Глава 14 литье в керамические формы

Американская фирма «Осборн» одной из первых, в 1949 г., разработала и испытала технологию производства отливок шоу-процессом в специально оборудованной литейной. Отливки, полученные шоу-процессом, обладают точностью ~ 0,27 мм. Этим процессом также охвачены работы по изготовлению пресс-форм для получения отливок из таких материалов, как медь и сплавы на медной, магниевой и цинковых основах, а также для пресс-форм, стекла, резины, пластмасс, штампов для холодной и горячей ковки и для высадочных операций, модельных плит и пр.

Для перечисленной номенклатуры были опробованы латунь, бронза, алюминиевые и магниевые сплавы, чугун, стали — углеродистые, нержавеющие, высоколегированные и др. Качественное получение деталей подтверждает широкие возможности шоу-процесса для различных сплавов.

2.14.1. Сущность процесса

Шоу-процесс точного литья состоит из восьми операций:

1. Изготовление увеличенной модели с учетом усадки и припуска на плоскость разъема. В безразъемных сложнопрофильных отливках, модели которых выполняются один раз (например, из воскообразных составляющих, парафина, стеарина, полистирола), припуска, связанного с плоскостью разъема, не требуется.

2. Создание модельной оснастки — верстачных ящиков. Модельная оснастка изготовляется из гипса или дерева.

3. Приготовление быстротвердеющей суспензии.

4. Выполнение точных огнеупорных форм с моделей в течение не более 3 мин. Сложнопрофильные художественные модели удаляются через литниковую систему во время вытопки, а наиболее простые, но больших габаритов извлекаются механически из открытой формы, когда масса формы находится в резиноподобном состоянии.

5. Прокаливание огнеупорных форм проводится либо в неразъемном состоянии для художественных сложнопрофильных отливок рабочим отпечатком вверх, либо в разобранном состоянии, если многокусковая форма состоит как минимум из двух частей.

6. Заливка форм металлом.

7. Очистка и обрезка отливок от литниковой системы с последующей термообработкой.

8. Контроль литья.

На примере изготовления отливки по постоянной модели покажем вышеприведенную последовательность изготовления отливки шоу-процессом.

Формовщику подается суспензия, составленная из гидролизованного этилсиликата, пылевидного кварца и песка. Консистенция суспензии позволяет свободно заливать ее в опоку, установленную на подмодельной плите, на которой находится деревянная или гипсовая постоянная модель. Внутренняя поверхность опоки и поверхность модели смазываются минеральным маслом. В подготовленную таким образом опоку заливается огнеупорная суспензия, которая спустя определенное время затвердевает (время затвердевания регулируется).

При затвердевании масса суспензии проходит через резиноподобное состояние, и в этот момент производится извлечение модели: опока с формой снимается с модели или в случае более сложной формы опока снимается в первую очередь, после чего форма разбирается по кускам, которые снимаются с модели.

Затем полученные куски вновь собираются в опоке (ящике) и поступают на обжиг. Обычно обжиг производится газовыми горелками.

Обожженные полуформы (или куски) после остывания при небольшом развесе деталей в индивидуальном производстве собираются в одну форму. Для предупреждения подъема полуформ при заливке металла блок с поверхности обмазывается (цементируется) такой же суспензией, чтобы избежать вытекания металла. Такой блок готов к заливке.

При необходимости перед заливкой собранные полуформы могут быть нагреты и залиты в горячем состоянии (тонкостенное литье). Отделение деталей от литниковой системы и зачистка остатков литников производится обычным, принятым в литейном деле способом.

2.14.1. Изготовление модельной оснастки

Модельная оснастка включает в себя сами модели и ящик или опоку, в которые эти модели помещаются для заливки их суспензией. Модель может изготовляться из любого металла или сплава, хорошо поддающихся механической обработке. Обычно применяют алюминиевые или медные сплавы, можно использовать деревянные, пластилиновые или глиняные модели.

Размеры моделей делаются с учетом усадки тех сплавов, которые должны отливаться. Часто для установления размеров моделей применяют теоретические и эмпирические методы. При получении мелкого художественного литья моделью отливки может служить сама деталь.

Модельная оснастка в основном изготовляется из гипса. Особенно часто его применяют для получения художественных отливок несложной конфигурации, форма которых позволяет собрать литейную форму из двух полуформ или небольшого количества кусков.

Сами ящики должны быть изготовлены таким образом, чтобы они определяли линии разъема на готовой огнеупорной форме, обеспечивали фиксацию изготовленных полуформ и образовывали общую литниковую систему. В целях уменьшения расхода огнеупорной суспензии внутренняя часть гипсового ящика делается такой же конфигурации, как и находящаяся в нем модель, с тем чтобы толщина стенок огнеупорной формы составляла не более 15 мм.

В случае применения одноразовых выплавляемых моделей из воскообразных материалов изготовляют значительное количество моделей, поскольку сама операция изготовления легкоплавкой модели является несложной. Обжиг форм после вытопки легкоплавких модельных составов производится газовыми горелками. При этом формы устанавливаются заливаемой поверхностью вверх.

Если форма для отливки детали должна предусматривать стержень, то он изготовляется в стержневом ящике такого же типа, какой применяется при обычном литье в песчано-глинистые смеси.

Номенклатура деталей, которые были отлиты шоу-процессом, была расширена благодаря внедрению в этот процесс гибких моделей. Эти модели, выполненные из эластичных материалов (каучук, синтетический материал), успешно изготовляются в металлических, гипсовых и деревянных формах. Благодаря применению гибких моделей могут быть вы полнены отливки с поднутрениями, при изготовлении которых обычными способами невозможно извлечь модель из формы. Хотя указанные модели часто используются в литье по выплавляемым моделям, тем не менее в литье шоу-процессом ювелирных отливок их применение мало.

2.14.3. Материалы модельной оснастки

Ни при одном виде литья не применяется так много материалов для модельной оснастки, как при литье в керамические формы (шоу процесс). Это объясняется тем, что керамическую форму получают наливным способом без приложения прессования. Следовательно, модель может быть выполнена из любого материала, в том числе из такого непрочного, как пластилин, воск, резина и т. п. В том случае, если требуется воспроизвести изделие, имеющее художественную ценность, моделью может являться сам оригинал.

Наиболее точные, с хорошей чистой поверхностью отливки получают по полированным металлическим моделям, обычно из медных или алюминиевых сплавов.

2.14.4. Материалы для керамических форм

Для изготовления керамических форм используются этилсиликаты, органические растворители, вода, кислоты, огнеупорные порошки различной зернистости, т. е. те же материалы, что и при литье по выплавляемым моделям. Новый дополнительный материал — гелеобразователь. В первом патенте на литье в керамические формы использовался спиртовой раствор соляной кислоты. В настоящее время применяют в основном щелочные гелеобразователи, позволяющие управлять процессом отверждения (структурирования) в требуемых пределах. Например, применяются:

• NaOH — 10—15 %, остальное — Н₂O,

• или КОН — 10—15 %, остальное — Н₂O,

• или N (НOСН₂СН₂)₃ (триэтаноламин) — 50 %, остальное — Н₂O,

• или NH₄ОН — 10—15 %, остальное — Н₂O,

• или тонкодисперсный порошок МgО,

• или мочевина — 20—30 %, остальное — Н₂O.

2.14.5. Составы гидролизованных растворов этилсиликата и суспензий

Суспензию изготовляют раздельным способом, т. е. сначала проводят реакцию гидролиза этилсиликата, а затем готовят порцию суспензии для заливки приготовленной модельной оснастки. Содержание условного SiO₂ в гидролизованном растворе находится в пределах 12—25 %. С увеличением в суспензии содержания этилсиликата прочность керамических форм возрастает. Как правило, гидролиз проводится в малом объеме воды при низкой концентрации соляной кислоты.

Методика расчета состава раствора и способ его приготовления такие же, как и при литье по выплавляемым моделям. Приводим типовые составы растворов (табл. 2.14.5.1).

Табл. 2.14.5.1. Типовые составы.

ЭТС-40	Вода		SiO2	HCl
40 %	4 %	Ацетон: 56 %	16,70 %	0,08 %
42 %	4,5 %	Ацетон: 53 %	18 %	0,3 %
50 %	14 %,	С2H4O6: 36 %	21,70 %	0,5 %

При приготовлении суспензии важно соблюдать:

1) соотношение жидкой фазы (гидролизованного раствора этилсиликата) и твердой фазы (огнеупорного наполнителя);

2) гранулометрический состав огнеупорного наполнителя;

3) продолжительность и скорость перемешивания суспензии.

От выполнения этих условий зависит прочность, газопроницаемость и трещинообразование затвердевшей формы. Во многом эти параметры определяются конкретным производством и подбираются эмпирически. В зависимости от состава наполнителя соотношение жидкая фаза — твердая фаза колеблется от 45 : 55 до 20 : 80. С увеличением дисперсности наполнителя доля жидкой фазы возрастает. Увеличивая долю твердой фазы на единицу связующего, можно получать суспензии с меньшей усадкой и меньшей склонностью к трещинообразованию. Однако чем больше в суспензии наполнителя, тем ниже ее текучесть и хуже воспроизводимость поверхности модели. Алексеевой предложен способ, позволяющий увеличивать в суспензии долю наполнителя до 88 %. При этом суспензия сохраняет хорошую текучесть, что достигается интенсивным ее перемешиванием в мешалках с большой частотой вращения. Интенсивность перемешивания, составы связующего и наполнителя влияют на прочностные показатели затвердевшей суспензии (рис. 2.14.5.1 и 2.14.5.2).

Рис. 2.14.5.1. Зависимость прочности при изгибе керамики от состава суспензии и интенсивности перемешивания: 1 — ручное перемешивание суспензии с наполнителем из 60 % пылевидного кварца и 40 % песка с размером песчинок 0,2 мм; 2 — то же, но перемешивание механическое; 3 — механическое перемешивание суспензии с наполнителем из 40 % пылевидного кварца, 30 % кварцевого песка и 30 % крошки плавленого кварца.

Рис. 2.14.5.2. Прочность при разрыве керамики в зависимости от концентрации SiO₂ в связующем 1 и состава наполнителя 2.

Для увеличения прочности особенно крупногабаритных форм керамику изготовляют с использованием упрочняющих добавок — буры, фенолформальдегидной и карбомидоформальдегидной смол. В сухом состоянии смолы повышают прочность в 5—6 раз, но при прокаливании выгорают, и форма разупрочняется до первоначального состояния. Бура повышает прочность после прокаливания в 2—3 раза.

Тип гелеобразователя сказывается на газопроницаемости форм. Наибольшую газопроницаемость обеспечивают гекса-метилентетрамин и пиперидин. При применении первого при добавлении гелеобразователя от 3 до 7 % газопроницаемость возрастает от 3,5 до 6,8, а временное сопротивление находится в пределах 0,51—0,43 МПа. При введении пиперидина вышеуказанные показатели изменяются: гелеобразователь — от 0,2 до 1, газопроницаемость — от 10 до 12, σ_в — от 0,48 до 0,6 МПа.

Для снижения склонности к образованию трещин во время затвердевания суспензии в нее вводят наряду с пылевидным материалом, который обеспечивает чистоту поверхности, крупный огнеупорный порошок с частицами от 0,2 до 3 мм и более (крошка). Соотношение между пылевидным и порошкообразным материалом колеблется от 4 : 6 до 8 : 2. Крошку огнеупоров размерами 3—15 мм добавляют обычно в крупные формы. Приводим один из распространенных составов суспензии.

Состав связующего: ЭТС-40 — 45,7 %, С₂Н₅OН — 17,6 %, подкисленная сода — 6,7 %.

Состав наполнителя: силиманит—100%.

Соотношение наполнителя и связующего: 56 : 44.

Гелеобразователем служит соляная кислота в спиртовом растворе. Содержание гелеобразователя в связующем от 3 до 5 % от массы связующего.

2.14.6. Гелеобразование суспензии

В суспензию непосредственно перед ее заливкой на модельную оснастку вводят гелеобразователь и все перемешивают. Иногда его вводят в связующий раствор, а затем насыпают наполнитель и перемешивают. Время огеливания является одним из важнейших технологических параметров, и в каждом конкретном случае оно различно.

Технологически время гелеобразования должно быть минимальным, но достаточным для качественного приготовления суспензии и подготовки ее к заливке на модель. Оно складывается из времени добавления и смешивания материалов, обработки суспензии (например, вакуумирования) и заливки ее на модель. При большой продолжительности процесса суспензия в форме будет расслаиваться (осаждение твердой фазы), что приведет к трещинам, особенно в верхней части формы.

Время огеливания зависит от массы и концентрации гелеобразователя, от массы и состава связующего и суспензии, времени и интенсивности перемешивания и от температуры суспензии. Соблюдение этих параметров ускоряет гелеобразование.

Учесть все факторы при выборе гелеобразователя, его концентрации и массы практически невозможно, поэтому при приготовлении партии суспензии предварительно на образце подбирают концентрацию и массу гелеобразователя.

Хорошо перемешанная суспензия содержит много пузырьков воздуха. Для их удаления применяют вакуумирование суспензии перед ее выливанием на оснастку или вакуумирование оснастки, заполненной суспензией. Время вакуумирования 30—60 с. Другим способом удаления пузырьков воздуха является вибрирование суспензии при частоте вибратора 180 кГц с амплитудой 0,1 мм. Следует отметить, что прибор для вакуумирования и вибратор можно легко изготовить самому, установив вращающийся вал с кулачком под модельной плитой, которая должна покоиться на пружинах. Частота вибратора и амплитуда легко рассчитываются, если известна скорость вращения кулачкового вала.

Оба эти приема не только освобождают суспензию от пузырьков воздуха и обеспечивают высокое качество поверхности формы, но и улучшают рельефность отпечатка, в особенности на вертикальных стенках.

2.14.7. Удаление жидкой фазы из затвердевшей суспензии

В процессе отверждения керамика достигает эластичного состояния, при котором следует снять форму с оснастки. В противном случае из-за продолжающейся усадки керамика сильно обожмет охватываемые части оснастки, что затруднит съем формы с модели и приведет к появлению трещин.

С отвердевшей формы перед заливкой металлом удаляют жидкую среду. Эта операция ответственна, так как именно при ней в форме возникают макротрещины. Учитывая нестабильность процесса жидкой фазы, используются разнообразные способы его осуществления, которые могут быть ускоренными, замедленными и комбинированными.

Наиболее широко применяются ускоренные способы, а из них — способ поджигания на воздухе. При этом удаляется 80—90 % жидкой фазы. (Оставшуюся часть удаляют при последующем обжиге.)

Замедленные способы обеспечивают равномерное удаление жидкой фазы по всему объему формы, что является основным условием получения керамики с минимальными усадкой, деформациями и трещинами. Последующая сушка должна быть достаточно умеренной.

Комбинированные способы предусматривают двухстадийную обработку, и их применяют при композайт-процессе. Первоначально облицовочный слой поджигают, а после выгорания спирта прокаливают газовой горелкой или в муфельной печи.

2.14.8. Подготовка форм к заливке металлом

В зависимости от конфигурации художественной отливки форма может состоять из одной части и заливаться в открытом виде или из двух или нескольких частей, и тогда ее заливают после сборки. Сборку формы производят склеиванием частей или их сборкой с последующим пригружением и промазыванием по периметру линии разъема.

Склеивают керамические формы суспензией на основе жидкого стекла с наполнителем — маршалитом, шамотом и т. д. Склеивание производят после обжига или обработки пламенем газовой горелки, когда формы горячие. Жидкостекольная суспензия быстро высыхает с образованием прочной связки. Если полуформа холодная, то подогревают суспензию и после ее нанесения подсушивают газовой горелкой. Склеивание производят до или после обжига в зависимости от того, в горячую или холодную форму заливают металл.

Важным технологическим преимуществом применения сборных форм помимо высокой скорости операций является то, что после обжига каждую полуформу можно осмотреть и исправить дефекты непосредственно перед заливкой. Очевидное преимущество применения жидкостекольной суспензии — более высокая прочность шва по сравнению с материалом формы.

В связи с низкой теплопроводностью керамики формы прокаливают в течение длительного времени. При прокаливании газовой горелкой (1500 °С) за 16 мин прогревают смесь керамики толщиной 10 мм. Приводим продолжительность нагрева керамики до 900 °С.

Толщина керамического слоя, мм	2	3	5	8	9	10
Продолжительность прогрева, мин	5,7	6,8	10	12	13	16

На практике время прокаливания форм пламенем газовой горелки составляет 20—40 мин. При прокаливании форм в муфельных печах их можно загружать в печь при 200—400 °C и нагревать со скоростью 5—10 °C в минуту с выдержкой при 850—900 °C около 1 ч.

Рекомендуется заливать медные сплавы в формы с температурой около 300—500 °C, л алюминиевые — 100—150 °C.

2.14.9. Последовательность операций при изготовлении отливок

В настоящем разделе приводим уточненную последовательность операций при изготовлении отливок при полной технологической и практической подготовленности по сравнению с укрупненной, приведенной в разделе «Сущность процесса».

1. Подготавливают модельную оснастку, осматривают ее и смачивают одним из разделительных составов согласно табл. 2.14.9.1.

Табл. 2.14.9.1. Разделительные составы

№ состава	Содержание компонентов, %
1	Вода — 45; машинное масло — 34; мыло — 17; парафин — 4
2	Парафин — 70; машинное масло - 30
3	Олифа — 83,5; канифоль — 5,5; вода — 11
4	Бензин — 80—90; парафин — 10—20
5	Вазелиновое масло — 50; трансформаторное масло — 35; желтый вазелин — 15
6	Скипидар —70—80; воск — 20—30
7	Керосин — 80—90; стеарин — 10—20
8	Полиэтилсилоксановая жидкость ПЭС-100 — 100
9	Полиэтилсилоксановая жидкость ПЭС-5 — 70; Керосин — 30

2. Приготавливают гидролизованный раствор этилсиликата согласно рецептурам типовых составов растворов (табл. 2.14.9.2). Приготовленные растворы можно хранить в герметичной посуде в прохладном месте 7—10 дней.

Табл. 2.14.9.2. Состав гидролизованных растворов этилсиликата

Компоненты, %
ЭТС-92	ЭТС-40	Вода	Этиловый спирт	Ацетон
46,63		6,33	23,42	23,42
60		7,5		32,5
77,8		9,34		12,44
	40	4		56
	42	4,5		53,5
	50	14	36

3. По объему заливаемой оснастки берут требуемую массу связующего и огнеупорных наполнителей. Состав суспензии выбирают по табл. 2.14.9.3.

Табл. 2.14.9.3. Составы суспензий

Номер состава	Состав связующего, %	Состав наполнителя, %	Соотношение наполнителя и связующего
1	ЭТС-32 — 60; ацетон — 32,5; вода — 7,5; соляная кислота — 0,06	Пылевидный кварц — 40; кварцевый песок — 30; крошка кварцита — 30	6,9 кг на 1 дм3 наполнителя и связующего
2	ЭТС-32 — 60; ацетон — 32,5; вода —7,5; соляная кислота — 0,06	Пылевидный кварц — 60; кварцевый песок — 40	5 кг на 1 дм3 связующего
3	ЭТС-40 — 40; ацетон —56; вода — 4; соляная кислота — 0,06	Пылевидный кварц — 60; кварцевый песок — 40	4 кг на 1 дм3 связующего
4	ЭТС-40 — 45,7; этиловый спирт —17,6; подкисленная вода — 6,7	Силлиманит — 100	56 : 44
5	ЭТС-32 — 77,8; ацетон — 12,4; вода — 9,4; соляная кислота — 0,4	Пылевидный кварц —50; кварцевый песок — 20; силлиманит (песок) — 30	3,5 кг на 1 дм3 связующего
6	ЭТС-40 — 57,4; этиловый спирт — 34,4; вода — 8,2; соляная кислота — 0,6	Пылевидный циркон — 80; цирконовый песок — 20	80 : 20
7	ЭТС-40 — 46,8; этиловый спирт — 46,8; вода — 6,4; соляная кислота — 0,7	Пылевидный циркон — 50; цирконовый песок — 50	85 : 15

Рекомендуется использовать огнеупорный материал с малым коэффициентом термического расширения (шамот, маршалит, силлиманит). Кристаллический кварц в виде песка и пыли наименее желателен.

4. В небольшую долю суспензии вводят рассчитанный объем гелеобразователя (например, спиртовой раствор НСl — 3—5 % от массы связующего или 15-процентный водный раствор NaOH — в количестве 24 см3 на 1 дм3 связующего), после перемешивания выливают в фарфоровую чашку и включают секундомер для проверки времени гелеобразования.

Объем гелеобразователя нормируют с таким расчетом, чтобы контрольная проба суспензии затвердела не более чем за 30 с после заполнения оснастки.

5. Вводят уточненный объем гелеобразователя в суспензию и интенсивно ее перемешивают. После этого суспензию вакуумируют или подвергают вибрации. Возможно вакуумировать или вибрировать суспензию в залитой оснастке.

6. Сразу же после отверждения осторожно извлекают полученную форму из оснастки.

7. Форму устанавливают на плиту под вытяжной зонд и поджигают пары спирта, выделяемые из формы.

После сгорания спирта форма покрывается сетью мельчайших трещин, которые не оказывают влияния на качество поверхности отливки, но увеличивают податливость и газопроницаемость форм. В случае появления на форме макротрещин применяют замедленный или комбинированный способ обработки форм.

8. Из отдельных обработанных частей собирают или склеивают форму.

9. Обжигают форму по принятому режиму и заливают ее в горячем или подстуженном состоянии в зависимости от вида металла и габаритов формы.

2.14.10. Дефекты отливок

Помимо дефектов, присущих литью в песчано-глинистые формы, отливки, полученные в керамических формах, имеют свои специфические дефекты. Ниже приводятся дефекты, связанные с операциями гелеобразования и обжига формы (табл. 2.14.10.1).

Табл. 2.14.10.1. Дефекты отливок

Дефект	Определение дефекта	Причины возникновения
Просечка, гребешки	Прожилки на поверхности отливки, возникшие вследствие затекания металла в трещины формы	Трещины в форме из-за повышенного содержания жидкой фазы, использования связующего с длительным сроком хранения, расталкивания оснастки, длительной выдержки огелившейся формы на модели, несоблюдения технологии приготовления суспензии, ее огеливания и обжига формы
Нарост	Шарообразные выступы	Плохое удаление воздушных пузырьков из суспензии, неаккуратная заливка суспензии в оснастку, плохое смазывание модельной оснастки
Грубая поверхность	Шероховатости, иногда грубы, на поверхности отливки	Загрязненная поверхность оснастки, прилипание суспензии к оснастке из-за плохого ее смазывания, использование грязного наполнителя

2.14.11. Композайт-шоу-процесс

К недостатку шоу-процесса следует отнести сложность технологического процесса, требующего скрупулезного соблюдения условий, таких как время, температура, состав и др., а также большой расход формовочных материалов при высокой стоимости (75 % стоимости отливок приходится на формовочные материалы).

Поэтому появился процесс, снижающий расход формовочных материалов. Он называется композайт-шоу-процессом (рис. 2.14.11.1). Основной опорный слой формы выполняют из менее дорогостоящих материалов, например шамота с жидким стеклом, по вспомогательной модели, размеры которой несколько больше размеров основной модели, или по рабочей модели, на которую накладывают слой войлока, резины или глиняной массы. Облицовочный слой получают заливкой огнеупорной суспензии в зазор между основной моделью и опорным слоем формы.

Керамические стержни используют для оформления протяженных и узких, сложных полостей или отверстий, например в узких щелях шириной 0,5—0,8 мм. Часто керамические стержни применяют при литье по выплавляемым моделям. Для этого стержни устанавливают в пресс-формы и запрессовывают модельным составом. После формообразования оболочки и выплавления модельного состава стержень остается в полости оболочки, зафиксированный в ней знаками.

Рис. 2.14.11.1. Схема изготовления комбинированной формы: а — заполнение опоки жидкостекольной смесью 2 по основной 4 и вспомогательной глиняной или войлочной модели 1, расположенной на модельной плите 5 с опокой 3; б — форма с отвержденной смесью, из которой извлечена вспомогательная модель; в — заливка суспензии 6; г — прокаливание формы газовой горелкой 7; д — форма, залитая металлом 8.