Способ изготовления керамических литейных форм

Союз Советск ихСоциапистическинРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУпо делам наабретеннй н открытнй( 5 Й ) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ЛИТЕЙНЫХФОРМ 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 ис 5 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 50- 200 С, в течение 5 - 60 мин или применяют для сушки инфракрасное излучение,гоХарактерным для способов является то, цто в процессе сушки формы, насышенной органическим растворителем, сетка мелких трещин появляется в первые же моменты после геле- образования в результате испарения летучих, что является основой получения качественных керамических форм 1 ) и Д.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 зазором9 чч 7 чО фформирования равномерно распределенной тонкой сетки микротрещин.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу изготовлениякерамических 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 отмодели форму нагревают инфракраснымилучами до 60-90 С.Сущность способа заключается вследующем.Остающаяся за счет адгезии наповерхности керамической Формы га"зонепроницаемая полиэтиленовая пленка образует прозрачный, диатермичныйпо отношению к световым лучам слой,препятствующий испарению летучихсоставляющих. 8 таком состоянии керамическую форму со стороны, покрытой газонепроницаемой пленкой, нагревают до 60-90 С инфракрасными лучами.При нагреве керамической формычерез газонепроницаемое диатермичное покрытие (прозрачную полиэтиленовую пленку или любую другую прозрачную для инфракрасных лучей) поверхностный слой стабилизируется (липкийкоилоидальный раствор гидролизованного этилсиликата, полимеризуясь, превращается в твердый стекловидныйматериал), что приводит к минимальным значениям адгезии между пленкойи затвердевшим поверхностным слоемкерамики. Благодаря незначительнымзначениям адгезии, объемной усадкекерамики и необратимой деформацииполиэтиленовой пленки при нагревании образуется зазор между поверхностным слоем керамической Формы,и полиэтиленовой пленкой. мы 1,на поверхность керамической формы сложной конфигурации.Из-за этого форма нагревается неравномерно, что приводит к неравномерности расширения зоны испарения 5 и объемной усадке геля, в результате чего возникают термические напряжения, которые способствуют образованию крупных трещин, короблению формы и снижению размерной точности 1 О 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 газонепро. ницаемой 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- зо 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 трещиныФормируются в зависимости от направления теплового потока, а величина и направление их в значительной степени зависят от соотношения нормальных и касательных напряжений. Но так как трещины, Формирующиеся в керамике, в первоначальный момент развиваются только нормально к направлению тепло-вого потока, то, возникает резкое увеличение скорости продвиженияФронта парообраэования во внутренние слои керамики, что приводит к появлению значительных напряжений в поверх 50 ностном слое и, следовательно, грубой сетки трещин, которые в процессе удаления летучих развиваются до величин, нарушающих целостность керамической формы особенно на стыках торцовых55 и боковых поверхностей. Целью изобретения является улучшение 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)740 6 5 944приобретает конвективное движениеи приводит к образованию отдельныхциркуляционных зон, на основании чего образуется равномерный зазор какна горизонтальных, так и на вертикальных .поверхностях керамическойформы,При этом пары летучих составляющихблагодаря такому характеру движения,конденсируются на внутренней поверх- Оности полиэтиленовой пленки, поскольку она не поглощает инфракрасныелучи, а следовательно, не нагревается, а конвективный теплообмен засчет теплопроводности среды обеспечивает достаточную разницу температур между поверхностным слоем кера"мики и полиэтиленовой пленки для конденсации паров летучих составляющихна ее внутренней поверхности, 20Так как поры и капилляры затвердевшей керамической смеси в периодее нахождения в эластицном состоянии имеют разнообразную форму и заполнены жидкостью (продукты гидролиза этилсиликата), то после нагрева поверхностного слоя керамическойформы до 60-90 С в результате испарения летучих из пор и капилляров взазор и их конденсации на полиэтиленовой пленке образуется мелкая сеткатрещин, размеры которых менее 0,0 10,05 мм, при этом возникающие в этотпериод напряжения очень малы. Поэтому при снятии пленки с конденсированнои жидкостью и незамедлительномч35поджигании наличие мелкой сетки трещин в поверхностном слое керамической формы, образованной по предлагаемому способу, изменяет направление40дальнейшего образования трещин,ониискривляются и взаимно переплетаются, при этом направленность теплового потока искажается, чем и объясняется падение скорости продвижения45зоны парообразования, а следовательноснижаются термические напряжения впроцессе удаления летучих выжиганием.При нагреве поверхностного слоякерамической формы ниже указанногопредела, т.е . менее 60 С, не обеспечивается градиент температур, таккак температуры окружающей средыи жидкости внутри керамики отличаются незначительно, поэтому равномерно.го зазора и конденсации летучих составляющих не наблюдается.При нагреве выше 90 фС полиэтилейовая пленка перегревается за счет конвективного теплообмена до значений, при которых теряет свою упругость, размягчается и не образует равномерного зазора.В т абл. 1 при веде ны ре зул ьт а ты 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 пределамиоизмерения 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 плотно облегает модель и точно воспроизводит ее конфигурацию. Затем устанавливают опоку вакуумную, которую заполняют сыпучим песком и герметизируют газонепроницаемым покрытием после чего, применяя разрежение, пес. чаную 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 - 1 О с, зернистости 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 крепят944740 жидком стекле или другом связую 50 щем, и после затвердевания опока снимается. В опоку загружается к опоке рамку, оформляющую знаккерамического стержня, после чегорабочую полость вакуумной формы ирамки заполняют керамической смесью.Для приготовления керамической 5смеси на 1 л гидролизованного этилсипиката берут 3 кг наполнителя(601 молотого кварца КПи 40/кварцевого песка 1 К 02 А) и вводятотвердитель (36-38 мл 53-ного водного раствора аммиака).Керамическая смесь в рабочейполости вакуумной формы отверждаетсядо студнеобразного состояния, ичерез 2-3 мин опоку с вакуумной формой кантуют на 180 , отключают ееот вакуумной системы, извлекают керамический стержень после разрушениявакуумной формы и освобождают рамку,которая оформляет знак стержня. 20Поскольку сыпучий материал, например кварцевый песок, после отключениявакуума высылается сам, а керамическая смесь стабилизировалась частично, то адгезия между пленкой и материалом керамики плотно удерживает еена поверхности,Облицованный пленкой керамический стержень помещают в камеру подисточники инфракрасных лучей, которы.30ми являются лампы накаливания, и нагревают поверхностный слой керамикидо 60-90 С с образованием на внутренней поверхности пленки мельчайших капелек сконденсировавшихся нааэрозолях летучих составляющих.После потери прозрачности полиэтиленовой пленки ее удаляют и незамедлительно поджигают пары растворителя.После выгорания и удаления летучих в течение 15-20 мин стерженьподвергают прокалке в камерной электропечи сопротивления при температуре не ниже 650 С и охлаждают вместес печью до 40-50 С;Благодаря нагреву керамическогостержня под пленкой и конденсациипаров летучих составляющих на последней ускоряется образование конечнойстабильной структуры керамики засчет старения геля и образуется мелкая сетка трещин в поверхностномслое керамическрго стержня до выжигания, предотвращающая разрушениякерамики при последующем их выжигании.При этом были получены высококачественные керамические стержни с сеткой мелких трещин и высокой размернойточност ью, что подтвержает полученныерезультаты проведенных исследований зависимости качества от условий формования стержней, стабилизационной выдержки и удаления летучих с поверхности керамики, сравнительные данные которых приведены 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 15 Л 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 изготовленияФорм путем образования сетки мелких трещин при стабилизирующей выдержке керамики под газопроницаемой диатермичной пленкой, через которую осуществляется нагрев поверхностного слоя инфракрасными лучами. Осуществление предлагаемого прииспользовании гипса и жидкостекольнойсмеси осуществляется согласно изложенному,При этом на модель, покрытую пленкой, устанавливают не вакуумнуюопоку, 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, юПолученные по предлагаемому спбсобукерамические стержни устанавливались в жидкостекольные песчаные фор мы, которые заливали сталью 15 Л се вжее ж Порядковыйномер замера температуры Температурапрогрева поверхностногослоя подпленкойС 8 ремя отначала испытания, ж57 120 58 59 60 61 140 То же 160 3 4 5 200 240 300 360 420 480 62 То же 9 10+0,14 +0,08 34,7 29,6 2 72 34,1 -0,96 -0,286 128,7 -1, 36 -0,68 СЧ 21 6 72 80 87 88 89 90 91 92 520 580 620 660 720 40 10рым чугуном. Качество керамическихстержней позволило полностью исклю-.чить механическую обработку литыхрабочих гнезд заготовок кокильнойоснастки,Экономическая эффективность от реализации предлагаемого способа составит ориентировочно 10-20 руб, наединицу изделий металлооснастки,Таблицат ж ш-г Наблюдаемые факты поведениясистемы "керамика-пленка" Конденсат на пленке отсутст. Следы конденсацииЗаметный рост конденсации паров Значительное ухудшение прозрачности пленкиПленка стала непрозрачной Локальные вспучивания пленки Разрывы пленки в виде сплавления ф12Продолжение табл, 2 944740 Величина усадки отли вок по сравнению с размерами керамичес. кого стержня, мм атеИдл окиля Вакуум,мм,рт,ст. 560 34,72129,6 34,15128,7 6-1,18 -1 96 34,72 129,6 Сталь15 ЛЕЕ Щ УФП р и м е ч а н и е: Отрицательные величины означают, что размерыотливки меньше, чем размеры в стержне, положительныевеличины означают, что размеры отливки превышаютразмеры стержня, т. е. отливка расширяется. Т а б л и ц а 3 Способ изготовления керамических стержней Время термообработки, мин Прокал ка,ч Стабили-. Выжи гание летучих зационная выдержка 1-2 15-20 2-3 Известный 15-20, 2-3 Предлагаемый Контролируемыепараметры вакуумной формовки Продолжительность вибрации,с КонтролируемыеразмерывакуумнойФормы,мм Контролируемыеразмерымоделиотливкиизделиямм Изготовл, по известному спо- собу Изготовл.по предлагаемомуспособу Высота"Гребешков"требующаяслесарнойдоводки изачистки,.мм 0,1-0,30,4-0,8Более 0,8 0,1-0 3 0,4-0,8Более 0,8 Коли чест во "гребешков", пересеченных диагональнойпрямой944740 Таблица 4 Контролируемыепараметры вакуумной формы Контролируемыеразмерывакуумнойформы,мм Контролируемыеразмеры модели(отливки изделия),мм Величина усадки отливокпо сравнению с размерами керамического стержня, мм Продол- жительВакуум,мм рт.ст. МатеИзвестный Заливкагипсана твердую пленку Заливкагипсапосле риал ностьвибрации,с способ высыхания жидкой пленки 34 72 34 15 то 45 -О 27 560- 1,05 -0,35 -0,49 129,6 128,7 160 Формула изобретения Составитель Г. М. ЗарецкаяТехред Т, Маточка Корректор М. Шароши Редактор В, Данко т т тЗаказ 5211/12 Тираж 852 ПодписноеВНИИПИ Государственнбго комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Жт 35, Раушская наб., д, 4/5 т т т тт тт т те т т тФилиал ППП "Патент", г, 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 тт35 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 т 90 С.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Небогатое Ю. Е. и др. Специальные способы литья. М "Машиностроением 1975, с. 159.2. Дошкарж И. и др. Производство точных сотливок. М., "Машиностроением 1979, с.111.3. Авторское свидетельство СССР й 399291 кл. В 22 С 9/04 1971.4, Авторское свидетельство СССР ю 71 о 750, кп, в гг с 9 оо, 977.