3.6. Приготовление составов огнеупорного покрытия

Составы огнеупорного покрытия характеризуются повышенной прочностью и высокой огнеупорностью, что обеспечивает отсутствие пригара на поверхности отливок из любых сплавов.

К недостаткам этих составов относится взаимодействие со стеарином модельных составов. Этилсиликат проникает в стеарин поверхностного слоя моделей, из него выделяется кремнезем, который после выплавления модели и прокаливания может оставаться на стенках форм в виде белого налета, называемого обычно пеплом или пушком. Оставшийся в форме налет образует засоры в поверхностном слое отливок. Кроме того, эти составы дороже, чем другие, из-за высокой стоимости этилсиликата. Для некоторого снижения расхода этилсиликата часть пылевидного кварца заменяют более крупным кварцевым песком. В этом случае состав огнеупорного покрытия выглядит следующим образом: на 25 – 32% гидролизованного раствора этилсиликата добавляют 48 – 50% пылевидного кварца и 20 – 22% кварцевого песка. Приготовление состава огнеупорного покрытия производят смешиванием необходимого количества жидкого связующего и твердых огнеупорных материалов. При небольшом количестве приготовляемого состава смешивание производят вручную. В производственных условиях применяют механизированные мешалки.

На рис.3.6.1 показана винтовая мешалка. Смешивание производят в сосуде для смешивания емкостью 15 л, установленном в резервуаре, охлаждаемом водой. Перемешивание производится вращением находящегося в защитном кожухе винта, приводимого в движение электродвигателем. Преимущество такой конструкции — легкое снятие перемешивающего устройства и удобства очистки сосуда.

Рис. 3.6.1. Винтовая мешалка для приготовления огнеупорного покрытия.

Механизированные мешалки применяют не только для приготовления покрытия, но и при нанесении покрытия на модельные комплекты. Для индивидуального производства используют более простой смеситель — пропеллерную мешалку (рис.3.6.2). При небольшом объеме производства применяют ручное перемешивание (взбалтывание) в обычных бутылях. Так как реакция гидролиза ЭТС идет с выделением тепла, то при перемешивании контролируют температуру раствора, которая не должна превышать 40—50 °С. Для этого этилсиликат вводят постепенно и раствор по мере необходимости охлаждается.

Суспензию можно приготовлять в отсутствие дорогостоящего этилсиликата — на жидком стекле.

Технология приготовления суспензии

Существует два способа приготовления суспензии на этилсиликате.

При раздельном способе предварительно готовят гидролизованный этилсиликат, затем в него вводят огнеупорную составля­ющую при постоянном перемешивании. Суспензию выдерживают в течение получаса до полного удаления из нее пузырьков заме­шанного воздуха.

При совмещенном способе в этилсиликат сначала вводят ра­створитель (гидролизный спирт, ацетон или изопропиловый спирт) при непрерывном перемешивании. Затем добавляют 70— 80 % от общего количества огнеупорного материала и перемеши­вают в течение 10—15 мин, далее вливают воду, подкисленную соляной или азотной кислотой, продолжая перемешивать в тече­ние 30—40 мин. Наконец, добавляют оставшуюся часть огнеупор­ного материала и специальные добавки (глицерин, борную кис­лоту и др.), перемешивают в течение 10—15 минут.

Для приготовления жидкостекольной суспензии в жидкое стек­ло добавляют сначала огнеупорную глину (глинозем или шамот), а затем пылевидный кварц. Огнеупорные составляющие вводят при непрерывном перемешивании в течение часа. Для улучшения тех­нологических свойств суспензию выдерживают в течение 5—8 мин для удаления пузырьков воздуха.

Огнеупорные суспензии (этилсиликатные и жидкостекольные), рекомендуется готовить в специальных установках, у которых скорость вращения крыльчатки составляет 2500 об/мин.(Рис.3.6.2.). В настоящее время используют быстроходные мешалки с водоохлаждаемой ёмкостью (Рис. 3.6.3). в этом случае время приготовления составляет 45 - 60 мин.

Рис.3.6.2. Пропеллерная мешалка для

приготовления суспензии

Рис.3.6.3. Бачок для приготовления суспензии 1 — лопастной смеситель; 2 — бачок с двойной рубашкой; 3 — ось для поворота бачка.

Преимущества конструкции мешалки для второго способа (рис.3.6.3) заключается в том, что перемешивающий механизм не уменьшает сечения внутреннего резервуара. Перемешивание производят до получения равномерного состава покрытия и удаления из него пузырьков замешанного воздуха. После чего суспензию выпускают из бачка путем его поворота на определенный угол.

Нанесение огнеупорного покрытия на модели

Огнеупорное покрытие состоит из нескольких слоев, последовательно нанесенных один на другой. Количество слоев определяется и размерами моделей и модельного комплекта, применяемыми материалами (связующие и твердые огнеупоры), типом и материалами литейной формы. Количество слоев огнеупорного покрытия может колебаться от 3 (для небольших моделей) до 12 (для более крупных моделей и модельных комплектов).

Для изготовления литейных форм с жидким наполнителем (глиноземистым цементом и др.) достаточно иметь уменьшенное количество слоев огнеупорного покрытия на ЭТС (2—3 слоя).

Перед нанесением огнеупорного покрытия обезжиривают поверхности модели или модельного комплекта с целью удаления смазки пресс-форм, жира от рук и т. д., остающихся на поверхности моделей.

Обезжиривание производят окунанием блока моделей в 1,5-процентный раствор нейтрального мыла или в жидкости, растворяющие жиры (спирт, ЭАФ или ацетон). После обезжиривания модели промывают в чистой воде и просушивают.

Рис.3.6.4. Пропеллерная мешалка для получения огнеупорно­го покрытия:

1 — наруж­ный резервуар; 2 — резер­вуар для смешивания;

3 — двухлопастной винт; 4 — предохра­нительная решетка; 5 — вал;

6 — выпускной кран; 7 — элек­тродвигатель.

Нанесение огнеупорного покрытия на ЭТС состоит из трех основных операций:

1) нанесение покрытия;

2) обсыпка пленки покрытия;

3) сушка.

Для нанесения суспензии блок с моделями погружают в бачок с суспензией. Затем блок извлекают из бачка, вращают и поворачивают во все стороны до полного смачивания поверхности восковок. Затем дают стечь избытку суспензии. Смоченный суспензией блок в пропеллерной мешалке (рис. 3.6.4) обсыпают песком либо погружают блок в пескосып с кипящим слоем (рис. 3.6.5). Интервал для сушки очередного слоя на воздухе составляет 10–25сек. Модельный блок после последнего погружения обсыпают зернистым огнеупорным материалом. Если предусмотрено вытапливание модели в горячей воде, жидкостекольное покрытие закрепля­ют 18%-ным водным раствором хлористого аммония, подкислен­ного 0,3%-ной соляной кислотой. Для закрепления покрытия мо­дель после нанесения очередного слоя погружают в бачок с закре­пителем на 40—90 с. Обычно наносят от 3 до 5 покрытий.

Пескосып с кипящим слоем представляет собой металлический цилиндр (п. 1), разделенный горизонтальной металлической сеткой (п. 4), на которую уложен войлок толщиной 5—8 мм (п. 3). Под войлочной прокладкой создают давление. Сверху перегородки насыпан песок (п. 2). Воздух, проходя через песчаный слой, поддерживает его во взвешенном состоянии. К смоченному эмульсией блоку прилипают песчинки кипящего слоя и образуют тонкий слой оболочки панцирного типа. Затем операции по нанесению покрытия повторяют. Однако нанесение следующих слоев оболочки проводят после сушки предыдущего слоя.

Рис. 3.6.5. Пескосып с кипящим слоем:

1 — цилиндр; 2 — песок; 3 — войлок; 4 — металлическая сетка; 5 — труба для сжатого воздуха.

Сушка и отверждение покрытия

Каждый слой покрытия подвергают сушке на спокойном воздухе, или в шкафу с принудительной циркуляцией воздуха, или в аммиачной среде.

Сушка на воздухе продолжается 5—6 ч. При использовании принудительной циркуляции воздуха вентиляторами время сушки сокращается в 1,5—2 раза.

Еще больше сокращает время сушки применение аммиачных паров. В этом случае сначала производят подсушивание блока на воздухе в течение 20—30 мин, затем в парах аммиака 20—30 мин и затем вновь на воздухе в течение 20—30 мин для удаления паров аммиака.

Таким образом, сушка или отверждение покрытия производится по технологии, при которой из связующего удаляется жидкая фаза. При этом связующее превращается в студенистую массу, а затем в гель. Отверждение ЭТС связующего происходят при испарении содержащей жидкости, затем проходит гидролиз и поликонденсация. ЭТС, который отверждается малым количеством воды, отверждается в атмосфере влажного воздуха с добавлением паров аммиака. Возможна технология отверждения в атмосфере влажного воздуха (см. номограмму, рис. 3.5.1), В этих условиях завершается реакция гидролиза. Этилсиликат, отвержденный большим количеством воды в отсутствие органического растворителя, осуществляется в сухой воздушной атмосфере. При определенном составе связующего, при оптимальных влажности воздуха и температуре время отверждения может находиться в диапазоне от 0,5 ч до нескольких часов. В настоящее время применяется вакуумно-аммиачная сушка, где продолжительность сушки резко сокращается. Таким образом огнеупорное покрытие на основе этилсиликата можно высушить на воздухе за 4 – 10 часов в зависимости от числа слоёв, размеров и сложности модели. Продолжительность воздушно-аммиачной сушки 1 – 3,5 часа, вакуумно-аммиачной сушки – 15 – 30мин.

После нанесения и сушки всех слоев покрытия верхний торец модели (торец литниковой чаши) очищают от натеков покрытия и песка и модельный комплект направляют, в зависимости от принятого технологического процесса, на дальнейшие операции — выплавление модельного состава или формовку.

В настоящее время для формирования керамической оболочки огнеупорное покрытие подвергают воздушной, воздушно-аммиачной или вакуумно-аммиачной сушке. Огнеупорное покрытие на основе этилсиликата можно высу­шить на воздухе за 4—10 часов в зависимости от числа нанесенных слоев, размеров и сложности модели. Продолжительность воздуш­но-аммиачной сушки 1,0—3,5 ч, вакуумно-аммиачной сушки — 15—30 мин.

Выплавление модельного состава

При небольшом количестве изготовляемых отливок, что чаще всего встречается в художественном литье по выплавляемым моделям, может быть применена простая конструкция шкафов для аммиачной сушки, в которых внизу устанавливают сосуд с аммиачной водой. Воздушная сушка может производиться вне шкафа или в шкафу при закрытом сосуде с аммиачной водой и включенной вентиляцией. Для аммиачной сушки открывают сосуд с аммиачной водой, аммиак испаряется, и пары его просушивают покрытие. Открывание и закрывание сосуда с аммиачной водой производят устройством, управляемым снаружи.

Согласно схеме технологического процесса (рис.2.1) модельный состав выплавляют преимущественно после нанесения на модель огнеупорного покрытия. Если формы заформованы глиноземистым цементом (по-сырому), выплавление моделей производят после заформовывания оболочек с наполнителем, схватывания цемента или цементной подушки и сушки.

Блоки вытапливают в горячей воде (рис. 3.6.6) или в расплавленном модельном составе, горячим воздухом в вытопном шкафу, либо горячим воздухом и паром в автоклаве. Метод вытапливания легкоплавкого модельного состава зависит от схемы технологического процесса по выплавляемым моделям.

Рис. 3.6.6. Емкость для выплавления модельного состава в индивидуальных условиях./9/

Существуют три основные схемы технологического процесса: А — оболочковый способ, Б — оболочково-опочный метод и В — опочный метод. При серийном изготовлении отливок малой пластики существует и механизированный способ, который заключается в том, что вытопка и прокаливание оболочки и заливка осуществляются на подвесном конвейере в кипящем слое песка.

Наиболее простым способом является выплавка модельного состава в горячей воде. Как было указано ранее, процесс выплавки начинают с очистки торца литниковой чаши от оболочки. Затем блок опускают в воду, нагретую до 90°С. Размягчение и вытапливание проходит в течение 15—20 мин. На протяжении этого времени блок поворачивают в разные стороны, извлекают металлический стояк и выливают остатки модельной массы. При выплавлении горячей водой могут образовываться устойчивые эмульсии. Поэтому в воду добавляют от 0,1 до 0,2 % контакта Петрова или состав ОП-10. При удалении легкоплавкого состава в горячей воде прочность оболочковой формы снижается, а иногда она может и разрушиться. Выплавление в горячей воде применяют только для получения оболочковых и оболочково-опочных форм при применении модельных составов, имеющих температуру плавления ниже температуры горячей воды. В индивидуальных условиях выплавление производится в обычной емкости (рис. 3.6.6). В производственных условиях применяют установку с опускающейся корзиной.(Рис. 3.6.7).

Рис. 3.6.7. Установка для выплавления модельного состава горячей водой с опускающейся корзиной: 1 — ванна с водой; 2 — электронагреватель; 3 — отделитель модельного состава; 4 — модельный комплект; 5 — корзина; 6 — противовес.

Оболочки после выплавления поступают на сушку и прокаливание или на доформовывание и прокаливание; во втором случае сушка оболочек не обязательна. При сушке оболочки нагревают до 150—200 °С со скоростью 80—100 °С в час. Время сушки составляет 1,5—2,5 ч. Сушку оболочек производят в печах при 200—300°С или в струе горячего воздуха.

Как правило, в художественном литье применяется выплавление горячей водой. При этом способе модельный состав выплавляется у поверхности огнеупорного покрытия раньше, чем прогреется и расширится вся его масса, поэтому он не разрушает огнеупорную оболочку.

При выплавлении моделей в отработанном жидком модельном составе оболочка отверждается и впоследствии может заливаться металлом без поддерживающего слоя. Приводим температуру и продолжительность удаления модельного состава при разных теплоносителях.

В воде при температуре 90 °С модельный состав удаляется за 15—20 мин.

В отработанном модельном составе при 120—135 °С модельный состав удаляется за 8—15 мин.

Выплавление модельного состава горячим воздухом произво­дят в специальных установках при температурах 120—200°С в течение 10—20 мин. Возврат модельного состава равен 80—90 %. В камерных сушилах удаление моделей продолжается в течение 6— 8 ч при температурах 110—120 °С.

Модели из гипсо­вых форм выплавляют обычно в паровой камере под давлением 0,025 МПа в течение 3—4 ч.

Во избежание разрушения в процессе заливки металлом фор­мы предварительно заформовывают в опоках и прокаливают. В качестве опорного материала используют сухой крупный кварцевый песок или дробь. Для уплотнения песка фор­мовка производится с вибрацией опоки. Последующий нагрев до 850—950°С осуществляется в течение нескольких часов. Заливка металла в горячие формы позволяет получать тонкостенное литье. Для сокращения продолжительности прокаливания повышают тем­пературу прокалки до 1200—1300⁰С, при этом продолжительность прокаливания сокращается до 10—30 мин.

Гипсовые формы для литья алюминиевых сплавов рекоменду­ется прокаливать при температуре 600 °С в течение 3—12 ч, для литья медных сплавов — при температуре 700 °С в течение 5—20 ч, для литья магниевых сплавов — при температуре до 500 °С в тече­ние 12—15 ч.