Лекция 4

1. Теоретические основы производства огнеупорных литейных форм.

2. Материалы форм и их свойства: вязкость, живучесть, прочность, газотворность, газопроницаемость.

3. Технология изготовления.

В настоящее время технологические приемы изготовления литейных форм процесса литья по выплавляемым моделям можно разделить на две основные группы:

 нанесение огнеупорных облицовочных (слоистых) покрытий на поверхность выплавляемых моделей, т.е. изготовление слоистых форм  оболочек;

 заполнение жидкими облицовочно-наполнительными суспензиями опок с установленными в них модельными блоками, т.е. изготовление литейных форм-монолитов.

В обоих случаях процесс затвердевания слоев или монолитов протекает по коллидно-химической схеме с аморфным, смешанным или кристаллическим состоянием вяжущих компонентов. Аморфное состояние характерно, главным образом, для органических связующих (сульфитно-спиртовой барды, масел, лаков и др.), смешанное состояние  для минерально-органических связующих (этил-силиката, щелочных силикатов, алюминатов и др.), кристаллическое состояние  для минеральных связующих (гипса и цемента).

Используемая технология литья по выплавляемым моделям в формы, изготовленные последовательным нанесением на поверхность модельных (восковых) блоков нескольких слоев огнеупорных покрытий на этил-силикатном связующем, не может быть использована при производстве отливок из сплавов золота и серебра по ряду причин.

Слои огнеупорных покрытий на этилсиликатном связующем являются проницаемыми для сплавов золота и серебра в жидком состоянии, что приводит к недопустимо высоким потерям драгоценных металлов в процессе литья.

Операции выбивки отливок из огнеупорных форм на этилсиликатном связующем и очистки весьма мелких и сложнопрофильных отливок из сплавов золота и серебра слишком трудоемки, а в большинстве случаев осуществимы только путем травления в плавиковой кислоте, которая вредна для человеческого организма.

Огнеупорные формы на этилсиликатном связующем не обеспечивают необходимой и достаточно четкой воспроизводимости рельефа моделей на отливках вследствие значительной лиофобности материала моделей по отношению к суспензиям на кремнийорганических связующих и явления "отвисания" сырых слоев оболочковых покрытий (под собственным весом).

За рубежом получил развитие процесс литья по выплавляемым моделям с применением кремнеземисто-гипсовых форм-монолитов, не имеющий вышеуказанных недостатков. Этот процесс широко используется для производства отливок из сплавов золота, серебра, платины и палладия базируясь на импортных поставках оборудования и материалов, в число последних входят формовочные кристобалито-гипсовые смеси К-90, "Суперкаст" и "Сатинкаст", изготовляемые в США.

В основе технологии изготовления литейных форм-монолитов находятся физико-химические и технологические свойства формовочных смесей, которые состоят из двух основных составляющих – наполнителя и связующего и представляют собой следующее:

суспензии из жидкой фазы – водного раствора с кислотными добавками; твердой фазы – наполнителя из огнеупорного материала (кварца, циркона, электрокорунда, оксидов магния и кальция, динаса, шамота и др.);

связующего (гипса, алюмосиликата, фосфатов и др.).

При изготовлении литейных форм-монолитов формовочная смесь проходит сложный цикл, состоящий из большого количества операций: приготовления и хранения смеси, изготовления, сборки и хранения формы, заливки металлом, охлаждения формы, отделения смеси при выбивке отливок. Поэтому формовочные смеси должны обладать следующими свойствами: текучестью, прочностью в сыром и обожженном состоянии, термостойкостью, газопроницаемостью, огнеупорностью, выбиваемостью, инертностью с заливаемыми сплавами и др.

Если материал формы реагирует с заливаемым металлом, то образующиеся продукты реакций вызывают химический пригар и являются причиной брака отливок. Формы с низкой прочностью размываются заливаемым металлом, вызывая брак по геометрии формы отливок, а мелкие частицы формы являются причиной засоров в отливках. Формы с высокой прочностью трудно разбиваются, что повышает трудоемкость при выбивке отливок и также может привести к дефектам отливок.

При литье в формы с низкой газопроницаемостью находящиеся в форме воздух и газы, выделяющиеся из расплавленного металла, не смогут удалиться через стенки формы и приведут к внутренней пористости отливок с неудовлетворительным качеством поверхности.

При изготовлении ювелирных литейных форм-монолитов применяются жидкие самотвердеющие формовочные смеси (кристобалито-гипсовые смеси К-90, «Суперкаст», «Сатинкаст», ДГА-15, КГА-4, «Ювелирная» и др.), которые состоят в разных пропорциях из оксида кремния (SiО₂) в виде кварца или кристобалита и гипса в виде полугидрата (2Са₈О₄×Н₂О). Оптимальное количество дистиллированной воды, которое нужно добавлять на 1 кг формовочной смеси, представлено в табл. 1.1.1.

Таблица 1.1.1

Количество воды для затворения формовочных смесей

Марка формовочной смеси	Количество воды, л
К-90	0,40
Суперкст	0,41
Сатинкаст	0,42

При изготовлении ювелирных литейных форм-монолитов, как правило, на резиновое основание с закрепленной на нем блок-моделью устанавливают опоку. В качестве опоки используют цилиндр из нержавеющей стали диаметром 50 – 225 мм и высотой 100  300 мм в зависимости от размеров блок-модели. Цилиндр может быть перфорирован. Опоку заливают подготовленной формо-массой и помещают в вибровакуумную установку для уплотнения формо-массы и удаления из нее пузырьков воздуха и производят вибровакуумирование при давлении 1,3 кПа в течение 120 – 180 с.

В случае некачественного проведения вибровакуумирования пузырьки воздуха адсорбируются на поверхности выплавляемых моделей и являются причиной появления на отливках шаровых наплывов.

Принципиальная схема вибровакуумной установки представлена на рисунке 1.1.3.

Рис. 1.1.3. Схема вибровакуумной установки

Установка состоит из вакуумной цилиндрической камеры высотой 350 мм и диаметром 300 мм, смонтированной на рабочем столе вибратора и форвакуумного насоса. Впуск воздуха в вакуумную камеру осуществляется посредством открывания вентиля воздушного клапана.

П

Вакуум

Вибратор

осле затвердевания формы производится вытопка из нее воска в печи для вытопки модельной массы или в прокалочной печи, оснащенной поддоном для сбора расплавленного воска. Удаление моделей из литейной формы осуществляется двумя способами:

 выплавлением с помощью пара;

 выплавлением при нагреве опок во время прокалки.

В настоящее время обычно применяется второй способ, который обеспечивает более полное удаление модельного состава из литейной формы и повышает производительность труда.

Прокалка форм производится в прокалочной печи по режимам, рекомендованным для применяемых смесей и представленным в таблице 1.1.2.

Таблица 1.1.2

Режимы прокалки для применяемых смесей

Марка формовочной смеси	Скорости нагрева для температурных интервалов, град/с
	до 120 °С	до 280 °С	до 480 °С и выше
К-90	0,020	0,025	0,025
Суперкаст Сатинкаст	0,020	0,020	0,020

Повышение скорости нагрева литейных форм в этих температурных интервалах приводит к образованию трещин, поэтому необходимо строго соблюдать режимы прокалки с помощью соответствующих средств автоматики. Максимальная температура прокаливания зависит от количества гипса в формовочной смеси и не должна превышать 800 °С, когда происходит разложение гипса и разрушение формы.

Обычно прокаливание литейных форм осуществляется в прокалочных печах по следующему режиму:

 нагрев от 20 до 150° С – 30 мин, с выдержкой при 150° С – 3 часа;

 нагрев от 150 до 300° С – 2 часа, с выдержкой при 300° С – 2 часа;

 нагрев от 300 до 750° С – 3 часа, с выдержкой при 750° С – 3 часа.

Охлаждение прокаленных форм до температур заливки 400 – 650° С также проводят со скоростью не выше 0,03 град/с.

В общем случае температурно-скоростной режим прокаливания литейных форм зависит от их массы, сложности формы получаемых отливок и подбирается в каждом случае индивидуально.

Одной из особенностей применения импортных кристобалито-гипсовых формовочных смесей является необходимость компенсации усадки обжигаемых литейных форм, происходящей за счет перехода растворимых разновидностей безводного гипса-ангидрита ( ) в нерастворимые ( ) Сопоставление температур, при которых этот переход имеет место (493  748 К), с температурами энантиотропных превращений -кварц (808  846 К), -тридимит (390 К), -тридимит (436 К) и -кристобалит (498—535 К), сопровождающихся объемным расширением, показывает, что одна из первых наиболее близка ко второй лишь в случае сочетания смеси кристобалит плюс -гипс. Это обстоятельство послужило отправным пунктом для разработки и использования кристобалито-гипсовых смесей К-90, "Суперкаст" и "Сатинкаст". Возможно, что кроме природного кристобалита (месторождение Сан-Кристобаль, Мексика) фирмы США и некоторые европейские фирмы используют также аморфный кремнезем, получаемый разложением природных материалов в щелочных средах и кристобалитизированный при температуре 1423 К и выше (в соответствии с диаграммой состояния Si0₂).

Химический анализ кристобалито-гипсовой формовочной смеси К-90 показывает, что она содержит 20,6 % CaS0₄ по отношению к массе сырого образца, что в пересчете на "сухое" соотношение составляет около 28  30 %. Общее количество Si0₂ в этой смеси (в пересчете на сухое соотношение) составляет около 70 %. Характерным для этой смеси является высокая чистота кремнеземистой составляющей (0,02 % Fe₂0₃, 0,02 % А1₂0₃, 0,01 % Ti0₂, 0,01 % MgO), а также наличие борного ангидрида В₂0₃ (0,29 %). Последнее объясняется использованием в данной смеси борной кислоты в качестве замедлителя схватывания гипса. Химический анализ кристобалито-гипсовых смесей «Суперкаст» и "Сатинкаст" показывает, что замедлителем схватывания гипса в них является бура, однако в отличие от смеси К-90 чистота кремнеземистой составляющей существенно ниже за счет увеличения массового содержания оксидов железа и др. ИК-спектры образцов формовочной смеси К-90 даны на рис. 1.1.5.

Рис. 1.1.4. ИК-спектры формовочной смеси К-90

Спектры 1-4 показали, что связям гидратных соединений полуводного и -двуводного гипсов соответствуют полосы поглощения 3440  3445 м^-1 в негидратированных и 34,1 м^-1 в гидратированных образцах смеси.

На рисунке 1.1.5 даны ИК-спектры формовочных смесей «Суперкаст» и «Сатинкаст» в гидратированном состоянии, которые отличаются от спектров смеси К-90 наличием полос поглощения асбеста.

1 – Суперкаст, 2 – Сатинкаст

Рис. 1.1.5. ИК-спектры гидратированных образцов формовочных смесей

По отношению интенсивностей соответствующих полос определены составляющие смесей «Суперкаст» и «Сатинкаст». Содержание двуводного -гипса в смеси «Суперкаст»составляет 32 %, а в смеси «Сатинкаст» – 29 %, кристобалита - соответственно 60 и 66 %, асбеста – 5 – 7 %, отсутствие три-димита.

Вязкость кристобалито-гипсовых формовочных суспензий.

С точки зрения теории, главными аргументами, от которых зависит вязкость кристобалито-гипсовых формовочных суспензий, являются фракционный состав сухих смесей, водомассовое отношение, а также механизм кинетики процесса гидратации. Однако, как показывает опыт, фракционный состав определяется требованиями к шероховатости поверхности отливок и является примерно одинаковым и постоянным для всех разновидностей кремнеземисто-гипсовых смесей, поэтому он может не включаться в состав независимых переменных всех нижеприведенных функциональных зависимостей. С большей вероятностью можно предположить, что главными независимыми переменными функций вязкости кремнеземисто-гипсовых суспензий являются их водородные показатели и время от начала затворения суспензий . При повышенных не исключена также возможность протекания локальных процессов гелеобразования аморфного кремнезема, постоянного спутника любой его кристаллической модификации, вследствие чего вязкость суспензии может очень заметно повышаться.

Таким образом, общий вид функциональной зависимости коэффи­циента вязкости суспензии

(1.1.18)

где – водородный показатель суспензии, приведенный к нормаль­ным условиям в момент времени; – время от начала затворения, мин; – водомассовое отношение суспензии, кг.

График изменения коэффициента вязкости кристобалито-гипсовых суспензий в зависимости от суспензий и времени с начала затворения представлен на рисунке 1.1.6.Установлено, что главное влияние на повышение вязкости суспензий оказывает увеличение суспензий. Кроме того, следует отметить отличие характера зависимостей для суспензий «Суперкаст» и «Сатинкаст» от К-90. Это отличие связано с временем повышения активности -ионов ( для суспензий «Суперкаст» и для суспензии «Сатинкаст», а для суспензии К-90 в среднем).

1 – смесь К-90 ( ); 2  смесь «Суперкаст» ( ); 3  смесь «Сатинкаст» ( ).

Рис. 1.1.6. Зависимость коэффициента вязкости кремнеземисто-гипсовых суспензий от и времени с начала затворения

Эмпирическая формула для определения коэффициента вязкости суспензий имеет вид:

, (1.1.19)

где – коэффициент вязкости суспензии в момент времени ;  водородный показатель суспензий в момент времени ; и  водомассовые отношения оптимальное и измеряемое соответственно.