способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям

Формула изобретения

1. Способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям, включающий приготовление суспензии на основе огнеупорного наполнителя и гидролизованного раствора этилсиликата, приготовление гелеобразователя, введение гелеобразователя в суспензию при непрерывном перемешивании, заполнение формообразующей оснастки готовой суспензией, выдержку для отверждения форм и стержней в оснастке, извлечение модели из формы или стержня из оснастки, сушку, сборку и прокалку, отличающийся тем, что гелеобразователь приготавливают в виде композиции из порошкообразного наполнителя, органоминерального химического реагента в виде раствора алюмометилсиликоната натрия и вещества, регулирующего водородный показатель (рН) гелеобразователя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при приготовлении композиции гелеобразователя в качестве порошкового наполнителя используют пирогенный кремнезем с размером частиц 0,01 - 40 мкм, а в качестве регулятора рН гелеобразователя - алюминиевую соль соляной кислоты.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при приготовлении композиции гелеобразователя в качестве порошкового наполнителя используют пирогенный шамот с размером частиц 0,01 - 60 мкм, а в качестве регулятора рН гелеобразователя - алюминиевую соль серной кислоты.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при приготовлении композиции гелеобразователя в качестве порошкового наполнителя используют шлак феррохромового производства с размером частиц 0,01 - 80 мкм, а в качестве регулятора рН гелеобразователя - алюминиевую соль азотной кислоты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления керамических форм и стержней преимущественно из огеливаемых этилсиликатных суспензий по постоянным моделям.

Широко известен способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям из огеливаемых суспензий так называемым Шоу-процессом.

Недостатком известного способа является то, что для огеливания суспензий на основе огнеупорного наполнителя и гидролизованного раствора этилсиликата применяют щелочные неорганические химические соединения, например, в виде водного раствора едкого натра (NaOH) или органические щелочные соединения, например, в виде триэтаноламина.

Органические щелочные соединения характеризуются высокой химической активностью к гидролизованным растворам этилсиликата и вызывают чрезмерно быстрое их огеливание, что приводит к неравномерности распределения огеливателя по всему объему суспензии при перемешивании и снижению качества форм и стержней, а неорганические щелочные соединения, например NaOH, при нагреве форм и стержней образуют в керамике с кремнеземом наполнителя и кремнеземом из гидролизованного этилсиликата легкоплавкие соединения, которые приводят к снижению огнеупорности и термостойкости керамики, к пластической ее деформации и, как следствие, к нарушению геометрической точности отливки, ухудшению чистоты их поверхности, к браку форм и отливок при прокалке и заливке металла. (Литье по выплавляемым моделям / Под ред. Я.И. Шкленника, В.А. Озерова, Изд. 3-е, допол. М.: Машиностроение, 1984, - с.243.)

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям, включающий приготовление суспензии из гидролизованного этилсиликата и смеси огнеупорных наполнителей, введение стабилизатора водородного показателя суспензии, введение гелеобразователя, формовку, отверждение суспензии и последующее прокаливание формы. (Авт. свид. СССР, N 724269, МКИ B 22 C, 1/10, 9/04, заяв. N 2488023/22-02, от 23.05.77, опубл. в БИ N 12, 30.03.80).

Отличительной особенностью указанного способа является то, что перед введением гелеобразователя в суспензию вводят стабилизатор водородного показателя суспензии в виде гликоля, глицерина или борной кислоты.

Недостатками указанного способа являются малая скорость огелевания суспензии, так как стабилизаторы водородного показателя в виде гликоля, глицерина и других им подобных снижают прочность керамики после огеливания. Это связано с тем, что прослойки гликоля или глицерина препятствуют сближению и взаимодействию частиц сконденсированного в этилсиликате кремнезема, являющегося связующей фазой керамики. При этом получаемая керамика при использовании кварцевосодержащих огнеупорных наполнителей характеризуется высокой объемной усадкой, что вызывает затруднение извлечения модели из формы, а усадка при сушке вызывает образование трещин в керамике, что снижает их прочность и приводит к повышенному браку форм и стержней на стадиях извлечения моделей из форм (стержней из оснастки) и их сушки. Вместе с тем получаемые по известному способу формы и стержни с применением кварцевосодержащего огнеупорного наполнителя и гидролизованного раствора этилсиликата характеризуются низкой термостойкостью, связанной с присущими кварцевосодержащей керамике недостатками: склонностью к повышенным тепловым деформациям и растрескиванию при резком нагреве и охлаждении.

Задачей изобретения является разработка такого способа изготовления керамических форм и стержней из суспензий на основе связующего в виде гидролизованных растворов этилсиликата, который обеспечил бы снижение расхода этилсиликата за счет уменьшения брака суспензии, устранение брака форм и стержней, связанного с колебаниями длительности отверждения суспензий, за счет более равномерного перемешивания суспензии с гелеобразователем, более плавного регулирования и стабилизации процесса отверждения, а также за счет уменьшения усадки керамики при отверждении форм и стержней и их сушке, увеличение размерной точности отливок и снижение их брака за счет повышения прочности, огнеупорности, термической стойкости и газопроницаемости форм и стержней при их прокалке и заливке металлом.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям, включающем приготовление суспензии на основе огнеупорного наполнителя и гидролизованного раствора этилсиликата, приготовление гелеобразователя, введение гелеобразователя в суспензию при непрерывном перемешивании, заполнение формообразующей оснастки готовой суспензией, выдержку времени для отверждения форм и стержней в оснастке, извлечение модели из формы (стержня из оснастки), сушку, сборку и прокалку, согласно изобретению приготовление гелеобразователя проводят при непрерывном перемешивании в виде комплексной композиции, состоящей из порошкообразного наполнителя, органоминерального соединения в виде раствора алюмометилсиликоната натрия (АМСР) и вещества, регулирующего водородный показатель (pH) гелеобразователя.

Вариант способа включает приготовление гелеобразователя в виде композиции из порошкообразного наполнителя - пирогенного кремнезема с размером частиц от 0,01 до 40 мкм, АМСР и вещества, регулирующего pH гелеобразователя, в виде алюминиевой соли соляной кислоты.

Другой вариант способа включает приготовление гелеобразователя в виде композиции из порошкообразного наполнителя - пирогенного шамота с размером частиц от 0,01 до 60 мкм, АМСР и вещества, регулирующего pH гелеобразователя, в виде алюминиевой соли серной кислоты.

Другой вариант способа включает приготовление гелеобразователя в виде комплексной композиции из порошкообразного наполнителя - шлака феррохромового производства с размером частиц от 0,01 до 80 мкм, АМСР и вещества, регулирующего pH гелеобразователя, в виде алюминиевой соли азотной кислоты.

Сущность изобретения состоит в том, что применение гелеобразователя в виде комплексной композиции обеспечивает в комплексе протекание ряда положительных процессов в суспензии и керамике при изготовлении форм и стержней и тем самым приводит к снижению брака и повышению качества отливок.

Применение гелеобразователя в виде композиции обеспечивает более равномерное его распределение по объему огеливаемой суспензии за счет применения в композиции порошкообразного наполнителя, который адсорбирует на своих частицах жидкий отвердитель АМСР в виде пленок. При этом применение в гелеобразователе порошкообразного наполнителя с размером частиц от 0,01 до 40-80 мкм способствует снижению вязкости суспензии в процессе ее перемешивания с гелеобразователем за счет сателитного эффекта, заключающегося в том, что мелкие фракции наполнителя гелеобразователя располагаются между крупными фракциями наполнителя суспензии и уменьшают трение частиц между собой, что улучшает равномерность распределения гелеобразователя по объему суспензии и повышает ее способность заполнять полости формовочно-стержневой оснастки и давать более точные по размерам отпечатки форм и стержней. При этом создается возможность сокращения расхода этилсиликата за счет введения с гелеобразователем мелкодисперсного наполнителя, формирующего совместно с гелем кремнезема этилсиликата более прочную связующую структуру керамики.

Применение порошкообразного наполнителя в композиции огеливателя в виде пирогенного кремнезема придает огеливателю способность формировать наряду с кремнеземом из гидролизованного этилсиликата упрочняющий каркас керамики. При высокой дисперсности, которую имеет пирогенный кремнезем, упрочняющий каркас керамики приобретает более высокую прочность при повышенной пористости. Это обеспечивает повышение газопроницаемости керамики при сохранении высокой ее прочности. При этом в силу низкой кристаллизационной способности, которой обладает пирогенный кремнезем, упрочняющий каркас придает керамике более высокую термостойкость при прокалке форм и стержней. Поэтому наиболее предпочтительным является применение огеливателя с пирогенным кремнеземом для стального литья, связанного с высокой температурой заливки металла.

Применение порошкообразного наполнителя в композиции гелеобразователя в виде пирогенного дисперсного шамота обеспечивает наряду с сателлитным эффектом формирование более шамотизированной и химически инертной структуры керамики, что позволяет применять предлагаемый способ при изготовлении форм и стержней для отливок из жаропрочных сплавов, легированных сталей и чугунов.

Применение порошкообразного наполнителя в композиции огеливателя дисперсного шлака феррохромового производства обеспечивает наряду с сателлитным эффектом высокую податливость форм и стержней при усадке отливок из стали за счет протекания усадочных явлений при спекании керамики и высокую химическую инертность керамики за счет снижения ее кислотности, необходимую при изготовлении отливок из чугуна, легированных сталей и химически активных сплавов.

Применение композиции в качестве гелеобразователя органо-минерального реагента в виде раствора алюмометилсиликоната натрия обеспечивает возможность более плавного регулирования процесса огеливания суспензии и ее отверждения за счет первичного действия на суспензию органической части реагента и вторичного действия на керамику при ее прокалке неорганической части реагента. Так, применяемый в гелеобразователе в качестве органо-минерального реагента алюмометилсиликонат натрия за счет присутствия метиловой группы органической части хорошо смешивается с этилсиликатной суспензией, при этом разлагаясь с образованием гидроксидов алюминия, кремния и натрия, которые приводят к огеливанию суспензии. Причем преобладающая часть новообразований состоит из гидроксида алюминия (на 80%), который обладает меньшей влагоемкостью и легко отдает ее в атмосферу, сохраняя высокую устойчивость связующей структуры. Это обеспечивает уменьшение объемной усадки керамики при ее сушке (или поджоге), что уменьшает размерные колебания форм и стержней и повышает размерную точность отливок.

Образующийся в керамике оксид алюминия в процессе прокалки керамики повышает ее прочность за счет твердофазного спекания и термостойкость за счет образования на границах частиц кремнезема огнеупорного наполнителя суспензий и кремнезема, образующегося из гидролизованного этилсиликата, шамотизированных прослоек, имеющих малый коэффициент теплового расширения. При этом формирующийся каркас керамики приобретает более высокую пористость, что обеспечивает повышение газопроницаемости керамики и высокую устойчивость против размерных колебаний, что в свою очередь обеспечивает повышение термостойкости и, следовательно, размерной точности форм и стержней при прокалке, а следовательно, и размерной точности получаемых с их применением отливок. За счет повышения термостойкости форм и стержней снижается брак форм и отливок при прокалке и заливке металла, что, в целом, снижает себестоимость литья в керамические формы.

Применение в композиции огеливателя алюминиевой соли неорганических кислот, например хлористого алюминия или сульфата алюминия, или нитрата алюминия обеспечивает регулирование и стабилизацию pH огеливателя, что важно для регулирования процесса огеливания суспензии и отверждения форм и стержней с одной стороны и образования в структуре керамики более высокого содержания оксида алюминия с другой стороны.

Так, pH алюмометилсиликоната натрия составляет около 12 ед., а pH хлористого алюминия от 1,5 до 1,8 ед., сульфата алюминия 1,2-1,4 ед., нитрата алюминия 1,8-2,0 ед. в зависимости от состава. При приготовлении огеливателя регулирование его pH осуществляют добавлением алюминиевой соли неорганических кислот. Так, при изготовлении крупных по размеру и массе форм и стержней pH огеливателя уменьшают с 12 (у АМСР) до 9 - 10,5 ед., что позволяет более равномерно перемешивать суспензию с огеливателем без заметного изменения ее исходных свойств.

При изготовлении мелких форм и стержней целесообразно pH огеливателя поддерживать на верхнем уровне, около 11 ед., при введении в него соответственно меньшего количества хлористого алюминия, но большего количества порошкообразного наполнителя, который увеличивает текучесть суспензии.

Для реализации способа в качестве порошкообразного наполнителя огеливателя используют: пирогенный кремнезем, получаемый в виде электрофильтровой пыли при выплавке кремнийсодержащих сплавов таких, как ферросилиций, силикохром, технический кремний и др. и поставляемый в виде марок МК-85, МК-80 по ТУ 7-249533-01-90; пирогенный шамот, получаемый в виде электрофильтровой пыли при обжиге высокоглиноземистой глины, поставляемой по ТУ 131-0-ШИ-92; шлак феррохромового производства, получаемый при выплавке феррохрома, поставляется по ТУ 14-11-108-95.

В качестве органоминерального реагента используют алюмометилсиликонат натрия в виде марки АМСР-3, представляющий собой 30% водный раствор с плотностью 1150-1180 кг/м³, с pH от 12,0 до 12,8 ед., поставляется по ТУ 12-54-645-88 для нужд строительного производства в качестве гидрофобизирующего вещества при обработке деревянных и бетонных изделий.

Хлористый алюминий поставляется по ГОСТ 3759-85 в стеклянной посуде и представляет собой шестиводное соединение AlCl₃6H₂O.

Сульфат алюминия поставляется по ГОСТ 3475-92 в стеклянных банках и представляет собой соединение Al₂(SO₄)₃ 18H₂O.

Нитрат алюминия поставляется по ГОСТ 3496-95 и представляет собой девятиводное соединение Al(NO)₃ 9H₂O.

Экономический эффект от реализации изобретения достигается за счет снижения на 80% брака суспензии, на 55-60% брака форм и стержней на стадии извлечения модели из формы (или стержня из оснастки), на 35% брака форм и стержней при их сушке и прокалке, на 30% брака отливок по нарушению размерной точности и чистоты поверхности, на 80% по уходу металла из форм при заливке.

Примеры реализации изобретения

Пример 1. Для изготовления оболочковой формы отливки детали корпуса задвижки, применяемых в трубопроводах подачи агрессивной жидкости, использовали суспензию на основе пылевидного кварца марки КП-1, гидролизованного этилсиликата марки ЭТС-32. Гидролиз этилсиликата проводили из расчета 8% кремнезема в растворе ЭТС на этиловом спирте обычным общепринятым способом: сначала спирт смешивали с расчетным количеством воды и соляной кислоты, затем при непрерывном перемешивании добавляли порциями этилсиликат до готовности раствора при постоянной температуре.

Гелеобразователь готовили в отдельной емкости. Сначала в емкость давали АМСР-3, затем в него давали пирогенный кремнезем в соотношении 1 к 1 и при непрерывном перемешивании добавляли 30% водный раствор хлористого алюминия. При перемешивании гелеобразователя контролировали pH. При достижении pH 10-10,2 ед. перемешивание гелеобразователя прекращали и вводили его в суспензию при ее непрерывном перемешивании в течение 15-30 сек. Затем готовую суспензию заливали в формообразующую щелевую модель, помещенную в опоку.

После выдержки времени на огеливание суспензии, которую контролировали по отдельному образцу, снимали верхнюю часть модели, нижнюю модель с керамической оболочкой засыпали жидкостекольной смесью, производили слабое виброуплотнение смеси верхней вибрирующей плитой с последующим упрочнением углекислым газом. После этого форму кантовали, из нее удаляли рабочую модель, а форму с оболочкой сушили в тепловом сушиле при 180^oC в течение 1,5 часов. После сушки керамическую оболочку обрабатывали (прокаливали) пламенем газовой горелки в течение 2-5 минут. После этого производили сборку и заливку формы углеродистой сталью. Полученные отливки соответствовали требованиям технических условий на изделие.

Пример 2. Для отливки детали рабочего колеса насоса изготовили керамический стержень из суспензии на основе пылевидного кварца марки КП-1 и гидролизованного этилсиликата марки ЭТС-40. Приготовление этилсиликатной суспензии проводили, как и в примере 1.

Гелеобразователь готовили в отдельной емкости. Сначала в емкость загружали АМСР-3, затем в него давали пирогенный шамот в соотношении 1 к 1 и при непрерывном перемешивании давали 30% водный раствор сульфата алюминия. При достижении pH 9,8-10,2 ед. перемешивание гелеобразователя прекращали и его вводили в суспензию при ее непрерывном перемешивании в течение 6-8 сек. Затем готовую суспензию заливали в стержневой ящик.

После выдержки времени на огеливание суспензии, которую контролировали по отдельному образцу, стержень извлекали из ящика, сушили и прокаливали в печи при температуре 750^oC. Затем стержень вставляли в форму и заливали высокопрочным чугуном. Полученные отливки со стороны стержней имели высокую чистоту поверхности (на уровне 4 класса по ГОСТ 2789-85).

Пример 3. Для отливки детали ребристого штампа из жаропрочной легированной стали изготавливали крупногабаритный керамический стержень, оформляющий ребристую наиболее важную часть отливки.

Учитывая большие размеры стержня, требующие использования большого количества суспензии, для ее приготовления применили этилсиликат марки ЭТС-40 из расчета содержания в связующем 9% SiO₂ и гелеобразователь с малой активностью, с pH около 9,0-9,2 ед.

Суспензию готовили из пылевидного кварца марки КП-1 и гидролизованного этилсиликата ЭТС-40 таким же образом, как и в примерах 1 и 2.

Гелеобразователь готовили из порошкообразного наполнителя в виде шлака феррохромового производства, 15% водного раствора АМСР-3 и 10% водного раствора нитрата алюминия. Гелеобразователь готовили в отдельной емкости. Сначала в емкость загружали АМСР-3, затем в него давали порошкообразный шлак феррохромового производства в соотношении 1 к 2 и при непрерывном перемешивании давали 10% водный раствор нитрата алюминия. При достижении pH 9,0-9,2 ед. перемешивание гелеобразователя прекращали и вводили его в суспензию при ее непрерывном перемешивании в течение 12-18 сек. Затем готовую суспензию заливали в стержневой ящик.

После выдержки времени на огеливание суспензии, которую контролировали по образцу, стержень извлекали из ящика, сушили в печи при температуре 150-180^oC и обжигали газовой горелкой. Затем стержень охлаждали до комнатной температуры, устанавливали в форму и заливали легированной хромоникелевой сталью. Полученные отливки имели высокую чистоту поверхности и размерную точность, соответствующую требованиям технических условий на деталь.