония, подкисленного 0,3 % соляной кислоты. Для закрепления покрытия модель после нанесения очередного слоя погружают в бачок с закрепителем на 40 – 90 с.

3.4.4. Сушка огнеупорного покрытия

Для формирования керамической оболочки огнеупорное покрытие подвергают воздушной, воздушно-аммиачной или вакуумно-аммиачной сушке.

Продолжительность сушки зависит от числа нанесенных слоев, от размеров и сложности модели. Продолжительность воздушно-аммиачной сушки 1,0 – 3,5 ч, вакуумно-аммиачной сушки – 15 –         30 мин. Огнеупорное покрытие на основе этилсиликата можно высушить на воздухе за 4 – 10 ч.

Для сушки моделей в аммиачных шкафах берут 1,5 – 2,0 л аммиачной воды плотностью 0,89 – 0,95 г/см³ на 1 м³ объема сушильного шкафа. Температура в шкафу составляет 18 – 25 °С.

Комбинированные покрытия, включающие два или три упрочняющих жидкостекольных слоя, сушат на воздухе в течение 5 – 6 ч. Температура сушки составляет 22 – 28 °С для этилсиликатного слоя и 22 – 31 °С для жидкостекольного.

Ускоренную сушку комбинированных форм, основанную на воздушном закреплении чередующихся этилсиликатного и жидкостекольных слоев, производят в потоке воздуха со скоростью 4 –5 м/с при температуре 25 – 28ºС в течение 1,5 – 2 ч.

3.4.5. Удаление модельного состава из керамических  оболочек

Модельный состав из керамических оболочек может быть удален несколькими способами, а именно: выплавлением (легкоплавкие составы), растворением (составы на основе карбамида и полистирола) или выжиганием (блочный полистирол).

Выплавление. Легкоплавкие модели выплавляют в горячей воде, горячим воздухом в камерных электрических печах, в паровой камере, в автоклаве.

Удаление моделей в горячей воде (рис. 3.3) обычно производят в специальных емкостях при температуре 96 – 98 °С. Возврат модельного состава при этом составляет 90 – 95 %. Керамические оболочки после  удаления моделей подсушивают на воздухе не менее 3 ч или в сушильном шкафу при температуре 110 – 150 °С в течение 1 – 2 ч.

Рис. 3.3. Удаление модельного состава в горячей воде

Удаление моделей в расплавленном и перегретом (на 30 – 40°С) модельном составе той же марки обеспечивает некоторое упрочение оболочек, но при этом увеличивается расход модельного состава (возврат составляет менее 70 %).

Выплавление модельного состава горячим воздухом производят в специальных установках при температуре 120 – 200 °С в течение 10—20 мин. Возврат модельного состава при этом равен 80 %.

При использовании камерных сушил удаление моделей продолжается 6—8 ч при температуре 110 – 120 °С.

Растворение. Модели из пенополистирола растворяют в полуацетоновом растворителе (1:1) от 15 мин до нескольких часов, в зависимости от плотности материала.

Выжигание. Модели из блочного полистирола выжигают обычно в печах, прокаливая при температуре 950 – 980 °С.

Модели из гипсовых форм выплавляют обычно в паровой камере под давлением 0,025 МПа в течение 3 – 4 ч.

Если прочность оболочки недостаточно высока, чтобы исключить разрушение при заливке, ее заформовывают в опоки из жаростойкой стали и засыпают сухим наполнителем: кварцевым песком, отходами керамических покрытий, шамотом, магнезитом и др. Иногда используют жидкий наполнитель с цементом, иногда ограничиваются применением «пробки» на сухом наполнителе (рис. 3.4). Чтобы удалить остатки модельного состава и завершить формирование керамики, опоки с помещенными в них оболочками прокаливают в электрических или газовых камерных печах. Желательно оболочки на основе кварца, электрокорунда, циркона, шамота прокаливать при температуре 1200 – 1300 °С в течение 10 – 30 мин. Если температуру снизить до 900 °С, продолжительность прокаливания увеличивается на несколько часов.

Подготовка формы к заливке: а — оболочка без опорного наполнителя; б — с сыпучим опорным наполнителем; в — с сыпучим наполнителем и пробкой; г — с опорным наполнителем на связующем; 1 — поддон; 2 — песчаная постель; 3 — керамическая оболочка; -4 сыпучий опорный наполнитель; 5 — опока; 6 — пробка

3.4.6. Изготовление гипсовой формы

При изготовлении гипсовых форм для получения отливок из цветных сплавов модель погружают в подготовленную быстротвердеющую гипсовую массу и выдерживают в ней до затвердевания массы.

Гипсовые формы сушат на воздухе в течение 3 –4 ч.

Модели из гипсовых форм выплавляют обычно в паровой камере под давлением 0,025 МПа в течение 3 – 4 ч.

Гипсовые формы для литья алюминиевых сплавов рекомендуется прокаливать при температуре до 600 °С в течение 3 – 12 ч, для медных сплавов – при температуре до 700 °С в течение 5 – 20 ч, для магниевых сплавов – при температуре до 500 °С в течение 12 – 15 ч.