Литье по выплавляемым моделям
1. Общие сведения
Метод литья по выплавляемым моделям является универсальным способом получения художественных отливок любых габаритов, классов и степени сложности из металлов любых марок. Достоинства метода дают возможность максимально приблизить отливку к готовому изделию, а в ряде случаев получить ее без механической обработки и чеканки.
Прообразом современного процесса изготовления отливок является известный со времен глубокой древности метод восковой формовки, применяющийся во многих странах для изготовления украшений, ритуальных изделий, изделий бытового назначения, оружия преимущественно из бронзы и драгоценных металлов. И в настоящее время этот метод широко используют при изготовлении художественных отливок. В эпоху Возрождения метод восковой формовки получил значительное распространение в Европе, особенно в Италии. Примером этому служат всемирно известные отливки Бенвенуто Челлини "Персей с головой медузы", "Нимфа Фонтебло" и др. Замечательными образцами литья по восковым моделям являются памятники Петру 1. "Медный всадник» и памятник Минину и Пожарскому и памятник Крылову и др.
В настоящее время для художественных отливок применяют в основном два варианта способа — метод послойного образования оболочковой формы, преимущественно на эталсиликатном связующем, и метод монолитной формы На гипсовой связке. Ниже рассмотрен способ получения многослойных оболочковых форм.
В пресс-формах изготавливают модель с литниковой системой и получают, так называемые блок моделями. На поверхность блока наносят суспензию, состоящую из связующего раствора и пылевидного огнеупорного материала. Каждый ее слой для фиксации на поверхности блока, а также для упрочнения и лучшего сцепления со следующими слоями, посыпают песком и " сушат". В зависимости от размера формы и выбранной технологии ее изготовления, свойств применяемых формовочных материалов и литейного шва, а также особенностей заливки количество слоев, образующих оболочку, колеблется от З до 10. В случае же получения крупных отливок количество слоев достигает и более.
Из полученной многослойной неразъемной оболочковой формы модельный состав удаляют выплавлением, растворением или выжиганием. Освобожденные от модельного состава оболочки, покрытые опорным наполнителем или без него, прокаливают для полного удаления органических остатков модельного состава и связующего, после чего их заливают в горячем или охлажденном состоянии. Отливки отделяют от литниковой системы и очищают химико-термическим способом в кипящих растворах щелочей, что обеспечивает сохранение четкости отпечатка.
Универсальность и большие возможности метода сопряжены с много операционностью и применением большого числа материалов, высокой трудоемкостью и энергоемкостью процесса, что сказывается на себестоимости отливок. Поэтому выбор данного способа для конкретных отливок должен быть экономически обоснован.
2. Пресс-формы
Модели для заготовок деталей промышленного назначения формируют в многоместных металлических пресс-формах, изготавливаемых на металлорежущих станках. Модели для художественных отливок получают в одноместных пресс-формах из низкоплавких сплавов, гипса, пластмасс, эластичных материалов. Пресс-формы должны отвечать следующим требованиям:
-размеры, а особенно поверхность полости пресс-формы, должны обеспечивать получение отливок требуемого качества;
-пресс-формы должны иметь минимальное количество разъемов и при этом обеспечивать удобное и быстрое извлечение модели;
-должно быть предусмотрено удаление воздуха из полости формы при заполнении ее модельным составом;
-конструкция пресс-формы должна быть технологичной, долговечной и удобной в работе.
Для изготовления моделей отливок художественного назначения применяют также металлические материалы. При индивидуальном мелкосерийном производстве применяются легкоплавкие сплавы, чаще всего оловянно-свинцовые из-за дефицитности таких компонентов как висмут и кадмий.
При выборе сплава следует учитывать, что вторая половина заливаемой пресс-формы должна изготавливаться из сплава с меньшей температурой плавления во избежание ее расплавлении или сваривания.
Гипс довольно часто используется для изготовления пресс-форм, так как при этом возможно изготовление эталона практически из любого материала, в том числе из пластилина, гипсообразных материалов и дерева, недостатком гипсовых пресс-форм является их недолговечность. Количество приемов не превышает нескольких десятков.
Эпоксидные смолы. Для мелкосерийного производства удобно и экологически целесообразно изготавливать пресс-формы из холоднотвердеющих эпоксидных смол методом свободной отливки на эталон. Пресс-форма, полученная таким способом, имеет высокую механическую прочность, не подвержена короблению, разбуханию, коррозии. Качество поверхности достаточно высокое для выплавляемых моделей.
Для улучшения свойств отверженной смолы применяют пластификатор , дибутилфталат (ГОСТ 3863 — 79). Эпоксидные пресс-формы малотеплопроводны, что удлиняет время изготовления моделей. Для повышения теплопроводности в жидкую эпоксидную смолу вводят инертные наполнители - порошки: железный (ГОСТ 9849 - 74), алюминиевый (ГОСТ 5.1667 - 72).
3. Материалы для пресс-форм
Различные типы резины из синтетических каучуков значительно упрощает изготовление пресс-форм. Большая упругость эластичных материалов и их способность после деформирования приобретать первоначальную форму позволяют, при выемке модели, буквально выворачивать пресс-форму, извлекая модели с поднутрением и обратным конусом.
При отсутствии готового формопласта его можно изготовить самим.
Табл. 1. Свойства эпоксидных смол (ГОСТ 10587 — 84)
Параметры Марки смол
ЭД-22 ЭД-20 ЭД-12 ЭД-14
ВС 1-й сорт ВС 1-й сорт ВС 1-й сорт ВС 1-й сорт
Внешний вид Низковязкая Вязкая Высоковязкая
Примечание: Э - эпоксидная; Д - дифенилпропановая; число-содержание эпоксидных групп; ВС - высший сорт.
После получения однородной массы температуру доводят до 120 — 130 °С и выдерживают на таком уровне до полного расплавления массы и удаления пузырьков воздуха. Жидкий формопласт разливают в емкости, в которых залит виксинт К-18 (полупрозрачный, жидкий) и виксинт У-1-18 (белая паста). В зависимости от наполнителя цвет пасты может изменяться. Виксинт затвердевает при нормальных условиях. В виксинтовой пресс-форме обеспечивается высшая прочность и не требуется смазывать разделительным составом; модели можно получать как свободной заливкой модельного состава, так и при умеренном давлении на него.
Табл. 3. Свойства резины и режимы их вулканизации.
Резина на основе каучука Вулканизирующий агент Режим вулканизации Механические свойства, не менее.
Температура. °С Время, мин ст., МПа
К ,. 8«сп не более 5,% Твердость ТМ-2
~КН-40М ПДК1 150 35 И 4 400 55
ЗКИ-З, пдк 150 35 14 6 780 36
2КН-26 Ф-40 2 150 35 14,8 6 810 38
СКН-40М хдо3 150 45 12 24 850 34
ХДО + МпС>2 150 20 14 16 740 42
ИРП-7889 — 143 20 15 14 500 40
импортная — 143 30 15,3 8 650 38
Пресс-форма может быть получена по эталону из различных материалов: дерева, металла, пластилина, глины, воскоподобных материалов и т. д.
Резина. Для пресс-форм используется так называемая сырая резина на основе искусственного каучука. После вулканизации получается эластичная пресс-форма. Физико-механические свойства резин для пресс-форм и режимы их вулканизации представлены в та6л. 3.
4. Изготовление пресс-форм.
Изготовление гипсовой пресс-формы.
1. Изготавливают эталон чаще всего из дерева или металла. Деревянный эталон шлифуют и окрашивают лаком. Эталон может быть разъемным или целиковым. В последнем случае выполняют фальшивую плиту из пластилина, гипса или дерева.
2. На плиту 6 (рис. .1) устанавливают одну из частей разъемного эталона 2. Отверстия в эталоне и паз визирующую втулку 4 с кольцевым вырезом для закрепления ее в гипсовой массе. Фиксирующая втулка предупреждает гипсовую пресс-форму от изнашивания и искажения отверстия при извлечении и установке стержня. На плиту 6 помещают обечайку 5. Поверхность модели и внутреннюю часть обечайки смазывают разделительным составом. Им может быть любое минеральное масло или состав, включающий жировую основу.
3. Приготавливают гипсовую массу из высокопрочных марок, и просеивают через сито и смешивают с водой. На семь его частей берут три части воды. Жидкая гипсовая масса после затвердевания обладает меньшей прочностью, а густая затрудняет заливку. Перемешивание массы производят до тех пор, пока в ней не исчезнут комки и не будет удалена большая часть воздушных пузырей. Последние прилипают к поверхности эталона, образуя в затвердевшей форме раковины, во избежание этого на эталон можно предварительно наносить кистью густо гипсовую массу, а затем уже залить основной массой.
Схема изготовления гипсовой пресс-формы:
а— изготовление первой половины,- б — изготовление второй половины; в — запрессовка модели; 1, 3 — металлические стержни; 8 — разъемный эталон; 4, 9 —втулка; 5 — обечайка; б — плита; 7 — фиксаторы; О — канал для запрессовки массы; II — струбцина; 12 — накладка; 13 — ручной Шприц.
При изготовлении гипсовой массы в большом количестве требуется длительное ее перемешивание, в результате масса может загустеть. Для предупреждения этого в гипс добавляют замедлители - столярный клей (0,1—0,2% массы воды), борную, уксусную или 4%-й раствор поваренной соли, борной или серной кислоты.
Для повышения прочности гипсовые пресс-формы армируют металлическими каркасами, добавляют в гипс 15 — 30% цемента или готовят массу на водном растворе связующего МФ-17 или на 5 — 10%-м растворе поливинилацетатной эмульсии.
4. После затвердевания гипса готовую полуформу переворачивают и заливают вторую аналогично первой. Перед заливкой на модель 8 устанавливают вторую фиксирующую втулку 9, а на первой половине выполняют фиксаторы 7. После отверждения в полуформе просверливают отверстия 10 для запрессовки модельного состава.
5. Пресс-форму разбирают, извлекают металлические стержни, обе половины эталона, снимают обечайку и выполняют литниковый канал от отверстия для запрессовки к полости формы.
6. Если по гипсовой пресс-форме предполагается изготовить небольшое количество моделей, то для предупреждая прилипания модельного состава пресс-форму замачивают в холодной воде. При изготовлении большого числа моделей просушенную пресс-форму проваривают в течение 30 — мин в нагретой до 50 °С олифе. После этого ее протирают и просушивают на воздухе, затем покрывают слоем спиртового лака или нитролака. Такая операция не только увеличивает долгопрочность пресс-формы и делает ее негигроскопичной, но и обеспечивает высокое качество поверхности моделей.
7. Подготовленную пресс-форму собирают и зажимают струбциной 11. На верхнюю ее плоскость кладут металлическую пластину 12 с отверстием, совпадающим с отверстием для шприцевание. Пластина предупреждает разрушение гипсовой формы от наконечника шприца 13.
Изготовление пресс-форм из эпоксидных смол.
Процесс изготовления пресс-форм из эпоксидных смол с неметаллическими и металлическими вставками аналогичен их получению из легкоплавких сплавов и состоит из изготовления эталона и по пресс-формы. Установленный эталон, который может быть выполнен практически из любого материала, и плоскость разъема смачиваются разделительным составом (густым маслом, раствором — 10—15 частей (по массе) полиизобутилена в бензине или 12—15 частей старой резины в толуоле, 7—10 частей поливинилового спирта в воде, 30 частей воска в скипидаре). Затем в емкость загружаются составляющие массы в определенных пропорциях.
Для снижения вязкости смолу подогревают до 40 — 50 °С. Пластификатор нагревают на водяной бане до 85 °С и выдерживают при этой температуре для удаления из него газов, которые в противном случае будут выделяться в залитой пресс-форме.
Сначала смешивают смолу с половинным объемом пластификатора, другую его половину смешивают в отдельной посуде с отвердителем. В смесь смолы и пластификатора засыпают наполнитель и все перемешивают при 40-50 °С в течение 20—30 мин. Затем смесь охлаждают до 20 °С, заливают отвердитель, смешанный с пластификатором, и вновь перемешивают. Приготовленную смесь необходимо использовать в течение 15 — 20 мин.
Залитая пресс-форма затвердевает, в шкафу при 20 °С в течение 12—1ч, после чего ее термически обрабатывают по следующему режиму: 1 ч при °С, 1 ч при 40 °С и 2 ч при 60 °С с бедующим охлаждением вместе со шкафом.
Изготовление литой металлической преcc-формы.
Процессы получения модели из металлических и гипсовых пресс-форм аналогичны. Отличительные особенности первого процесса следующие:
-как правило, используют полированные металлические эталоны. Только в случае применения легкоплавких сплавов с температурой плавления до 100 °С можно использовать деревянные эталоны;
-для предупреждения приваривания заливаемого сплава к эталону поверхность последнего натирают серебристым графитом либо покрывают тонким слоем термостойкого лака. Хорошие результаты дает копчение поверхности эталона;
-верхнюю и нижнюю части пресс формы рекомендуется отливать из сплавов с различной температурой плавления. Хорошим считается сочетание сплава, содержащего 80% винца, 6% олова и 14% сурьмы, с температурой плавления 250 °С усадкой 0,5% со сплавом, содержащим 30,6% свинца, 51,2% олова и 8,2% кадмия с температурой плавления 142 °С и усадкой 0,35%;
Четкие контуры получают при нагревании при перегреве сплава на 30 —60 °С выше температуры плавления; из-за усадки сплава эталон после его затвердевания прочно удерживается в пресс-форме. В эталоне предусматриваются уклоны, а в пресс-форме — специальные приспособления для облегчения ее раскрытия и извлечения эталона (глухие щели по разъему, выталкиватели и т.п.);
-затвердевшую пресс-форму разбирают, исправляют дефекты пайкой, шабрением и чеканкой.
Изготовление пресс-форм методами гальванопластики и металлизации.
Эти способы позволяют получать очень качественные пресс-формы, полости которых точно воспроизводят фактуру эталона из алюминиевого или цинкового сплава.
Схема изготовления пресс-формы для мебельной накладки следующая (рис. 4.2):
• поверхность эталона 1 протирают бензином, а затем обезжиривают оксидом магния;
• после промывки холодной водой его декапируют в 18%-м растворе хлористого никеля или в растворе соляной и фтористоводородной кислоты в течение 15-20 с и вновь промывают холодной водой. Подготовленный эталон никелируют в ванне обычного состава. Предварительно плоскость разъема (внутреннюю часть) обрабатывают с целью изоляции составом из воска и канифоли (1:1) во избежание осаждения на ней никеля. Первые 5-8 мин никелирования плотность тока должна составлять 1-1,2 А/дм2, а затем снижаться до 0,5-0,8 А/дм2. Никелирование в течение 20—25 мин обеспечивает качественную поверхность пресс-формы.
Схема изготовления пресс-формы гальванопластикой:
а-эталон; б-металлизированный слой; в-изготовление первой половины; г-изготовление второй половины; I— эталон; 2 — металлизированный слой; 3, 8 — гипс или легкоплавкий сплав; 4 — обечайка; 5 — плита; б — пластина; 7 - канал для прессовки массы; 9 — фиксатор; 10— отверстия для толкателей.
Состав электролита: 100 грамм медного купороса (на 1 л раствора добавляют 70 г серной кислоты и 8 г спирта-ректификата). Первые 10—15 мин. меднение ведут при плотности тока 1,3—2,5 А/дм2, после чего переходят на режим быстрого наращивания меди при плотности тока 10—25 А/дм2 и температуре электролита 38 — 40 °С. Наращивание ведут до получения слоя меди 0,5—1,2 мм; промытый и высушенный омедненный эталон металлизируют медью или сталью с помощью газового или электрического металлизатора. Металлизационный слой 2 должен быть выплавлен при температуре более 450 °С;
• полученную металлическую коронку протравливают в смеси серной, азотной и соляной кислот, а затем тщательно промывают в воде;
• коронку устанавливают на плиту 5, накладывают обечайку 4 и заливают гипсовой массой или легкоплавким сплавом 3. Таким образом, получают нижнюю часть пресс-формы;
• на нижнюю обечайку устанавливают верхнюю с фиксированием штырями 9 и заливают верхнюю часть пресс- формы 8;
• к пресс-форме прикрепляют металлическую пластину 6, выполняют отверстие для запрессовки 7, в нижней части пресс-формы — отверстие 10 для выталкивания легкоплавкой модели.
Коронки для пресс-форм можно получить методом электрометаллизации на аппаратах ЭМ-3 или ЭМ-ЗА [16]. Для металлизации используется алюминиевый эталон. Оксидная пленка алюминия препятствует сцеплению металлизационного слоя с эталоном. Толщина наносимого слоя зависит от размера эталона и колеблется от 1,5 до 5 мм. При непрерывной металлизации эталон сильно нагревается, что снижает качество поверхности изготавливаемой коронки, по этому ее следует проводить с прерыванием для охлаждения.
Металлизацнонный слой довольно хрупок, и при механическом извлечении эталона могут выкрашиваться кромки коронки. В этом случае дефекты исправляют пайкой или производя растворение эталона в кипящем растворе щелочи.
Изготовление формопластовых эталонов.
Перед заливкой формопластом такие эталоны припудривают тальком. Гипсовый эталон и кожух лучше всего покрывать горячей олифой или бакелитовым лаком. Необработанный гипс при заливке выделяется в жидкий формопласт, отчего форма пронизывается мелкими отверстиями в виде булавочных головок. Запрещается для покрытия эталона использовать нитролаки, спиртолаки и искусственные олифы, так они реагируют с формопластом. Формопластовые пресс-формы используются только при изготовлении модели одной заливкой.
Схема изготовления формопластовых пресс-форм следующая:
-подготовить поверхность эталона, перед заливкой эталоны, особенно металлические, следует подогреть до 70 °С для получения качественной поверхности;
формопласт выпускается двух марок Fе-Си - СМ и формопласт марки М более термостоек и механически прочнее. При отсутствии готового формопласта его можно приготовить состоятельно;
-оплавляют формопласт в масляной бане, следя за тем, чтобы температура обогревающей среды не поднялась выше 150 °С. При большей температуре формопласт разлагается (термопласт, спекается с образованием пенообразной массы и теряет свои свойства);
-перед заливкой нагрев формопласта прекращают и выдерживают в течении 10 — 15 мин. для полного удаления пузырьков воздуха; за один прием эталон заливают полностью со всех сторон;
-иногда пресс-формы изготавливают из нескольких частей, чтобы было удобно извлекать модель.
Изготовление виксинтовой пресс-формы.
Эталон для изготовления виксинтовой пресс-формы может быть выполнен из любого материала. Основное требование к нему — качественная поверхность и четкость проработки рисунка, так как виксинт обеспечивает идеальное воспроизведение фактуры. Схема изготовления пресс-формы:
• эталон закрепляют на плите таким образом, чтобы поверхность соприкосновения его с плитой, которая не покрыта виксинтом, являлась местом заливки будущей модели. Если же полость пресс-формы должна быть глухой, то нанесение виксинта производится поочередно;
• приготавливают состав из жидкого виксинта К-18 с таким расчетом, чтобы его хватило на покрытие эталона слоем 1—2 мм. В виксинт К-18 добавляют катализатор № 18 (1 — 4% массы виксинта). Смесь тщательно перемешивают;
• приготовленную массу с помощью кисти наносят тонким слоем на поверхность эталона. При этом необходимо обеспечить заполнение виксинтом всех участков эталона;
• отверждают нанесенный слой при нормальных условиях. Время отверждения зависит от содержания катализатора, температуры воздуха и сроков хранения;
• для получения более прочной, но менее эластичной пресс-формы наносят два и более слоя из виксинта К-18;
• приготавливают состав из виксинта пасты У-1-18. В него вводят катализатор № 18 (0,3 — 0,6% массы виксинта) одномерным слоем. Необходимо следить за тем, чтобы между пастой и эталоном не образовывались воздушные просветы, особенно в углубленных местах. Это происходит потому, что паста довольно густая. Потому нанесение виксинта У-1-18 должно быть проведено особенно тщательно;
Для получения особой эластичности пресс-форма изготавливается целиком из виксинта У-1-18:
-густую пасту можно разбавлять жидким виксинтом К-18. В этом случае масса катализатора берется пропорционально массе виксинта;
-отверждают виксинт; по эталону, покрытому виксинтом, после его полного отверждения изготавливают две половинки гипсового кожуха;
-после затвердевания гипса обе половинки кожуха снимают с виксинтовой пресс-формы. Затем пресс-форма разрезается на части (лезвием бритвы) таким образом, чтобы из нее можно было удалить эталон, а впоследствии — модель;
-полученные части формы собирают в гипсовом кожухе. Если полость пресс-формы глухая, то в кожухе и виксинтовой форме прорезают отверстия для заливки модельного состава. При жесткой виксинтовой форме модель можно запрессовывать модельной пастой при умеренном давлении.
Виксинтовую пресс-форму можно изготовить также способом обжатия. В этом случае процесс складывается из следующих операций:
-эталон обкладывается слоем глины;
•по обложенному глиной или пластилином эталону изготавливают две половины гипсового кожуха, которые должны быть достаточно прочными и хорошо фиксироваться относительно друг друга. В отдельных случаях по этим гипсовым половинкам можно отлить металлические кожухи. На частях кожуха выполняют фиксаторы и приспособления для зажима (болты с барашками);
• гипсовые половинки снимают, с поверхности эталона удаляют глиняную или пластилиновую оболочку, очищают его поверхность;
• наносят слой виксинта К-18 аналогично первому варианту;
• наносят слой виксинта У-1-18 аналогично первому варианту. Толщина двух слоев виксинта должна несколько превышать зазор между эталоном и внутренней стенкой полости кожуха;
• до отверждения покрытый виксинтом-пастой эталон вводится в полость кожуха. Затем обе половинки кожуха сжимаются, в результате чего выдавливаются излишки виксинта;
• после отверждения виксинта У-1-18 обе половинки кожуха снимаются с виксинтовой пресс-формы;
• с помощью скальпеля или острого ножа (лезвия) пресс-форму разрезают на части;
• полученные части виксинтовой формы снимают с эталона и собирают в гипсовом кожухе.
Изготовление резиновых пресс-форм. Процесс изготовления пресс-форм из резины заключается в следующем:
в металлическую обойму укладываются заготовки сырой резины;
-поверх эталона накладывается тонкий слой сырой резины, заполненную металлическую обойму с эталоном помещают в вулканизационный пресс для придания сырой резине эластичного состояния. Под воздействием давления и температуры пластики и куски резины свариваются между собой, образуя единую эластичную массу, внутри которой заключена металлическая мастер-модель.
4.5. Удаляемые модели
В практике художественного литья применяются исключительно восковые модельные составы с температурой плавления ниже 100 °С, что позволяет удалять модели из форм не только горячим воздухом, но и горячей водой и паром. Такие воскоподобные составы используются для изготовления моделей как в расплавленном, так и в пластифицированном и пастообразном состоянии. Их главные компоненты: парафин, церезин, стеарин, буроугольные полиэтиленовые, реже натуральные воски. В качестве добавок, улучшающих их прочность и теплостойкость, снижающих хрупкость, используются такие продукты, как кубовый остаток термического крекинга парафина, касторовое масло, этилцеллюлоза, не деформирующаяся на всех технологических операциях;
-состав должен быть несложным в приготовлении и содержать недорогостоящие и недефицитные компоненты;
-состав должен обладать хорошей жидкотекучестью в расплавленном состоянии для обеспечения изготовления модели и выплавлениея ее из формы;
• плотность состава, должна быть меньше 1000 кг/м3;
• модельный состав должен хорошо смачиваться суспензией;
• зольность состава должна быть минимальной;
• модельный состав должен быть пригоден для многократного использования;
• состав должен быть безвреден для работающих.
Полученные модели осматривают, при необходимости исправляют дефекты и монтируются припаиванием к стояку. Последний обычно изготавливают из того же модельного состава. Стояк может иметь металлический каркас для удерживания блок - моделей при попадании на него суспензии.
Для полноты представления о технологических возможностях литья по выплавляемым моделям на рис. 4.5 и 4.6 показаны оригинальные отливки, в качестве моделей для которых были использованы цветы и животные. Отливка цветов, жуков, раков требует особой подготовки. Первоначально методом поливания на эти модели наносят тонкий слой модельного состава, а затем формируют многослойную оболочку способом посыпания. Затруднения возникают при удалении модели, так как роговые покровы панцирей не выплавляются. Если прокаливать оболочки с панцирями, то образующаяся при этом зола (в основном оксид кальция) ведет к засорам отливки. Для удаления хитиновых частей выплавленные оболочки со всей осторожностью проливают кислотами, растворяющими соединения, из которых состоят твердые образования животных.
На рис. 4.6, а показан оригинальный букет из чертополоха, отлитый из латуни, на рис. 4.6, б — бронзовый букет роз, на рис. 4.6, в —г розы и лилии, отлитые из углеродистой стали, с толщиной лепестков от 0,2 до 1,5 мм. Букет собран из отдельных частей с помощью электросварки.
Выплавляемые модели можно изготавливать и без пресс-форм, выливая расплавленный модельный состав в холодную воду. Полученные абстрактные фигуры весьма оригинальны, их используют в качестве украшений, оснований для подсвечников и других декоративных изделий. Каждое изделие индивидуально и его невозможно тиражировать.
Для художественных отливок наиболее оптимальной и чаще всего применяемой является технология с использованием этилсиликатного связующего наполнителя.
Литейная оболочковая форма, материалы модели и материалы формы.
Литейную форму получают послойным нанесением суспензии на блок моделей, обсыпкой, каждого слоя огнеупорным песком с последующей его сушкой и отверждением. Число слоев зависит от качества суспензии, габаритов модельного блока, которое обычно составляет четыре и более, суспензия состоит из связующей жидкости и пылевидного огнеупорного материала.
В настоящее время в промышленной технологии литья по выплавляемым моделям применяются различные составы суспензий с разнообразными связующими: этилсиликатом, жидким стеклом, кремнезолем, металлофосфатами. В качестве огнеупорных материалов используются кристаллический и аморфный графит.
Для приготовления литейной формы с этилсиликатным связующим требуются следующие материалы: этилсиликат, органические растворители, соляная, фосфорная или серная кислота, вода, поверхностно-активные вещества, пылевидный кварц и шамот, кварцевый и шамотный песок, аммиак, жидкое стекло.
Этилсиликат относятся к классу кремнийорганических соединений. По химической природе это смесь этилового спирта или силикаты двух марок: ЭТС-32 и ТС-40 (числами обозначено условное удержание Si02 в продукте). Фактически Этилсиликат не содержит Si02, однако связующим служит неорганический полимер Si02. В табл. 4.7 приведены физико-химические показатели отечественных и зарубежных этилсиликатов.
Этилсиликат и вода не растворимы друг в друге. Для их взаимного растворения применяют органические растворители. Свойства некоторых растворителей приведены в табл. 4.8. От растворителя зависит живучесть и смачивающая способность суспензии, прочность и трещиноустойчивость форм. Выбор растворителя определяется также его токсичностью и пожарной безопасностью.
Табл. 4.7. Физико-химические показатели этилсиликатов
Показатель ЭТС-32 (ТУ6-02- 895 — 86) ЭТС-40 (ГОСТ 26371 — 84) NT-40 Silester-05 Dinasil-40
Высший сорт 1-й сорт
вид материала Прозрачная жидкость От бесцветной жидкости до жидкости слегка желтоватого цвета
плотность, г/м3 Свыше 1000 1050— 1070 1040 — 1070 1050- 1070 Около 1070 1050— 1070
кинематическая вязкость, 2/с 1,6
> 3,5 - 6 3,5 - 6 3 — 5 Около 5
содержание компонента, %:
Si02 30 — 34 40 — 42 38 — 42 38 - 42 Около 41 40 — 42
HCl, не более 0.1 0,05 0,1 0,1 — —
тетраэто- ксисилан 50 — 70 10 — 15 10 — 15 — — ■—
этоксильные группы — 70 — 73 70 — 75 — — —
этиловый - 1.5 1.5 — Около 1 —
[аиболее технологичен этиловый IT, однако он является пищевым, продуктом. В последнее время достачно широко в качестве разбавителя используют воду.
Эфироальдегидная фракция (главная фракция этилового спирта плотностью ; г/м3) — отход производства; по технологическим свойствам близка к этиловому спирту, ко значительно токсичнее его, так как содержит до 1,5% метилового спирта, до 2% сивушных масел и до 3% эфира.
Табл. 4.9. Физико-химические показатели соляной кислоты
Техническая кислота (ТУ 6-01-1194-79) Синтетическая техническая кислота (ТУ 6-01-468-78)
Показатель 1-й сорт 2-й сорт Марка
А Б В
Цвет материала Прозрачная, бесцветная или желтоватого цвета жидкость без осадка и механических примесей, содержание хлористого водорода (НС1), %, не менее 31 27,5 35 38 31,5 31, содержание серной кислоты в расчете на БОз, %, не более 0,4 0,8 0,005 0,005 0,03
Соляная кислота служит катализатором реакции соединения этилсиликата и воды. При изготовлении этилсиликатного связующего (реакция гидролиза и поликонденсации) применяются соляная, техническая и синтетическая техническая кислоты (табл. 4.9). Концентрацию соляной кислоты можно определить, замерив ее плотность (табл. 4.10).
Ортофосфорная кислота применяется для связывания вредных примесей, име ющихся в пылевидном огнеупорном этилсликате, с целью перевода их в метафосфаты, являющиеся дополнительным связующим материалом, рекомендуется использовать термостойкую ортофосфорную кислоту.
Серную кислоту применяют для нейтрализации вредного действия металлического железа, присутствующего в пылевидном огнеупорном материале при получении его шаровым помолом металлическими шарами. Присутствие металлического железа в суспензии активизирует поверхностно-активные вещества и являются непременным компонентом всех этилсиликатных связующих на водной основе. Использование S эффективно в системах с развитой поверхностью раздела. К ним относятся суспензии для литья по выплавляемым моделям, когда поверхность раздела существует между связующим и наполнителем, между несмешивающимися компонентами связующего — этилсиликатом и водой, между связующим и сообразным материалом. ПAB используются для смачивания суспензией модели; стабилизации эмульсии этилсиликата воде;
-пластифицирования (разжижения) успензии;
-предотвращения оседания наполнителя суспензии;
-полного разделения воды и модельной массы при выплавлении моделей водой;
-в суспензиях с ацетоном для замедления ДС-РАС, Авироль;
для ЭТС-32 — ОП-4, ОП-7, ОП-Ю, ДС-10, ДТ-7. Для предотвращения замешивания воды в модельный состав добавляют Контакт Петрова, ОП-4, ОП-7, ОП-Ю.
Содержание ПАВ зависит от состава суспензий и подбирается эмпирически. Обычно оно не превышает 0,1% массы суспензии. Основной критерий — качественное смачивание модели.
ПАВ регламентированы ТУ и ГОСТами (табл. 4.14). Более подробно о ПАВ изложено в [66].
Кварц молотый пылевидный получают помолом чистого кварцевого песка. Наиболее часто он применяется как наполнитель для суспензий (табл. 4.15).
Кварц плавленый (аморфный кремнезём, непрозрачное кварцевое стекло (НКС)) получают расплавлением кварцевого песка с последующим дроблением, размолом и рассевом. В отличие от кристаллического кварца, который при нагреве расширяется более чем на 5,5%, плавленый кварц расширяется менее чем на 0,1%. Это обеспечивает формам
Табл. 4.14. Технические условия и ГОСТ на поверхностно-активные вещества
ПАВ Документ ПАВ Документ
И(паста, порошок) ТУ 6-14-9 — 79 ДС-10 ТУ 6-14-577 — 70
Контакт Петрова ОСТ 38.01.116 — 78 ДТ-7 ТУ 6-14-1037 — 79
ьфанол ТУ 6-01-1043 — 75 Авироль ТУ 6-14-1017 — 74
-4,ОП-7, ОП-Ю ГОСТ 8433 — 81 ДС-РАС
Производство плавленого кварца связано со значительными энергозатратами. Он дорог и дефицитен, однако этот материал является наилучшим для производства художественных отливок. По гранулометрическому составу С отечественного производства подразделяется на 6 фракций: очень грубый— зернистость 1,6 мм, грубый зернистость – 2,0мм.
Высокоогнеупорный шамот получают обжигом глины. Материал термически стоек, не претерпевает полиморфных превращений при нагреве. Использование шамота вместо пылевидного кристаллического кварца улучшает качество форм и отливок. Шамот зерновой новоселицкого каолина (ШЗНК) выпускается двух марок: И13НК-0,63 и ШЗНК-0,2.
Второй способ наиболее часто применяется при постоянном изготовлении отливок. Он обеспечивает получение более прочных форм, чем при первом способе.
Третий способ использования этил-силикатно-фосфорного связующего ЗИЛ-ЭФ без органических растворителей обеспечивает качестве отливок пониженную опасность процесса, создание нормальных условий работающих и снижению себестоимости отливок.
Приготовление этилсиликатного связующего раствора. 1. Проводят химический анализ этилсиликата на содержание Si02, соляной и серной кислоты — на содержание. Рассчитывают содержание компонентов. При этом учитывают особенности производства конкретных отливок. Чем больше этилсиликата, тем прочнее форма, но дороже, условия сушки - налиичие кондиционеров, продолжительность цикла (чем больше воды, тем сильнее отверждение смеси) и т.д. Для определения количества воды на оси абсцисс (рис. 4.7) находят точку, соответствующую содержанию Si02 в силикате, например 39,5%, и из нее проводят перпендикуляр до пересечения с заштрихованными областями. Из выбранной области (принятый им сушки) проводят горизонтальную линию влево до пересечения с ординатой, на которой указан диапазон необходимого объема воды. Например, при отверждении в сухом воздухе объем составит 0,26 — 0,31 л на 1 кг этилсиликата, во влажном воздухе - 0,21 л, в воздушно-аммиачной среде - 0,07 - 0,1 л.
Количество растворителя в данном объеме ацетона выбирают в зависимости от заданного содержания Si02 в готовом связующем. Для этого из точек пересечения перпендикуляра с линиями соответствующего содержания Si02 в растворе проводят горизонтальную линию до пересечения с ординатой, на которой указано содержание ацетона. В этом случае для получения в свяющем растворе 10% Si02 необходимо; иметь 3 кг, или 3,75 л, ацетона, 12% —кг, 14% — 1,7 кг, 16% — 1,3 кг и для — 1 кг.
Подержание катализатора (соляной кислоты) не зависит от остальных компонентов и составляет в среднем 0,3% массы связующего при использовании определяют по формуле.
Определив необходимое содержание растворителя — ацетона, этилового и особенно изопропилового спирта, следует учесть содержание в нем воды и откорректировать его объем для гидро- и этилсиликата.
3. Вливают в водоохлаждаемый бак растворитель, затем воду и соляную кислоту (или заранее приготовленный раствор соляной кислоты) и перемешивают в течение 1 — 2 мин.
4. Не выключая мешалки, постепенно вливают этилсиликат. Для интенсивного перемешивания обычно используют смесители с частотой вращения 10 об/мин. Максимальная температура реакции гидролиза этилсиликата не должна превышать 50 °С. Ее регулируют охлаждая бак. Превышение максимально допустимой температуры может привести к лавинообразному нарастанию вязкости раствора, вплоть до его полного загустения.
5. После 1 — 2-суточной выдержки для завершения процессов гидролиза и конденсации раствор можно использовать для приготовления суспензии. Выдержка увеличивает прочность форм.
В приготовленный, охлажденный до нормальной температуры и выдержанный гидролизованный раствор этилсиликата при непрерывном интенсивном перемешивании (мешалка с частотой вращения не менее 1000 мин") засыпают порциями пылевидный огнеупорный материал.
2. Если огнеупорный материал содержит металлическое железо (по ГОСТ 9077 —I 82 содержание Fe до 0,25%, на практике бывает больше), живучесть суспензии резко уменьшается. Для нейтрализации вредного воздействия железа пылевидный материал прокаливают 950 °С. А при 900 – 10000С оксиды либо вводят в соляную кислоту, переводя железо в сульфат. На каждые 0,1% железа, введенного с пылевидным материалом, добавляют 0,18 г или 0,13 см3 H2S04 при ее плотности 1740 кг/см3 (см. табл. 4.13).
Приготовление суспензии совмещенным способом.
Заливают в водоохлаждаемый бак растворитель, затем подкисленную гидро этилсиликат. Содержимое перемешивают в течение 1 — 2 мин. Порционно засыпают пылевидный огнеупор, интенсивно перемешивая содержимое в течение 40 мин. периодически.
Приготовление суспензии совмещенным способом без органических растворителей (связующее 3 И Л-Э Ф ). 1. Рассчитывают необходимое содержание компонентов по табличным данным (табл. 4.20) и рис. 4.8. В целях экономии связующего, а также для достижения высокой живучести суспензии и прочности форм предпочтительно применение ЭТС-40.
Составы с содержанием 15 — 17% 40 (6 — 7% Si02) обеспечивают повышение прочности 4,5 — 6 МПа в холодном состоянии и 8,5 — 10 МПа при °С. Эти составы имеют высокие технологические свойства. Однако они сильно отверждаются, так как содержат много воды. Поэтому их рекомендуется применять при продолжительной воздушной сушке форм (4—5 ч каждого слоя) или при интенсивном охлаждении. При невозможности качественного отверждения форм в составе ЗИЛ-ЭФ увеличивается (до 35%) содержание этилсиликата для получения высокой прочности 1 содержание катализатора (НС1) должно быть на нижнем пределе. Повышение его концентрации ускоряет отверждение.
В бак вливают воду и кислоту в расситанном объеме, включают мешалу и перемешивают 1 — 2 мин.
В подкисленную воду всыпают - 60% общей массы пылевидного огнеупора и полученную смесь перемешивают 1 — 2 мин до образования однородной суспензии.
В суспензию при перемешивании добавляют оставшийся пылевидный огнеупор. Поверхностно-активное вещества вводят в любой момент перемешивания.
Общее время перемешивания суспензии 45 — 60 мин. Температура в процecce приготовления не должна подниматься выше 35 — 40 °С. Ее регулируют охлаждением бака мешалки, смеситель должен обеспечивать интенсивное турбулентное перемешивание суспензии в баке. Частота вращения меалки 1400 — 2800 мин*1. Предпочтельны быстроходные смесители.
При использовании ЭТС-40 ПАВ повышают вязкость суспензии. Наполнение суспензии тем выше, чем меньше этилсиликата содержит связующее (рис. 4.8).
7. Окончательное соотношение между связующим и наполнителем определяется принятой для конкретного производства технологией. Обычно вязкость суспензии составляет 30—60 с по прибору ВЗ-4.
8. Содержание ПАВ подбирается эмпирически. Основной критерий - качественное смачивание моделей суспензией.
Пример расчета состава суспензии со связующим ЗИЛ - Э Ф.
Необходимо приготовить 10 л суспензии. Связующее должно содержать 15% ЭТС-40, 0,6% НС1, 2% НзРО. Для достижения необходимой вязкости и хорошей смачиваемости суспензия должна иметь наполнение Н= 2,8 кг/л (Н — отношение массы наполнителя к объему связующего) и содержать 0,1% ПАВ.
Исходные данные:
плотность ЭТС-40 - 1,06 г/см3;
плотность соляной кислоты (НС1 — 34%) - 1,17 г/см3;
плотность ортофосфорной кислоты (Н3РО« - 78%) - 1,6 г/см3;
для получения 10 л суспензии следует иметь 5 л связующего.
Расчет. Объем этилсиликата
V= (15-5)/ (100-1,06) = 0,1 л; соляной кислоты
V= (1000-5 0,6)/(34 1,17) = 75 мл; ортофосфорной кислоты
V— (1000-5-2)/(78-1,6) = 80 мл; воды
V= 5-(0,71 + 0,075 + 0,08) = 4,135 л.
Масса пылевидного кварца при Н= 2,8 кг/л
т = 2,8-5= 14 кг;
Нанесение и отверждение слоев суспензии.
1. Блок с моделями погружают в суспензию, выдерживая до прекращения выделения пузырьков воздуха. Его медленно вращают в суспензии, почивая из стороны в сторону. После извлечения дают стечь избытку суспензии и вновь в нее погружают. Если модели получены в пресс-формах с избыточным разделительным смазочным материалом, то этот материал, перешедший на модели, снижает смачиваемость суспензией. Смачиваемость уменьшается также при использовании старой суспензии. Для улучшения смачиваемости предварительно обрабатывают поверхность моделей, промывая их в проточной воде, органических растворителях, растворах ПАВ или в гидролизированном растворе этилсиликата. Извлекают блок моделей и, поворачивая его во все стороны, дают стечь остаточной суспензии. Слой жидкой суспензии на монолитном блоке обсыпают зернистым огнеупором с размером частиц около дм. Обсыпку производят песком либо псевдосжиженным либо в падающем потоке в зависимости от наличия соответствующего оборудования. Обсыпка в псевдосжиженном слое песка предпочтительнее.
Время от начала извлечения блока из суспензии до начала обсыпки должно быть таким, чтобы слой суспензии не успел обсохнуть. Иначе песок не прилипнет к суспензии, что приведет к ее растрескиванию и понижению прочности формы.
Это особенно проявляется при использовании в связующем быстроиспаряющегося ацетона. Для предупреждения обсыхания вместо чистого ацетона применяют его смесь с изопропиловым спиртом (1:1) или вводят в связующее ПАВ — высшие жирные кислоты или высшие жирные спирты фракции C7 — С20. Введение изопропилового спирта или добавок удлиняет продолжительность обсыхания до 30 с, чего достаточно по технологии.
4.7. Выплавление модельного состава
При выплавлении модельного состава следует максимально удалить материал модели из оболочки, сохранив при этом целостность последней. Разрушение оболочки более всего вероятно при последующем нагреве, так как расширение моделей при нагреве до температуры плавления значительно превышает расширение оболочки. Поэтому важнейшее требование правильного ведения процесса выплавления — быстрая передача теплоты к поверхности модели. При быстром нагреве поверхность модели оплавляется, а внутри она остается холодной. Расплавившийся модельный состав впитывается в стенки оболочки или вытекает из нее. Образовавшийся зазор компенсирует расширение основной части модели при ее нагреве.
Наиболее часто применяют выплавление моделей в горячей воде, в расплавленном модельном составе и горячим воздухом. Оптимальным является выплавление моделей перегретым паром, но применяется редко, так как требует исполнения (специального автоклава).
Операция удаления состава состоит в следующем.
1. Очищают торец литниковой чаши от остатков оболочки.
2. Если в блоке предусмотрены технологические приливы (обычно на глухих частях отливки), то их обламывают. Через образовавшиеся отверстия лучше удалять модельный состав. После выплавления отверстия заделывают ремонтной пастой.
3. Устанавливают блок в емкость для выплавления чашей вверх (вода или модельный состав) и вниз (горячий воздух).
4. Выдерживают блок требуемое время и извлекают. Поворачивая его в разные стороны, стараются вылить остатки модельной массы.
5. Блок осматривают и исправляют дефекты (трещины и поломы) жидко- стекольной пастой с пылевидным огнеупором. Выплавленный модельный состав можно опять использовать для приготовления модели. Однако при выплавлении горячим воздухом в возврате модельного состава увеличивается процент зольности.
При выплавлении горячей водой возможно образование устойчивых эмульсий с водой. Во избежание этого в воду следует добавить 0,1 — 0,2% Контакта Петрова или ОП-Ш.
4.8. Формовка и прокаливание оболочковых форм
Оболочки формуют в целях предотвращения образования в них трещин разрушения при прокаливании и заливке. Наиболее распространены засоры холодных оболочек сыпучим наполнителем перед прокаливанием и заформовывание прокаленных оболочек в наполнитель с последующим подогревом. Технология формовки следующая. На дно опоки насыпают небольшой слой наполнителя, чтобы верхний уровень торца литниковой чаши был примерно на уровне верха опоки, ставят оболочки, чашу закрывают крышкой и насыпают остальной наполнительной смесью.
Опоку ставят на вибростол с амплитудой колебаний 0,5 — 0,6 мм и частотой колебаний около 1400 мин"1. После уплотнения наполнителя крышки снимают и формы направляют для прокаливания в печь. Часто уплотнение наполнителя производят постукиванием молотком по стенкам опоки во время его засыпки. В качестве наполнителя обычно используют кварцевый песок, при нагреве расширяющийся и сдавливающий оболочку, в результате чего в ней могут образовываться трещины, через которые песок может попасть в форму и вызвать засор отливки. В случае использования крупных отливок с развитыми поверхностями, возможно образование трещин расширения (например, шамот или НКС), а также наполнители с добавкой 1 — 3% борной кислоты или буры. В последнем случае при нагреве наполнитель спекается, и даже при наличии трещин песок не попадает в полость формы. При этом возникают затруднения при выбивке залитых форм.
Второй вариант включает следующие технологические операции.
1. Оболочковые формы загружают в поддон и прокаливают в печи без наполнителя с медленным последующим охлаждением до комнатной температуры.
2. Осматривают оболочку, так как в большинстве случаев на ней появляются трещины (если форма изготовлена из кристаллического кварца). При необходимости оболочку ремонтируют.
3. Проводят операции по п. 1 и 2 первого варианта.
4. Заформованную опоку ставят в термическую печь и нагревают до требуемой температуры.
Формы прокаливают для удаления газотворных составляющих, повышения прочности и лучшего заполнения полостей расплавом в окислительной среде при 800 - 1000 °С.
Полностью прокаленные оболочки должны иметь светлый излом (обычно белый или розовый). Недостаточно прокаленная оболочка (серый, черный излом) имеет повышенную газотворность.
При использовании кристаллического кварца рекомендуется вести нагрев со скоростью не более 20 °С/мин, а начиная с 700 °С—со скоростью до ° С/мин.
Оболочковые формы для заливки черных сплавов (чугун, сталь) должны быть нагреты до 800 — 900 °С, сплавов на основе никеля — до 900 — 1100 °С, на основе меди — до 600 — 700 °С, на основе алюминия — до 200 — 250 °С. Формы для литья медных и алюминиевых сплавов после прокаливания перед заливкой охлаждают до указанной температуры.
4.9. Финишные операции
После заливки формы охлаждаются естественным путем. После выбивки на отливках остаются остатки наполнителя и оболочки. Блоки предварительно очищают, ударяя по литниковой чаше. От предварительно очищенных блоков отливки отделяются отрезкой на металлорежущих станках, вручную — ножовками и отрезными абразивными кругами.
Очистку отливок производят механическим и химико-термическим способами. К механическим способам относятся очистка металлическими щетками и пескоструйная очистка мелким кварцевым или металлическим песком. При пескоструйной очистке образуется много пыли, поэтому операция должна проводиться с хорошей вентиляционной системой или может использоваться гидроабразивная очистка.
Очистку отливок со сложным и тонким рисунком проводят химико- термическим способом в водных растворах щелочей. В процессе очистки в щелочном растворе NaOH или, что эффективнее, в КОН протекают две основные реакции:
2КОН + Si02 ->K2Si03 + Н20, 2КОН + COi К2СО3 + Н20.
Скорость образования кальциевого жидкого стекла (K2Si03 • Н20) намного превышает скорость образования жидкого стекла, так что общая щелочность раствора остается примерно одинаковой.
Основными факторами, определяющими скорость очистки, являются содержание свободной щелочи и температура раствора. При кипении происходит интенсивное омывание отливок раствором и время очистки сокращается. Например, 30%-й кипящий раствор щелочи эффективнее очищает отливки, чем 50%-й при той же температуре.
Параметры процесса очистки отливок от керамики в растворах КОН приведены на рис. 4.9.
Алюминиевые отливки очищают исключительно механическим способом, так как химико-термический способ выщелачивания приводит к растворению не только керамики, но и материала отливки.
4.10. Виды дефектов
Дефекты и причины их возникновения, которые указаны в табл. 3.18 для отливок, полученных в разовых песчаноглинистых формах, в большинстве случаев также относятся и к отливкам, изготовленным литьем по выплавляемым моделям.
Однако процесс литья по выплавляемым моделям включает такие технологические операции, при проведении которых возникают дефекты, специфичные для этих операций (табл. 4.23).
Табл. 4.23. Виды дефектов
Мелкий огнеупорный материал на поверхности отливки.
Использование модельного состава с высокой зольностью или засоренного огнеупорными материалами форм.
Повреждение поверхности отливки.
Неаккуратное обращение, с моделью во время ее изготовления, сборки в блоки и хранения или транспортирования.
Отсутствие острых граней, выступов и других выступающих частей рисунка (смазанный рисунок).
Неочищенная пресс-форма, недостаточное давление запрессовки модельного состава.
Неполное образование отдельных частей отливки.
В пресс-форме при заливке жидким модельным составом отсутствует выход воздуха, особенно в верхних глухих полостях.
Крошки модельного состава после зачистки модели. Плохая смачиваемость суспензией. Обсыпка первого слоя суспензии крупным огнеупором.
Нанесение слоев оболочки.
Керамический материал на поверхности отливки.
Некачественная припайка питателя модели к стояку с образованием щели, в которую затекла суспензия. Малая прочность лицевого слоя и последующее его шелушение из-за несоблюдения режима приготовления и отверждения суспензии.
Протяженные тонкие наросты, обычно на угловых элементах отливки.
Несоблюдение режима приготовления суспензии и режима отверждения слоев оболочки, в результате чего на форме образуются трещины. Дефект характеризуется песчаным и керамическим засором.
Удаление модельного состава.
Керамический или песчаный материал на поверхности отливки.
Плохая очистка поверхности литниковой чаши от затвердевшей суспензии. Выплавка в засоренной выплавляемой среде.
Протяженные тонкие наросты.
Малая прочность оболочки. Медленный нагрев при удалении модельного состава из формы. Низкая температура выплавляемой среды.
Формовка и прокаливание форм.
Песчаный материал на поверхности отливки.
Засыпка наполнителя в блоки с незакрытой литниковой чашей. Формовка дефектных блоков с поломами и трещинами.
Протяженные тонкие наросты.
Несоблюдение режима прокаливания, особенно в интервале температур перехода модификации (3-кварца в 2-кварц при нагреве и, наоборот, при охлаждении) в результате чего происходит растрескивание форм.
Полость, образованная выделившимися из формы газами.
Недостаточное прокаливание форм из-за низкой температуры или непродолжительности прокаливаиия.
Мелкие поры, мелкие уcaдочные раковины.
Недолив, неполное образование отливки вследствие не заполнения полости литейной формы металлом при заливке. Потеря жидкотекучести из-за быстрого охлаждения металла, заливаемого в недостаточно нагретую форму. Проявляется при отливке тонкостенных изделий.
Финишные операции
Пригоревший слой на поверхности отливки, особенно в углублениях, отверстиях, глухих полостях и т.п. Недостаточное время выщелачивания. Низкие концентрация и температура щелочного раствора.
В настоящее время известно более 400 составов модельной массы. Свойства этих составов определяются технологическими процессами литья и применяемого оборудования (табл.1).
Компоненты модельных масс имеют различное функциональное назначение.
Наполнитель - основной и структурообразующий элемент, определяющий усадку. Это парафины, воск пчелиный и т.д. Пластификатор повышает эластичность и прочность модели. Упрочнители повышают прочность и твердость модели (канифоль, полиэтилен и др.).
Требования, предъявляемые к модельным составам:
В художественном литье наиболее всего встречаются три способа получения суспензии:
Раздельное приготовление связующего раствора и суспензии с органическими растворителями и отверждение в сухой, влажной и воздушноамиачной атмосфере.
Лекция.
Получение художественной отливки по выплавляемой модели в керамическую форму методом ШОУ.
До 20 века в литейном производстве отливок существовало множество примеров , зависящих от материалов, опыта мастеров-литейщиков, местных возможностей.
В художественном литье существовали свои приемы, они охранялись и передавались от отца к сыну, от мастера к помощнику. Существовало множество рационализаторских приемов в зависимости от выбранной отливки.
В 20 столетии П.А. Аксюнов, Б.Б. Гуляев и другие пытающиеся упорядочить технологические процессы литья промышленного. В художественном литье этот процесс затягивался.
Несмотря на появление новых способов литья, появление новых материалов, способы формовки художественного литья меняются незначительно.
Получение художественных отливок по выплавляемым моделям в последнее время находятся на новом этапе развития. Это связано с разработкой промышленного производства связующих материалов на основе этилсиликата, гипса, новых огнеупорных наполнителей , а так же разработка новых сортов модельных составов и, главное ,с тем, что они позволяют изготавливать и тиражировать наиболее сложные по конфигурации художественные изделия.
Рассмотрим технологию отливки наиболее сложной кабинетной(настольной) скульптуры «Всадник на лошади» (см. фото) «Святослав» скульптор Е.Лансере.
Модель изготовлена автором из воска отдельно Святослав и лошадь. Для технологии литья в 19 веке технологическое отверстие в лошади было в месте посадки всадника, оно же совпадало и с отверстием всадника.
Обе отливки выполнялись полые и в дальнейшем соединялись на заклепки. Это упрощало литье, но усложняло сборку.
В настоящих условиях, когда в распоряжении литейщика имеется аргонная сварка, удобнее выполнять отливку «Святослава» целиком в литье с использованием технологического отверстия на животе лошади с последующей заваркой аргоном технологического отверстия.
Отливка «Святослав» высота 500 мм. Модель имеет большое количество разъемов и для тиражирования необходимо изготовить до 50 гипсовых кусков, чтобы получить форму для производства восковой модели. (См. фото.)
В настоящее время мы имеем в распоряжении материалы для получения эластичной формы. Это силиконовые герметики- виксинты У-1-18, У-2-28, У-4-24 и другие.
Мы рассмотрим современный новый материал «Формосил М», выпускаемый в России. (см. вкладыш)
Рассмотрим получение эластичной формы для всадника на лошади «Царский сокольничий» Е.Лансере.
Имея модель всадника ищем разъем для получения двух форм для получения двух половин, выплавляемых моделей ,которые в дальнейшем будут сварены в единую восковую модель.
Согласно определенной линии разъема модели всадника, одну из половин обливаем слоем приготовленной эластичной массы толщиной примерно 5-8 мм.
Затем подрезаем по выбранной линии разъема, чтобы в дальнейшем можно было извлечь восковую модель без разрушения или коробления.
Далее в месте разъема формопласт смазывают вазелином, чтобы вторая половина не спаялась с первой.
После чего обливаем вторую половину модели приготовленной силиконовой эластичной массой «Формосил М». Слой примерно 5-8 мм.
Для увеличения долговечности и упрочнения сложной формы можно обмазать марлевыми или стеклотканевыми полосками, которые пропитываются формосилом и увеличивают его на прочность, на разрыв.
После вулканизации (отвердения), форма будет весьма эластичной и прочной, но без жакета получить в нём голную восковую форму невозможно.
Не снимая формопластовой формы с мастер-модели, на неё после вулканизации наливают гипс не теряя линии разъёма.
Т.е. получают две гипсовые формы ,каждая из которых состоит из нескольких кусков в зависимости от найденных линий разъема.
При получении двух форм используются все приемы получения гипсовых форм в кусках. (каркасы, знаки, смазка и т. д.)
Гипсовая форма разбирается. Затем согласно выбранного ранее разъема пресс-форму разрезают (имеется в виду формопласт). Гипсовые куски сушатся в течении 7 часов при температуре 50 градусов. Затем их упрочняют подсолнечным или оливковым маслом.
Разрезав формопластовую оболочку на две половины , делают на каждой из них дополнительные разрезы и вынимают мастер-модель.
Получилось 2 формопластовые в гипсовых жакетах формы , в каждой из которых в дальнейшем будут изготавливать половины восковых моделей.
Используя все имеющиеся приемы при изготовлении гипсовых форм- жакетов в них вставляют формопластовые оболочки и устанавливают так, чтобы выбранный ранее разъем был в собранной форме горизонтально.
После изготовления эластичных форм приступают к изготовлению восковых половин моделей. Из чего их делают? Пчелиный воск не подходит по многим причинам: имеет низкую прочность, липнет к рукам и инструменту, имеет большую усадку, повышенную зольность и т.д.
К модельному выплавляемому составу предъявляется ряд требований : высокие механические характеристики ,способность сохранять форму при хранении, малую шероховатость поверхностного слоя, обеспечение четкости фигуры. При этом модельные составы должны быть:
1. Однородными
2.Иметь минимальную усадку
3.Малую зольность
4.Достаточную жидко текучесть
5.Температуру размягчения выше 40 градусов , плавления 50-90 градусов
6.Высокую теплопроводность
7.НЕ прилипать к эластичной форме
8.Хорошо паяться
9.Быть экологически чистыми
В настоящее время известно более 400 составов модельных масс. Компоненты модельных масс имеют различное функциональное назначение: наполнители, пластификаторы, упрочнители и красители.
Мастера- литейщики художественного литья самостоятельно выбирают для себя модельный состав. (см. табл. 3)
Для изготовления модели всадника « Царский сокольничий» выбираем наиболее подходящий по многим параметрам РЗ:
Парафин 60 ; Церезин 25, буроугольный воск 15. Объемное расширение Е = 1,04
Теплостойкость 39 градусов по Цельсию
Температура плавления Т пл=80-85 градусов по Цельсию
Зольность 0,12%
Подготовленные полуформы всадника устанавливают горизонталь разъему. Расплавляется модельный состав. Делается выдержка расплавленного модельного состава по принципу литейщиков.
«Получишь металл погорячее залив похолоднее». На 8-10 градусов выше температуры каплепадения.
Заливка производится в нижнюю часть формы через воронку. Чтобы не образовались воздушные пузыри, которые немедленно прикрепляются к стенкам формы, чаша воронки должна быть полной до полного заполнения формы.
Затем воронка вынимается и форма заполняется до линии разъема.
Залитая форма выдерживается по времени пока на поверхности формы и стенках формы не образуется замерзший слой от 2-3 мм. Затем расплав модельный выливается. Форма охлаждается и проверяется толщина стенки. Если температура массы будет ниже, ее вязкость возрастает и, следовательно, тонкие стенки могут не заполниться.
Перегрев массы или формы приводит к короблению последней.
Кроме того при перегреве модельной массы , перегреваются и выступающие внутрь формы части, в результате толщина наращивающегося слоя модельной массы заметно уменьшается.
После получения первого нарощенного слоя прес-форму снова заполняют расплавленной модельной массой более низкой, чем в первом случае температурой.
Так повторяем 2-4 раза в зависимости от необходимой толщины стенки.
После охлаждения до температуры около 20 градусов по Цельсию полумодели извлекают из формы. (см. фото)
Половинки модели «Царского сокольничего» толщина стенки 3-6 мм.
Полученные полые половинки модели необходимо тщательно осмотреть, если есть необходимость устранить дефекты имеющимися приемами, которыми владеет мастер.
Затем для получения цельной модели (пустотело) необходимо в доступном месте вырезать технологическое отверстие для заливки стержневой массы вставления внутреннего каркаса.
Для «Царского сокольничего» технологического отверстия делаем на животе лошади 35-40 мм. Две пустотелые полумодели свариваются вместе с помощью расплавления кромок на разъеме паяльником или выжигателем.
После сваривания половин модели необходимо рассмотреть вопрос : каким образом расположили литниковую систему.
Литниково –питающую систему (ЛПС) выбирают по опыту и необходимыми расчетами с учетом индивидуальной отливки. Для такой отливки как «Царский сокольничий» проектирование ЛПС является искусством:
ЛПС должна обеспечить спокойное заполнение полости литейной формы без разбрызгивания металла, исключение эрозии формы, во избежание перегрева формы в местах подвода расплава его следует заливать через большое число тонких питателей.
С этой целью расплав производят не в массовые узлы, а в месте отливки с малым сечением.
По мере сечения по тонким каналам расплав остывает и доходит до тепловых узлов с меньшим перегревом; по возможности проектировать закрытую ЛПС т.е. такую, чтобы в направлении течения расплава площадь сечения и каналов последовательно уменьшалась; учитывать расширение струи расплава при выходе из питателя в полость формы.
ЛПС для «Царского сокольничего» выбираем так:
Один общий стояк, уходящий в нижнюю часть всадника и одновременно в две ноги лошади. На основном стояке под углом обратным серии питателей.
Выпор выполняем на задней ноге лошади совместно с согнутой задней ногой и хвоста. Все выступающие части соединяются таким образом, чтобы при выплавлении из перевернутой формы модельный состав полностью вышел. В таком случае при заполнении формы металлом не образуется воздушных мешков и пузырей.
Затем изготовленные элементы ЛПС привариваются к модели.
Изготавливают каркас из стальной обожженной проволоки в 3 мм. Каркас выполняется из расчета ,чтобы закрепить стержень с формой и чтобы в момент нанесения керамической оболочки была возможность подвесить модельный блок для подсушки на воздух.
Изготавливаем керамическую оболочковую форму на основе этилсиликата.
Используем этилсиликата 32 Дап (Технология приготовления керамической смеси).
Приготовленный модельный блок перед нанесением керамической оболочки промывают в обезжиренном растворе (спирт) для удаления жировых пятен. Затем блок окунают в приготовленную суспензию вязкостью 34-45 с(по вискозиметру В 3-4), где выдерживают при помешивании 1-3 минуты.
Далее блок извлекают и сушат при постоянном вращении в разных направлениях для равномерного стекания суспензии. Через 10-20 сек блок становится матовым в результате испарения растворителя. В это время через сито равномерно обсыпать модель слоем сухого пракаленного мелкого песка марки К 016. Использование установки кипящего слоя для сложной модели нежелательно, так как движущиеся частицы песка могут пробить тонкий слой подсыхающей пленки связующего и повысить шероховатость поверхностного слоя. Там где восковая модель имеет большие участки гладкой поверхности, это во особенности на внутренней поверхности подставки, необходимо на восковой модели выполнить специальные шпильки, ребра и т.п.
На внутренних частях стенок отливки необходимо делать сетку для того, чтобы при усадке части корки керамической не отставали. Если устанавливаются каркасы, они должны выступать из модели в обе стороны на величину не менее толщины нанесенного керамического слоя.
Первый слой необходимо просушивать на воздухе не менее 12 часов, иначе по насечки второго слоя возможно отслаивание керамической формы от модели. Второй слой наносится аналогически первому, но присыпается более крупным песком.
В дальнейшем через каждые 12-14 часов наносят слой суспензии вязкостью 25-30 по вискозометру В 3-4 и присыпают шамотной крошкой.
После5-6 слоя в суспензию добавляют асбест 10% от объема.
Тщательно перемешивают суспензию для полного стачивания асбеста (крошки) . общая толщина слоя должна быть не менее 10-12 мм. Для нанесения последнего закрепляющего слоя блок окунают в суспензию связующего раствора жидкого стекла без последующих присыпок. Удельный вес стекла 1,2.
После сушки модельный состав удаляют из керамической формы. Для блока «Царский сокольничий» изготавливают опоку стальную с цапфами для подъема ее краном. В опоку опускают готовый керамический блок и засыпают быстросохнущей смесью на жидком стекле. Смесь просушивают до полного затвердевания.
Опоку переворачивают вниз литниковой системой и удаляют модельный состав из формы.
Лучше его выплавлять направляя снизу струю перегретого пара. При этом состав послойно нагревается и выплавляется, не оказывая существенного воздействия на оболочку даже при своем расширении.
Менее удачный способ- вытапливание модельного состава в нагревательной печи. Для того, чтобы оболочка не разрушалась необходимо режим нагрева формы в печи увеличить до 12 часов, до 150 градусов, затем сделать выдержку 2-3 часа и удалить расплавленный модельный состав из печи. Затем необходимо форму прохладить до температуры 850-900 градусов.
Время прокалки формы увеличивается температура от 150 до 850 градусов в течении 12-15, чтобы уйти от коробления керамической корки.
Затем прокалка 2-3 часа при температуре 850-950 градусов. Далее форму выдерживают в печи 3-4 часа до температуры 450 градусов и заливают при температуре 350-400 градусов.
После заливки форму выдерживают до полного остывания до температуры 20-30 градусов. Выбивают форму пескоструем при температуре 20 градусов или гидропескоструем при температуре 20 градусов.
Затем отливку освобождают от ЛПС и каркасов.
Технологическое отверстие заваривают аргонной сваркой с применением электродов отлитых из данной марки материала бронзы или латуни.
В дальнейшем проводят окончательную обработку художественной отливки. Чеканка, чернение, покрытие антикарозийной смазкой.
Для упрощения отливки «Царский сокольничий» поставка по данной технологии из того же металла и крепится к основной отливке.
Композиция готова.