Глава 14 литье в керамические формы (шоу-процесс)
Американская фирма «Осборн» одной из первых, в 1989 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.
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.
14.1. Изготовление модельной оснастки
Модельная оснастка в основном изготовляется из гипса, реже – из дерева. 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.
14.2. Материалы для керамических форм и стержней
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.
Вышеприведенные материалы применяются при изготовлении стержней, которые 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.
14.3. Составы гидролизованных растворов этилсиликата и суспензий
Суспензию изготовляют раздельным способом. Содержание условного SiO2 в гидролизованном растворе находится в пределах 12—25 %. С увеличением в суспензии содержания этилсиликата прочность керамических форм возрастает.
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, σв — 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.
14.4. 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.
14.5. 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.
14.6. 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.
14.7. 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 разделительным составом, состоящим из 45% воды, 34% машинного масла, 17% мыла и 4% парафина.
2. Приготавливают гидролизованный раствор этилсиликата состоящим из 46,63% ЭТС-92,6,33% воды, 23,42% спирта и 23,42% ацетона.
3. Готовят суспензию из связующего и огнеупорных наполнителей. По объему заливаемой оснастки берут требуемую массу связующего и огнеупорных наполнителей. Связующее,%: ЭТС-32 — 60; ацетон — 32,5; вода — 7,5; соляная кислота — 0,06.
Наполнитель,%: Пылевидный кварц — 40; кварцевый песок — 30; крошка кварцита — 30. Соотношение наполнителя и связующего: 6,9 кг на 1 дм3 наполнителя и связующего.
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.
14.8. 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 их высокой стоимости (75 % стоимости отливок приходится на формовочные материалы, в частности, на этилсиливат).
Для повышения экономичности процесса и уменьшения расхода дорогостоящей суспензии применяют двухслойные песчано-керамические или шамото-жидкостекольные формы /3/. При этом формовку производят по двум моделям или по одной модели, но с накладным материалом. При формовке по двум моделям одна увеличенная модель служит для получения, например, шамото-жидкостекольные формы, размеры полости которой больше размеров основной модели, формирующей керамическую облицовку, на 5—10 мм. Изготовленная песчано-жидкостекольная форма накладывается на модель изделия, и в образовавшийся зазор через отверстие заливается суспензия. Вместо формовки по двум моделям может быть применена формовка по одной модели с накладным мягким материалом, например, войлоком, резиной или глиняной массы. Схема изготовления комбинированной формы приведена на рис. 14.8.1
Основной опорный слой формы выполняют из менее дорогостоящих материалов, например шамота с жидким стеклом, по рабочей модели, на которую накладывают слой войлока. Облицовочный слой получают заливкой огнеупорной суспензии в зазор между основной моделью и опорным слоем формы.
Рис. 14.8.1. Схема изготовления комбинированной формы: а — заполнение опоки жидкостекольной смесью 2 по основной 4 и вспомогательной 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./3/