Совершенствование технологии изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям

Одной из актуальных задач современного машиностроения является разработка и внедрение новых технологических процессов производства заготовок, с целью снижения их себестоимости и повышения качества.

Метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) имеет ряд преимуществ перед другими способами получения отливок. Благодаря этому он получил значительное распространение в машиностроении и приборостроении. Использование неразъемной керамической формы позволяет получать отливки с высокой точностью размеров (до 9−10 квалитета) и чистотой поверхности (от Кг =20мкм до Яа = 1,25 мкм.). Заливка металла в, предварительно прокаленную, горячую форму, повышает его жидкотекучесгь и проливаемость стенок формы. Указанные преимущества метода ЛВМ, дают возможность изготавливать сложные тонкостенные отливки, максимально приближенные по размерам к готовой детали, из любых литейных сплавов, в том числе тугоплавких и трудно обрабатываемых.

Значительное влияние на качество и себестоимость заготовок, получаемых методом ЛВМ, оказывает качество многослойных неразъемных керамических форм. Производственный опыт показывает, что низкая прочность форм приводит к повышенному браку отливок: по керамическим засорам, дефектам поверхности («гребешкам», наплывам), прорывам форм при заливке металла и др. Значительны потери самих форм на различных технологических операциях (вытопка моделей, формовка, транспортировка и.т.д.). Учитывая высокую себестоимость ЛВМ, работы по улучшению качества керамических форм весьма актуальны.

Настоящая работа посвящена повышению качества многослойных неразъемных керамических форм из наиболее распространенных, органических этилсиликатных суспензий.

Целью работы является повышение качества и снижение себестоимости керамических форм и получаемых в них литых заготовок за счет совершенствования технологии производства керамических форм для литья по выплавляемым моделям.

Объект научного исследования — техническая керамика на основе кремнезема для форм литья по выплавляемым моделям.

Предмет научного исследования — технологический процесс изготовления многослойной керамической оболочковой формы.

В первой главе приведен обзор известных технологий производства форм, для ЛВМ. Дан анализ существующей теории изготовления форм и приведены отклонения от теоретической схемы, встречающиеся в практике заводов. Рассмотрены причины появления основных видов дефектов отливок и форм и, известные из литературы, способы борьбы с ними. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе представлены оборудование и методики, которые были использованы в процессе проведения исследования и математической обработки результатов.

В третьей главе исследовано влияние серной кислоты на процесс формирования слоя суспензии. С помощью стандартных и специально разработанных экспериментальных методик исследовано влияние серной кислоты на: скорость твердения и трещиноустойчивость слоя суспензии, испарение растворителя, жидкотекучесть суспензии. На основании полученных данных сделан вывод о существовании кислотной активизации связующих свойств этилсиликата.

Четвертая глава посвящена исследованию процессов, протекающих в безводных ацетоновых растворах этилсиликата (ЭТС), под влиянием различных факторов. Рассматривается вопрос о возможности исследования кислотной активизации этилсиликата и процессов полимеризации молекул 8102, с использованием метода оценки опалесценции (окрашивания) растворов.

В пятой главе определены причины возникновения массового брака по керамическим засорам в отливках, наиболее характерного для технологии с 6 аммиачиым упрочнением слоев формы. Даны рекомендации по снижению этого вида брака.

В шестой главе предложен способ уменьшения склонности к трещинам керамики лицевого слоя формы. Разработана технология изготовления керамических форм, из ацетоновой суспензии, обеспечивающей высокую прочность керамики форм и низкий уровень брака по засорам.

В заключении обобщены наиболее важные выводы, полученные в работе.

1 Литературный обзор

4.2 Результаты исследования опалесценции ацетоновых растворов ЭТС.

Установлено, что H2SO4 обеспечивает наибольшую пропорциональную ее количеству, скорость опалесценции (рис 4.3). С гораздо меньшей скоростью опалесценция развивается под влиянием соляной кислоты (рис 4.4). Причем влияние этой кислоты нелинейно. В многократных оценках максимальную скорость опалесценции наблюдали при 0,3% HCl к раствору или 0,9% к ЭТС. В монографии Я. И. Шкленника и В. А. Озерова приведено влияние соляной кислоты на прочность керамики, изготовленной из суспензии полученной раздельным методом, на растворах гидролизованных малым (10%) количеством воды [2, стр 252, фиг 167]. Сопоставляя кривые изменения опалесценции в растворе ОРГ-О (рис 4,4 кривые 1и 2) и прочности керамики (рис 4.4, кривая 3) из монографии [ 2 ], нетрудно обнаружить что они практически идентичны: максимальная скорость опалесценции и максимальная прочность наблюдаются при содержании HCL 0,6−0,9% к ЭТС.

Влияние серной кислоты на опалесценцию раствора ОРТ-О 10 8 цШ 0.

0 у о—- о 2,5 п / с э 0,5.

А.

СсГ.

0.0 0.4 0.8 1.2.

Н2804, % в растворе.

Цифры у кривых — время выдержки растворов, час. Рис. 4.3.

Влияние соляной кислоты на опалесг^енциюраствора ОРГ-О.

JU d.

5 LU О.

9 8 о.

1—.

СО 7.

— с 7.

— Л н u й о °.

X Т о.

Q. — EZ с у? / * * * ^ i % «» «.

V «1 1 *.

2' «ч.

2,5% ч L Ч Jfc. N ч ч 3 2 1.

0 2 4 6.

Содержание HCl в растворе, % * 10.

Опалесценциякривые 1и2 (цифры — время выдержки раствора, час.) Прочность прокаленных образцов — кривая 3, данные из монографии.

2,стр252,фиг167] Рис. 4.4.

Повышение температуры увеличивает скорость опалесценции (рис 4.5).

Влияние температуры на опалесценцию безводных растворов ОРТО 10 9 8 3 с- 7 сШ.

6 5 4.

10 15 20 25 30 35 Температура°С.

Цифры у кривыхвремя выдержки раствора, час.

Рис. 4.5 .

Испарение ацетона из безводных этилсиликатных растворов с 12% 8102 и разной степенью окрашенности идет с одинаковой скоростью до уровня 18−20% 8Ю2 (рис. 4.6).

Далее скорость испарения снижается пропорционально степени окрашенности раствора. Вероятно, при 18 -20% 8Ю2 на поверхности испарения начинает формироваться пленка 8Ю2, затрудняющая диффузию ацетона. Скорость формирования и плотность такой пленки повышается с увеличением степени окрашенности растворов, т. е. с увеличением размеров молекул 8Ю2 .

Снижение при скорости испарения растворителя было отмечено и при выдержке суспензий, (рис 4.7).

Влияние выдержки суспензии на скорость сушки.

100×80 о з: 60 о.

•^о.

40 к" о о 20 о ш т 0.

0 40 80 120 160 Время, мин.

Цифры у кривых — время выдержки Рис. 4.7 ч ч ^ —.

1 ч. — 3 ч.

4.3 Влияние выдержки растворов на свойства приготовленной на их основе керамики.

Растворы ЭТС и ацетона с 14% 8Ю2 содержали :1,2% Н2804 и 1,8% НС1 / ЭТС. Суспензии из этих растворов готовились через 15 и 90 минут, через 24 и 72 часа. Ранее было установлено, что суспензии из выдержанных и значительно окрашенных растворах (5−10 балл) нельзя интенсивно перемешивать (3000 об/мин) — они сворачиваются (огеливаются). Поэтому в рассматриваемом опыте перемешивание осуществлялось при частоте вращения мешалки 1000 об/мин.

71 температура суспензии при таком перемешивании была не больше 26−27°С. Сушка слоев суспензии производилась на воздухе, упрочнение в аммиаке. Наиболее отчетливо влияние выдержки растворов (рис 4.8-А) и суспензии (рис 4.8-В) проявилось при оценке межслойной прочности. Выдержки до двух суток увеличивают прочность, более длительные выдержки приводят к ее снижению. Аналогичное влияние выдержки растворов, гидролизованных малым (ОРГ-1) и средним (ОРГ-2) количеством воды и содержащих 0,3% НС1, было установлено ранее [ 86, 2, стр 245, фиг 159 ] и представлено на рис 4.8, кривая Б. На прокаленной керамике увеличение прочности за счет выдержки выше, чем на сырой. Авторы работы [2 ] считают, что положительное влияние выдержки растворов ОРГ-1 и ОРГ2 вызвано активизацией негидролизованной части ЭТС, за счет воды выделяющейся в процессе поликонденсации. По мнению автора данной работы, в процессе выдержки, частично гидролизованных растворов и суспензий происходит кислотная активизация негидролизованной части ЭТС.

Влияние выдержки растворов (А и Б) и суспензии (В) на прочность прокаленных образцов.

10 о 8 со.

С 6 Л X т о.

СИ 0 в з * *. * / * / ¦я, А со.

0 1 Время, 1д час.

1 10 24 48 72.

Время, час.

А и В — данные автора по межслойному отрыву (цифры у кривой. А — цвет р-ра в баллах) — Б — данные из монографии [2, стр. 245, фиг. 159].

Рис. 4.8.

Термические кривые (рис 4.9) показывают, что скорость кислотной активизации (кривая 1) значительно ниже гидролизной (кривая 2). Кислотная активизация («дозревание» суспензии) идет медленно: при комнатной температуре до 10 и более часов. Поэтому выдержка растворов и суспензий приводит к росту прочности керамики Выдержка повышает не только прочность, но и трещиночуствительность суспензий. Этот эффект был использован в производственных условиях и подтвердился на заводе «Сельмаги» г. Киров, в качестве временного приема подавления трещин лицевого.

73 слоя (см. Приложение 2). Надежно и технологично проблему трещин лицевого слоя следует решать правильным выбором состава и технологии приготовления суспензии, суспензии. Известно [51], что при идентичных параметрах технологии (состав органической суспензии, условия сушки слоев) формы изготовленные на конвейерных линиях центролитов, в сравнении с формами ручного покрытия, менее прочны, в гораздо большем количестве разрушаются при вытопке моделей в горячей воде. По мнению автора работы, различия в свойствах и коэффициенте выхода годных форм определяется организационными различиями технологических процессов. Конвейерное производство предусматривает непрерывное обновление суспензии. Следовательно все слои оболочки формируются из «недозревшей» суспензии, обеспечивающей пониженную прочность.

В цехах с ручным покрытием моделей, расходующим один или два замеса суспензии в течение двух смен происходит «дозревание» суспензии и увеличение прочности от первого к последнему слою. В результате средняя прочность керамики форм значительно выше чем на центролитах.

Изменение температуры в ацетоновых растворах ЭТС т,°с.

40 35 30 25 20 15.

0 10 20 30.

Время, мин.

1 — раствор ОРГ-О (0% Н20 / ЭТС) — 2 — раствор ОРГ-3 (30% Н20 / ЭТС) Раствор содержит: БЮ2 — 14%, НС1- 1,5%, Н2804 -2,0% / ЭТС-40.

Рис. 4.9.

Данные приведенные в разделе 4 дают основание сделать следующие выводы:

1. Линейные макромолекулы обеспечивающие высокие прочностные свойства керамики из суспензий типа ОРГ-1 (волокнистое армирование) образуются путем полимеризации продуктов кислотной активизации ЭТС.

2. В растворах типа ОРГ-1 и ОРГ-2 сосуществуют два вида активизации ЭТС: доминирующий гидролизный и кислотный, активизирующий негидролизованную часть ЭТС.

3.В отличие от гидролиза, кислотная активизация идет с малыми скоростями, в течение нескольких часов. В результате происходит 2 1.

75 постепенное «дозревание» готовой суспензии, сопровождающееся ростом прочности и трещиноустойчивости керамики форм.

4. Выбор оптимальных составов и технологий приготовления суспензии должен осуществляться с учетом особенностей кислотной активизации ЭТС по п. п 1−3.

Информация полученная в разделах 3 и 4, позволила перейти к решению практических задач: а) определению причин массового засорного брака в цехах с аммиачным упрочнением — б) поиску оптимальных технологий изготовления форм.

5 Причины массового брака по керамическим засорам в ЛВМ.

Массовый брак по керамическим засорам (до 50 и более %) был обнаружен на двух заводах (заводы 1 и 9, табл. 1.2), применяющих аммиак для упрочнения (отвердения при сушке) слоев керамических форм. Технологии изготовления керамических форм на обоих заводах идентичны по ряду признаков: использование в суспензии серной кислоты, одинаковое время воздушной сушки (40 минут) и обработки аммиаком (20 минут). Исследование было выполнено на одном из этих заводов (завод 1 -ГПО Боткинский завод), но его результаты, по мнению автора данной работы, могут быть использованы для второго и ряда других заводов использующих аммиак и серную кислоту.

Для изготовления форм JIBM на заводе использовали суспензию, включающую раствор ацетона и ЭТС-40 в соотношении 2:1 (14% SiC^ в растворе), 1,8% HCl и 1,2% H2SO4 к ЭТС. Воду в суспензию не вводили так как она резко увеличивала склонность лицевого слоя к трещинам. Каждый слой сушили на воздухе в течение 10−20 минут, затем производили вакуумно или воздушно — аммиачную обработку в течение 20 минут.

Результаты полученные при испытании пневмоочищающих устройств (см. гл.1) показали, что массовый брак по засорам определяется не внешними, а внутренними источниками сора. Такие засоры можно назвать эндогенными .

Исследование причин образования эндогенных засоров было начато с исследования под бинокулярным микроскопом шлифов с засорными дефектами. Исследование шлифов показало, что большинство засоров состоит из пылевидного кварца, используемого в суспензии, и песка, применяемого для обсыпки ее слоев. Отдельные засорные дефекты имели характерное для слоя расположение пылевидного кварца и обсыпочного песка. На наиболее неблагополучной поверхности — внутреннем дне стального стакана засоры обнаруживались, как на поверхности (рис. 5.1, варианты «а» ," б"), так и под коркой металла (рис. 5.1, вариант «в»). Полости поверхностных засоров имели либо форму кратеров (вариант «б»), либо овальные края (вариант «а»), т. е. признаки вдавливания частиц керамики в пленку окислов, обычно имеющуюся на поверхности жидкого металла, или в тонкую, характерную для начала затвердевания, корочку металла. Подкорковые засоры (вариант «в») соединялись с поверхностью каналомгазовым свищом.

Поверхностные (а, б) и внутренние (в) засоры на дне стального стакана. в, а б.

Рис. 5.1.

Рассмотренные признаки засоров позволяли предположить следующую схему их образования. В момент заливки металла лицевой слой, слабо связанный с остальнымиопорными слоями, на отдельных участках отслаивается под действием термических напряжений и (или) термического расширения газов, имеющихся или образующихся в керамике форм. Косвенными подтверждениями участия газов в этом процессе являются признаки вдавливания засорных осколков в поверхность- «утапливание» осколков в жидком металле с последующим выходом газов через свищиположительное влияние низкотемпературного предварительного обжига форм (см. выше). Низкотемпературный обжиг при 350−500°С приводит к частичному или полному выжиганию остатков модельного состава, что, как известно, снижает количество сажистого углерода, образующегося при прокалке форм из остатков модельного состава и оседающего в порах керамики. В результате уменьшается газовыделение при заливке в формы стали, особенно, слабораскисленной.

В соответствии с предполагаемой, изложенной выше схемой, массовый брак по засорам может возникать в том случае, когда технология изготовления форм обеспечивает низкую прочность сцепления первого и последующих слоев. Информацию об исследовании межслойной прочности керамики форм ЛВМ в литературе обнаружить не удалось. Для количественных оценок этого показателя форм ЛВМ была применена методика оценки межслойной прочности (см главу 3).

При испытании на межслойный отрыв образцов керамики, снятой с отливок установлено: а) межслойная прочность менялась в широких пределах — от 0,02 до 0,8 Мпаб) отрыв практически всегда происходил по границам обсыпочного песка первого слоя: иногдапо внешней поверхности суспензии первого слоя (рис5.2-линия «а») и в большинстве случаев — по внутренней поверхности суспензии второго слоя (рис. 5.2-линия «б») — в) при высоком браке по засорам, межслойная прочность близка к минимальным (менее 0,4 МПа), а при низком — к максимальным значениям.

0,6−0,8 МПа), т. е. подтвердилось предположение о связи массового брака по засорам с прочностью сцепления лицевого слоя с опорными (далее-межслойная прочность).

Схема отрыва от обсыпочного песка по первому (а), или по второму (б).

1 слой 2 слой.

Рис. 5.2.

На многослойных образцах (3−4 слоя), был выявлен ряд факторов, определяющих уровень межслойной прочности. Так отрыв по внешней поверхности первого слоя (рис. 5.2- по линии «а») связан с ускоренным обсыханием суспензии и плохим приклеиванием к ней обсыпочного песка. При использовании, ацетоновых суспензий нередко, особенно летом и на больших деталях, требующих более продолжительных манипуляций для стекания суспензии, можно наблюдать появление «голых», не покрытых обсыпочным песком участков, особенно, в наиболее тонких, лицевых слоях. Очевидно, что появление таких участков является признаком ускоренного обсыхания суспензии, плохого приклеивания песка и, соответственно, низкой или нулевой межслойной прочности. При нанесении второго слоя на необсыпанный песком первый межслойная прочность была практически нулевой, так как отрыв происходил под весом захватов разрывного устройства.

Проблема ускоренного обсыхания ацетоновых суспензий рассматривается в литературе. Имеются решения этих проблем (см. раздел 1.4.3).

Установлено, что более характерный отрыв по второму слою (рис. 5.2-по линии «б») связан с его недостаточной просушенностью. По оценкам изломов керамики, выполненным с помощью отсчетного микроскопа (применяется при оценках твердости по Бринелю), толщина второго слоя составляла обычно 1,0−1,5 мм. Удаление большей части растворителя из слоя суспензии исследуемого состава толщиной 1,0 мм требует не менее 60 мин. (рис. 3.6). Увеличение времени сушки перед аммиачным упрочнением с 10−20 до 60 минут и времени обработки аммиаком с 20 до 30 минут, повысило все прочностные показатели: на межслойный отрыв в среднем ~ в 3,5 раза, на изгиб 2,0 раза (табл.5.1). Опыты были проведены в зимнее время при температуре на участке изготовления форм 16−18°С. Образцы с короткой (20 минут) и удлиненной воздушной сушкой (30 минут на первом слое и 60 минут на последующих слоях) и обработкой аммиаком (30 минут) изготавливались из одной суспензии. Всего было выполнено 7 опытов.

Заключение

.

1. Качество керамических форм для литья по выплавляемым моделям определяет качество и себестоимость заготовок получаемых данным способом. Одной из причин низких технико-экономических показателей процесса изготовления многослойных керамических форм на основе органических этилсиликатных суспензий, является его недостаточная изученность, вынуждающая практиков искать решения ряда вопросов неоптимальными эмпирическими методами.

2. Для исследования процесса изготовления многослойной керамики были использованы три новых экспериментальных методики:

— методика и устройство для оценки скорости упрочнения отдельного слоя,.

— методика оценки прочности межслойного сцепления,.

— методика косвенной оценки процесса роста линейных молекул в ацетоновых растворах этилсиликата — по светорассеянию (опалесценции) этих растворов.

3. Установлено, что серная кислота является активизатором связующих свойств этилсиликата и сильным катализатором отвердения сохнущих слоев суспензии. При ее содержании в суспензии более 1,2% к объему ЭТС, твердение сохнущих слоев происходит без традиционно применяемых факторов активизации и твердения суспензии: воды и аммиака, применяемого для упрочнения маловодных суспензий (ОРГ-1). Аналогичный эффект возможен под влиянием других сильных кислот, например азотной. Данный вариант активизации назван кислотным.

4. Серная кислота влияет на ряд важных технологических показателей суспензии: повышает ее жидкотекучесть и уменьшает за счет этого толщину слоев суспензии нанесенных на модель, повышает склонность к образованию трещин в лицевом слое керамического покрытия при его сушке, снижает скорость испарения растворителя при сушке слоев суспензии.

5. От известного гидролиза, (активизация ЭТС водой) кислотная активизация отличается значительно меньшими скоростями протекания реакции и формой образующихся молекул БЮгВ результате гидролиза образуются сферические, а при кислотной активизации — линейные молекулы, обеспечивающие наибольшую прочность керамики форм ЛВМ. В суспензиях с недостаточным для полного гидролиза количеством воды (ОРГ-1, ОРГ-2) сосуществуют два вида активизации ЭТС: доминирующий гидролизный и кислотный, активизирующий негидролизованную часть ЭТС.

6. Ввиду низкой скорости кислотной активизации ЭТС, свойства суспензий ОРГ-1, ОРГ-2 и особенно безводной ОРГ-О улучшаются при выдержке до 8 и более часов, за счет роста линейных молекул: повышается их трещиноустойчивость, растет прочность формируемой из них керамики.

7. С помощью оценки скорости опалесценции ацетоновых растворов ЭТС установлено, что скорость роста линейных молекул увеличивается при увеличении в суспензии серной кислоты, снижении количества воды и повышении температуры.

8. Массовый брак по керамическим засорам, наиболее характерный для цехов с аммиачным упрочнением слоев суспензии, появляется при низкой прочности сцепления лицевого и опорных слоев многослойной керамической формы. Основными причинами низкой межслойной прочности являются: короткие циклы сушки слоев, используемые в технологии с аммиачным упрочнением;

102 использование более трещиноустойчивой, но медленно «дозревающей» суспензии ОРГ-О.

Опираясь на результаты проведенных исследований удалось решить ряд практических задач:

— обоснована возможность получения наиболее прочных линейно-армированных структур керамики без использования аммиака,.

— найден способ снижения брака по керамическим засорам в цехах с аммиачным упрочнением слоев,.

— разработан эффективный метод повышения трещиноустойчивости лицевого слоя многослойной керамической формы,.

— определен состав и технология приготовления качественной ацетоновой суспензии.