Газопроницаемость этилсиликатных керамических форм в ЛВМ. Разработка и внедрение универсального технического /решения по ее повышению

Одним из главных недостатков этилсиликатных керамических форм для литья по выплавляемым моделям является их низкая газопроницаемость. Это серьезно затрудняет получение тонкостенных отливок с развитой поверхностью.

         Для повышения газопроницаемости форм в ЛВМ применяются два принципиально разные технические решения:

1) ввод в суспензию органических материалов типа древесной муки, опилок, шелухи гречки и т.д.;

2) установка на блоке выплавляемых моделей специальных выпоров, обеспечивающих свободный выход газов при заливке форм металлом.

Дополнительно к упомянутым решениям можно рассматривать, как теоретически возможное, применение ЭТС-суспензий в пенообразном состоянии. Однако, чтобы обеспечивать ее пористость в процессе формирования и обжига форм необходимо провести серьезные научно-исследовательские и экспериментальные работы, что в настоящее время для авторов не представляется возможным.

При анализе первого решения выявили следующие недостатки:

Во-первых, применяемые для этой цели материалы не вводят в суспензию для облицовочных слоев форм из-за вероятного ухудшения качества поверхности отливок.

Во-вторых, находясь в середине керамики они во время обжига форм могут коксоваться, что повысит газотворную способность форм.

В третьих, эти материалы, по разным причинам не только ухудшают, но и не способствуют сохранению технологических характеристик суспензий и главное – они не входят в облицовочные слои форм, которые, в первую очередь, серьезно затрудняют выход газов при заливке форм.

Второе решение является наиболее эффективным.

Оно применяется на некоторых заводах при изготовлении отливок специального назначения, когда затраты на установку выпоров на модельные блоки и отделения их от каждой отливки оправдывают возможные потери от брака отливок из-за низкой газопроницаемости форм.

В последнее время в номенклатуре ЛВМ на предприятии ДНФ «БМР-Сервис» (г. Харьков) появились отливки с развитой тонкостенной поверхностью и проблема с недостаточной газопроницаемостью форм стала особенно чувствительной.

Из-за существенного повышения трудоемкости отливок при использовании специальных выпоров от их применения на предприятии пришлось отказаться.

Учитывая высокие требования к качеству поверхности отливок, проблему повышения газопроницаемости форм необходимо было решать, начиная с их 1-го облицовочного слоя.

Из анализа опыта применения 1-го из упомянутых решений было ясно, что материалы для решения поставленной задачи должны удовлетворять следующим требованиям:

- иметь тонкодисперсную структуру, хорошо сочетается с этилсиликатной суспензией, не растворяться и не набухать в ней, не влиять на ее живучесть и технологические свойства в цикле ее использования во время изготовления изготовления форм;

- иметь достаточно высокую температуру плавления, чтобы обеспечить возможность формирования пористой структуры форм, а также высокую температуру воспламенения, чтобы не ухудшать пожаробезопасность производства;

- не оказывать вредного влияния на модельный состав после выплавки моделей;

- не выделять токсичных веществ при нахождении в суспензии, при выплавке моделей и обжиге форм;

- не снижать качество поверхности отливок и прочностные характеристики форм;

- не требовать каких-либо специальных условий для хранения на складе и применения в суспензии.

Наиболее подходящими для этой цели являются органо-минеральные материалы, выпускаемые промышленностью в дисперсном состоянии и широко используемые в фармацевтике, производстве и переработке пластмасс, в косметической промышленности и др.

Один из таких материалов был взят кальция стеарат, как наиболее доступный, для постановочных экспериментов по определению его принципиальной возможности для решения поставленной задачи.

Выбранный материал по разным источникам, обнаруженным в интернете, имеет следующие характеристики: плотность, 1,05-1,08 г/см³, насыпная плотность 0,6-0,7 г/см³ (определена экспериментально), температуры плавления и воспламенения 155-180°C и 395°C (соответственно).

Материал не растворяется в воде и практически не рсатворим в гидролизованном растворе этилсиликата типа Орг-1 (проверено экспериментально).

Постановочный эксперимент выполнялся по следующей методике: этилсиликатную суспензию на гидролизованном растворе типа Орг-1, разделили на 3 части: первая часть использовалась как контрольная, во вторую и третью ввели 1% и 3% испытуемого материала соответственно.

Из каждой суспензии изготавливали по 2 образца из одинаковых реальных выплавляемых моделей по действующей на предприятии технологии изготовления форм.

На предприятии и у авторов не имелось приборов для определения газопроницаемости керамики, да и применяемые образцы нельзя было использовать по стандартной методике, принятой в ЛВМ.

Поэтому в качестве косвенного показателя газопроницаемости решено было определять спиртопоглощения обожженных образцов, основываясь по рекомендации статьи [1]. Для определения этого показателя предварительно взвешенные образцы погружались на 20-30 с в спирт, после чего повторно взвешивались. По разнице взвешенных образцов до и после из извлечения из спирта определялось их спиртопоглощение. У контрольных образцов этот показатель был 5,2%, у образцов из суспензий, содержащих 1% и 3% опробованного материала спиртопоглощение было существенно выше 10,95% и 13,5% соответственно.

На основании результатов постановочного эксперимента были сделаны предварительные выводы:

- введение в суспензию опробованного материала существенно увеличивает пористость, керамики, и следовательно и ее газопроницаемость;

- суспензия с 1% сохранила свои технологические свойства за время изготовления образцов и осталась пригодной на следующие сутки.

Примечание: В связи с небольшим объемом суспензии дальнейшие наблюдения за ее состоянием не проводились.

- суспензия с 3% была нетехнологичной, слой покрытия из нее получался очень толстым и неодинаковым по толщине;

- заметного влияния опробованного материала на качество поверхности образцов и их прочность не было обнаружено;

Результаты постановочного эксперимента дали основание на продолжение работы в реальных производственных условиях.

При их проведении непосредственно на предприятии ДНФ «БМР-Сервис» введение 1% испытуемого материала в суспензию в качестве начального уровня было принято за вполне допустимого как по технологическим, так и по экономическим соображениям.

На 1-м этапе производственной проверки были изготовлены 2 наименования форм по 3 шт. в каждой партии для отливок брак которых по недоливкам находился выше 20%.

Брак отливок по недоливам, полученных из опытных форм, был на уровне 2-3%. Причины недоливов этих отливок могли быть не связаны с газопроницаемостью форм, например – из-за близкого наплавления моделей к литниковой чаше при пайке их на модельном блоке.

В дальнейшем были залиты промышленные партии форм с 0,7% и 0,5% выбранного материала в суспензии.

Производственная проверка подтвердила, что ввод в суспензию опробованных материалов в количестве 0,5-1,0% не оказал заметного влияния на свойства суспензии прочность форм. Брак отливок по недоливам был существенно ниже. Качество поверхности отливок сохранилось на достигнутом уровне.

Условия труда рабочих, занятых изготовлением и заливкой форм, не ухудшились.

В связи с низкой насыпной массой опробованного материала в ходе экспериментов была отработана технология его ввода в суспензию, обеспечивающая равномерность его распределения в ней и предотвращающая ее расслоение. Порционное введение материалы при непрерывном перемешивание показало науилучшие результаты.

В остальном никаких изменений в технологии изготовления форм не потребовалось.

Предприятие продолжает применять этот материал для обеспечения необходимой газопроницаемости форм. Стоимость материала вполне допустима по экономическим соображениям на 1 л суспензии.

Преимущества предложенного материала являются:

- стабильность его свойств, так как он выпускается в промышленных масштабах;

- его можно вводить в суспензию для всех слоев форм, начиная с 1-го;

- регулируя его ввод в суспензию до 1%, можно уверенно управлять газопроницаемостью форм.

Таким образом, предложенное техническое решение можно считать универсальным. Его можно использовать для всех типов этилсиликатных суспензий и для всех известных технологий изготовления этилсиликатных форм ЛВМ.

Следует также отметить, что, несмотря на «кажущуюся примитивность» использованной методики косвенной оценки газопроницаемости форм ЛВМ путем спиртопоглощения, она позволяет весьма просто и доступно решать проблему газопроницаемости не только на образцах, но и на проблемных частях керамических форм.

Принципиально близко к предложенной и опробованной методике косвенной оценки газопроницаемости форм ЛВМ можно считать методику, изложенную в ГОСТ 2409-8 [2], которая предусматривает оценку водопоглощения, открытой и закрытой пористости огнеупорных изделий, но требует использования специального оборудования и определенных условий для анализа.

При условии доработки для применения в ЛВМ она может быть использована для глубокого изучения влияния пористости на газопроницаемость,  прочностные характеристики и термостойкость форм.

Авторы надеются, что разработанные технологии управления газопроницаемости форм найдет применение в технологии ЛВМ и при необходимости могут оказать техническую и консультативную помощь применительно к конкретным условиям производства.

Литература

1. Конотопов В.С. Методика косвенной оценки газопроницаемости противопригарных красок для литья по газифицируемым моделям. Литье Украины №3, 2012 г.
2. ГОСТ 2409-8 Метод определения кажущейся плотности, открытой и общей пористости, водопоглощения.

Авторы: к.т.н. Конотопов В.С., к.т.н. Утешев В.М., к.х.н. Калкаманова О.С., магистр Лихолет М.А., аспирант Русабров А.Е.

«Литьё Украины», 2020, № 9, с.2-5