9.6 Специальные методы изготовления моделей

Находят применение металлические так называемые выпадающие модели или части моделей, на которые наносят слой модельного состава наращива­нием или запрессовкой. По первому способу металлическую модель последовательно от 2 до 5 раз погружают на несколько секунд в расплавленный модельный состав, после чего на поверхности модели наращивается легкоплавкий слой толщиной 1,5…3 мм. Такой способ не может обеспечить точность конфигурации и размеров отливки, и поэтому используют его обычно при изготовлении моделей литни­ковых систем в опытном и мелкосерийном производстве.

По второму способу металлическую модель, как стержень, устанавливают в пресс-форму и зазор между поверхностью модели и поверхностью полости пресс-формы заполняют модельным составом. Таким способом можно получить точную модель или часть ее с металлической основой и тонким выплавляемым слоем.

Для предупреждения неточностей размеров и формы в массивных частях моделей могут быть применены вставки из модельного со­става; их изготовляют заранее и проставляют в пресс-форму перед запрессовкой модели.

Модели с искривленными отверстиями, а также со сложными по форме и расширяющимися внутри полостями обычным путем по­лучить невозможно. В таких случаях применяют один из четырех способов: изготовляют модели из нескольких отдельных частей, которые затем спаивают или склеивают; используют растворимые стержни; получают отверстия с помощью гибких резиновых стерж­ней; применяют керамические стержни.

Растворимые в воде стержни изготовляют обычно из карбамида свободной заливкой расплава в металлическую форму и затем про­ставляют в пресс-форму, фиксируются с помощью знаков. После запрессовывания модельного состава модели с находящимися в них карбамидными стержнями погружают в воду (при 20…25 ℃), где стержни растворяются в течение 30…50 минут. Продолжительность растворения стержней может быть значительно сокращена при изготовлении их полыми. При использовании карбамидных стержней следует учитывать их повышенную хрупкость и гигроскопичность.

Для выполнения криволинейных сквозных отверстий в моделях могут быть применены упругие резиновые стержни. Используют также керамические стержни из огнеупорных материалов, которые устанавливают в пресс-форму перед заполнением ее модельным составом, и они оказываются внутри модели за исключением знаков.

Модели литниковых систем в условиях опытного и мелкосерий­ного производства систем часто получают методом свободной заливки расплава модельного состава в пресс-формы, а в условиях массового производства используют металлические стояки-каркасы.

9.7 Обоснование выбора способа изготовления моделей

Выбор способа изготовления моделей основывается исходя из требований, предъявляемых к отливке, класса применяемого модельного состава и серийности производства (таблица 19).

Таблица 19 – Изготовление моделей в пресс-формах [9]

Оборудование	Операция (по степени автоматизации)	Способ запрессовки	Модельный состав	Серийность	Параметры процесса
					Температура состава, ℃		Давление запрессовки, МПа
Шприц	Ручная	Свободная заливка	ПС	Единичное и мелкосерийное производства	70 - 90		0,15 – 0,35
Шприцы пистолетного типа различных конструкций емкостью на несколько пресс-форм	Ручная	Запрессовка	ПС, Р-3, ИПЛ-2, В-1, В-2, МАИ-ЗМ, КПс-Ц	Единичное производство		40 - 60		0,1 – 0,4
Установки с шестеренными насосами	Механизированная	Запрессовка	ПС, Р-3, ИПЛ-2, В-1, В-2, МАИ-ЗМ, КПс-Ц	Мелкосерийное производство		83 - 87		-
Карусельный автомат 653, карусельные столы	Автоматизированная	Запрессовка	ПС, Р-3, ИПЛ-2, В-1, В-2, МАИ-ЗМ, КПс-Ц	Массовое и серийное производство		175 - 180		-
Рычажные, винтовые, пневматические и гидравлические прессы	Механизированная	С применением вакуума и давления	ПС, Р-3, ИПЛ-2, В-1, В-2, МАИ-ЗМ, КПс-Ц, термопласты, МПВС	Мелкосерийное и среднесерийное производство		175 - 180		10 - 12
	Механизированная	С применением давления	ПС, Р-3, ИПЛ-2, В-1, В-2, МАИ-ЗМ, КПс-Ц, термопласты, МПВС	Мелкосерийное производство		175 - 180		10 - 12

9.8 Отделка моделей и подготовка к сборке в блоки

Данная операция заключается в за­чистке заусенец и посадочной части питателей, а также обдувке сжатым воздухом, либо протирании ватой, марлей, мягкой материей для удаления с поверхности прилипших частиц модельного состава, следов смазки пресс-формы с использованием ацетона, спирта и других жидкостей. [1]

9.9 Контроль моделей, выявление и исправление дефектов

Контроль внешним осмотром не всегда бывает достаточным, поэтому особенно для моде­лей отливок типа «лопатка», «ротор» необходим контроль размерной точности использующий специальные измерительные устройства, про­фильные накладные шаблоны, линейки, скобы, калибровы.

Если на поверхности модели при визуальном осмотре выявляет­ся наличие дефектов типа раковин, трещин и так далее, то в некоторых случаях, особенно при их расположении на обрабатываемых поверх­ностях, допускается их исправление путем запаивания тем же мо­дельным составом или его заменителем. [1]

10 ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ МОДЕЛЕЙ В БЛОК

Применяют следующие способы сборки моделей в блоки:

1. припаивание моделей деталей к модели литниковой системы с помощью подогретого ножа, шпателя или специального электропаяльника;

2. соединение моделей в кондукторе с одновременной отливкой моделей литниковой системы или пайкой жидким модельным составом моделей отливок и литниковой системы;

3. механическое скрепление моделей отливок с моделью литниковой системы;

4. приклеивание моделей от­ливок к модели литниковой системы.

10.1 Сборка припаиванием

Нагретое лезвие ножа или электрического паяльника помещают между посадочной частью питателя модели и моделью литниковой системы в месте, где модель должна быть припаяна. Затем одной стороной плоской части лезвия касаются одновременно питателя модели, а другой — посадочного места мо­дели литниковой системы, оплавляя их, после чего нож быстро убирают и соединяемые части слегка прижимают одну к другой.

Можно использовать стандартные электропаяльники ЭТ-П (ГОСТ 7219—77), которые могут нагреваться до температуры 240 ℃ и выше. Наконечнику паяльника из красной меди придают форму лезвия ножа.

Для сборки мелких моделей в блоки в отечественной промышлен­ности часто применяют полые металлические стояки, на которые наращивают слой модельного состава толщиной 2 - 5 мм. Состав наносят многократным погружением стояков в расплав модельного состава (4 - 5 раз) с охлаждением после каждого погружения в тече­ние 8 - 10 минут, либо в пресс-форме.

При сборке блоков припаиванием моделей стояк закрепляют обычно в горизонтальном положении. Использование металлических стояков позволяет повысить прочность модельных блоков, упростить процесс изготовления моделей литниковой системы, сократить рас­ход модельного состава и облегчить выплавление его из форм, обес­печить удобство транспортирования, хранения и просушивания бло­ков при изготовлении оболочки.

При припаивании моделей необходимо зачищать место спая, выполняя плавные переходы от питателя на модели к сопрягаемому с ним элементу литниковой системы. [2]

10.2 Сборка в кондукторе

Сборка моделей в кондукторе позволяет устранить припаивание вручную, обеспечить прочное соединение моделей детали и литниковой системы, точно выдержать заданное положение моделей на литниковой системе. Однако высокая сто­имость изготовления кондукторов ограничивает их применение. Сборочные кондукторы следует применять для соединения в блок моделей из плохо спаивающихся модельных составов, например типа КбНк 90—10.

Сборочные кондукторы часто выполняют так, чтобы можно было совместить операцию соединения моделей в блок с отливкой модели литниковой системы. [2]

10.3 Сборка механическим скреплением

Наиболее производительным является метод сборки моделей в блоки на металлический стояк-каркас с механическим зажимом. Стояк-каркас предназначен для сборки моделей звеньями, изготовленными в многоместных пресс-формах, с частью модели стояка (втулкой).

К преимуществам звеньевой сборки на стояк-каркас по сравнению с припаиванием относятся в 10 - 20 раз большая произ­водительность и обеспечение полной повторяемости конструкции блока, разработанной технологом.

Исключается возможность сме­щения моделей, наблюдаемого при некачественной сборке припаива­нием, искажения размера питателя в результате излишнего его оплавления, непрочного присоединения моделей, образования вследствие неполного пропаивания зазора между питателем и соединяемым с ним элементом литниковой системы.

Последний недостаток может быть причиной не только отламывания моделей на последующих операциях, но и брака по засорам вследствие проникновения в зазор суспензии и образования керамических гребешков в форме на пути потока металла при заливке, а также усадочных дефектов в отливке из-за местного сужения сечения питателя.

Метод сборки на стояк-каркас с прижимным устройством с успе­хом применяется в цехах крупносерийного и массового производства отливок, на автоматических линиях, причем конструкции исполь­зуемых стояков-каркасов весьма разнообразны.

В тех случаях, когда для изготовления моделей используют материал, не поддающийся припаиванию, например, полистирол, применяют следующий метод механического скрепления моделей.

В модели литниковой системы делают паз, а на модели детали — шип в виде ласточкина хвоста или другой формы; шип на модели детали должен плотно входить в паз модели литниковой системы, чем и обеспечивается необходимая прочность соединения частей блока. [2]

10.4 Сборка моделей склеиванием

При использовании модельных составов, не поддающихся припаиванию, применяют и приклеивание моделей.

Для этого могут быть использованы клеящие вещества и растворители модельных составов. В настоящее время этот способ применяют редко. [2]

10.5 Охлаждение и хранение блоков

После сборки моделей методом спаивания, особенно при одновременной отливке элементов литниковой системы (в кондукторе), необходима выдержка для полного охлаждения всех частей модельного блока до температуры производственного помещения.

Для естественного охлаждения и хранения блоков перед нанесением оболочки их устанавливают или подвешивают на стеллажи, этажерки, подвесные конвейеры-накопители, ставят в шкафы или термостаты. Устройства для хранения модельных блоков изготовляют и устанавливают так, чтобы исключалась опасность поломки моделей и загрязнения их поверхности. Недопустимо колебание температуры.

Наиболее благоприятные условия для открытого хранения моделей и блоков создаются в цехах с изолированными от смежных участков модельными отделениями, снабженными установками для кондиционирования воздуха.

В условиях массового поточного производства целесообразно применять специальные конвейеры для охлаждения модельных блоков и передачи их на участок изготовления оболочек. [2]

11 ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ

Формовочные материалы включают основу, связующее, раствори­тели, добавки. Основа может быть пылевидной для суспензий и зер­нистой для обсыпки слоев суспензий на блоках моделей.

11.1 Основа оболочковых форм

Общие требования к огнеупорным материалам следующие: высокая огнеупорность (как правило, не ниже 1773К); низкий коэффициент термического расширения, отсутствие полиморфных превращений при нагревании и охлаждении, химическая стойкость при нагревании.

Материалы основы состоят из окислов или их соединений (таблица 20).

Таблица 20 - Материалы основы оболочки (порошка)

Материал и химическая формула	Физико-химические свойства
	Химические	tплав, °С		ρ, кг/м8		Коэффициент линейного расширения, 1/°С			Рекомендуемая поверхность пылевидного материала, м2/кг
Окислы:
Кварц кристаллический SiО2	Кислый	1713		2650		13,7 · 10-6		400 - 600
Кварц плавленый (аморфный)	Кислый	1713		2200		0,5 · l 0-6			400 - 600
Электрокорунд белый А12О3	Амфотерный		2050		3900		8,6 · 10-6	600 - 700
Окись магния (магнезит) MgO	Основной		2400		3870		13,5 · 10-6	500 - 600
Соединения окислов:
Дистен-силлиманит Al2О3-SiО2	Слабокислый		1545		3250		-	500 - 600
Циркон ZrО2-SiО2	Слабокислый		1800		4570		5,1 · 10-6	600 - 800
Высокоглиноземистый ша­мот 3A12О3-SiО2	Амфотерный		1600		3000		5,3 · 10-6	-
Муллит 3Al2О3-2SiО2	Амфотерный		1810		-		(4,54…4,5)·10-6	-
Примечания: 1 Самой низкой стойкостью в вакууме обладает магнезит. 2 Температуры плавления указаны для чистых окислов. 3 Рекомендуемая дисперсность пылевидных материалов < 50 мкм, обсыпочного материала первого слоя 0,1 - 0,16 мм и последующих слоев 0,315 - 1,0 мм. 4 Для дистенсиллиманита и муллита указаны температуры диссоциации на Аl2О3 и вязкую эвтектическую жидкость (SiO2).

Окислы. Кварцы Si0₂ используют кристаллической и аморф­ной модификации. Первый — природный, второй получают искус­ственно плавлением первого и часто называют плавленым кварцем, или кварцевым стеклом. Отличаются они строением и термическим расширением (рисунок 25).

Рисунок 25 - Схема фазовых превращений кварца

Кварц кристаллический добывают в карьерах в виде кварцевых песков — формовочных и более чистых — стекольных. При нагреве и нормальном давлении он претерпевает четыре полиморфных пре­вращения с изменением плотности (от 2650 до 2200 кг/м3).

Наиболее существенно быстропротекающее превращение при 573 °С, когда при нагреве увеличивается линейный размер на 1,4 %. Это одна из причин образования трещин в оболочках и засоров в отливках.

Превращения при 870 ℃ происходят крайне медленно и для практики литья значения не имеют. При заливке сталей и сплавов с высокой температурой плавления контактный слой оболочки нагревается до 1500 ℃ и выше, что приводит к кристобаллитизации кварца с увеличением размеров. Этим объясняется низкая термо­стойкость кварцевых оболочек.

Кварц кристаллический молотый пылевидный получают помолом чистого кварцевого песка. Предусмотрено две марки молотого пылевидного кварца (МПК) (таблица 21).

Кварц марки А рекомендуют для облицовочного (контактного) слоя оболочки, а марки Б — для последующих слоев с этилсиликатным связующим.

Mapшалит — природный пылевидный кристаллический кварц, встречающийся крайне редко, содержит 96—98% SiO₂, неодноро­ден по химическому и зерновому составу; его применять не следует.

Кварцевый песок применяют для обсыпки облицовочного (контактного) слоя марки 1К016, 1К020, а для последующих — более крупные, например, 1КОЗ 15.

Таблица 21 - Состав кристаллического молотого пылевидного кварца

Показатель	Содержание элемента в МПК марок А и Б, % по массе
	А	Б
Химический состав:
Si03, не менее	98	98
Fe металлическое, не более	0,06	0,25
Fe2O3, не более	0,05	0,15
Al2O3, не более	0,5	1,0
TiO2, не более	-	0,03
СаО, не более	-	0,15
Потери при прокаливании	0,1-0,15	0,1-0,2
Содержание влаги, не более	2	2
Зерновой состав по остатку на сите, не более:
№ 016	1,0	1,0
№ 010	2,5	2,5
№ 0063	10,0	10,0
Через сито № 005 должно пройти, не менее	85	82
Примечание - реакция водной вытяжки нейтральная.

Кварц аморфный — кварцевое стекло. Как показано выше, при рассмотрении полиморфных превращений при 1713 ℃ кристобаллит переходит в вязкое кварцевое стекло, называемое также плавленым кварцем. В отличие от кристаллического плавленый кварц представляет собой затвердевшую переохлажденную жидкость с неупорядоченным строением. Его называют аморфным.

Известны два вида кварцевого стекла: прозрачное и непрозрачное (НКС). Первое выплавляют из чистейшего кристаллического кварца и применяют для оптических приборов. Второе выплавляют из обычного стекольного или отмытого кварцевого песка. Непрозрачным оно получается потому, что содержит мельчайшие пузырьки воздуха (0,003—0,3 мм), не успевшие выйти из вязкого расплава. После рас­плавления песка и охлаждения бруса последний дробят, размалы­вают, просеивают, получают порошки НКС, которые обладают ничтожно низким коэффициентом термического расширения и высо­кой термостойкостью, в этом их преимущество перед другими окислами. Как и все аморфные вещества НКС при нагреве до температуры выше 1200 ℃ кристаллизуется уменьшением объ­ема — это его второе преимущество перед порошками окислов оболочковых форм, так как вследствие частичной кристаллизации только поверхностного слоя оболочка легко отделяется от поверх­ности стальных отливок.

Таблица 22 - Порошки НКС

Название	Обозначение	Фракция порошка
		Зерни­стость, мм	Номер сита, ограничива­ющего фракцию
Очень грубый	ОГ	1,6	2—1,6
Грубый	Г	1,0	1,6—1,0
Крупный	К	0,5	1—0,5
Средний	С	0,315	0,5—0,315
Мелкий	М	0,16	0,315—0,16
Тонкий (пылевидный)	T	0,063 и мельче	0,063 — не ограни­чено

Электрокорунд (α-А1₂О₃) получают в дуговых печах и подразде­ляют на нормальный (черный) и белый. Нормальный, получаемый восстановительной плавкой бокситов, содержит 4—6 % вредных примесей (таблица 23), снижающих его температуру плавления и химическую стойкость. Белый электрокорунд может содержать до 6 % алюмината натрия в виде относительно мягких включений. При дроблении слитков и седиментационном разделении алюминат натрия оседает в пылевидной фракции.

Таблица 23 - Химический состав электрокорунда

Марка электрокорунда	Содержание компонентов, %
	А12О3	Fe2О3	SiО2	TiО2	CaO	MgO	Na2O
Нормаль­ный ЭН (черный)	93,50- 96,08	0,7-1,68	0,64- 1,68	1,7-2,71	0,58- 0,74	0,10- 0,28	-
Белый ЭБ	99,46	0,07	0,2	-	0,03	-	0,23

Алюминат натрия со связующим SiО₂ из ЭТС при прокаливании оболочек или заливке в них расплава образуют на поверхности зерен основы соединения типов Na₃О-Al₂О₃-4SiО₂ (жадеит) с температурой плавления 1060 ℃ и Na₂О-Al₂О₃-6SiО₂ (альбит), плавящегося при температуре