Вспомним забытые технологии: использование жидкого стекла в качестве связующего в технологии производства отливок по выплавляемым моделям

К.т.н. Белобров Е. А., инженеры Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров Е. Л.

КНПП «Формовочные материалы Украины»

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Литье по выплавляемым моделям (далее ЛВМ) – одна из классических разновидностей специальных способов производства отливок. Литейная практика насчитывает более 20 специальных способов литья [1].

ЛВМ – способ получения отливок в многослойных оболочковых неразъемных разовых формах, изготавливаемых с использованием выплавляемых, а также растворяемых моделей однократного использования.

Применение способа ЛВМ обеспечивает изготовление фасонных отливок из любых литейных сплавов, в том числе сложных по конфигурации и тонкостенных с высокой точностью.

С помощью ЛВМ получают отливки, максимально приближенные по размерам и форме к готовой детали, а в ряде случаев не требующие механической обработки.

В результате значительно снижается трудоемкость и стоимость изготовления изделий, сокращается расход металла и инструмента, потребность в производственных площадях, станочном оборудовании, уменьшается энергоемкость производства, а также потребность в рабочих-станочниках высокой квалификации [1].

Одним из очень сложных факторов технологии ЛВМ является связующее, которое используется для закрепления огнеупорных слоев ЛВМ-оболочки, число которых может достигать 20.

В фундаментальных литературных источниках [1, 3] содержатся упоминания о жидком стекле как потенциальном связующем для ЛВМ, но конкретные данные о применении жидкого стекла в технологии ЛВМ, которые позволяли бы считать их технологией или основой для технологии ,отсутствуют.

Нижеприведенное описание и наша трактовка сути вопроса – попытка устранить вышеупомянутый пробел.

В классической технологии ЛВМ в качестве связующих используются этилсиликаты (далее ЭТС) различных марок – ЭТС-32, ЭТС-40.

Этилсиликат – синтетическая кремнийорганическая жидкость со слабым запахом эфира, гидролизующаяся водой.  ЭТС – продукт, получаемый в результате реакции четыреххлористого кремния и этилового спирта. В ЭТС находится смесь эфиров кремниевых кислот. В частности, в эфире ортокремниевой кислоты (С2Н2О)4Si содержится 13,5% Si и 86,5% С2Н2О, или 28,8% условного SiO2.

Для литейного производства применяют главным образом этилсиликат марок ЭТС-32 и ЭТС-40. Цифры в обозначениях марок означают среднее содержание SiO2. Плотность ЭТС составляет 1070 кг/см3[2].

Одним из самых сложных элементов в технологии ЛВМ является подготовка этилсиликатного связующего, в частности его гидролиз, и его (связующего) использование.

Весьма перспективным является возможность использования для ЛВМ в качестве связующего жидкого стекла в сочетании не с кварцевым, а с алюмосиликатным или корундо-глиноземистым огнеупорными наполнителями.

Здесь в качестве недостатка жидкостекольно-кварцевой оболочки выступает ее низкая прочность (в 2,5-3 раза ниже при температуре 500-600°С, чем при 200-400°С). Причина этого явления состоит в так называемом β→α превращении кварца в интервале температур 573-579 с увеличением его объема примерно на 4,5-5,0%. Расширение кварца разрывает сформировавшиеся при более низких температурах связи, что в макрообъеме вызывает снижение прочности.

Очень важным и полезным свойством жидкого стекла (имеется в виду натриевого плотностью 1,48-1,52 г/см3) является его свойство быстро упрочняться с потерей части его влаги.

Косвенным признаком этого является резкое повышение вязкости с увеличением плотности жидкого стекла.

Резкое повышение прочности через механизм связующих пленок наступает, когда их плотность при силикатном модуле жидкого стекла 2,4 превышает 1,55 г/см3 (см. рисунок).

Еще одним признаком высокой склонности содержащих жидкое композиции является их быстрое затвердевание под действием тепла (например, на глубину 15-20 мм в течение 20-30 мин). Применительно к песчано-глинистым композициям, широко используемым при производстве отливок в сырых и в подвергаемым тепловой сушке формах, такое быстрое твердение не наблюдается.

После этих разъяснений мы переходим к схематичному описанию технологии изготовления форм с использованием жидкого стекла в качестве связующего в способе ЛВМ со следующими оговорками:

- технология производства отливок по технологии ЛВМ независимо от любых вариантов связующих состоит из ряда однотипных разделов, поэтому мы останавливаемся лишь на разделе, который касается формообразования и связующего для него, имея в виду жидкое стекло;

- соблюдая свои интересы, мы излагаем этот раздел таким образом, чтобы заинтересованный читатель не смог осуществить эту технологию без нашего «кnon how” - участия  и без соблюдения наших интересов.

Мы сможем предоставить заинтересованному читателю полный и однозначный вариант этой технологии при условии соблюдения наших интересов. Цель же настоящего изложения состоит в привлечении внимания к положительным сторонам формообразующего связующего для ЛВМ на основе жидкого стекла.

ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЖИДКОСТЕКОЛЬНОГО СВЯЗУЮЩЕГО

Итак, о связующем на жидком стекле.

Суспензия для образования корки под выплавляемую модель состоит из жидкого стекла и пылевидного кварца. Для приготовления суспензии используется натриевое жидкое стекло плотностью 1,42-1,48 г/см3 при силикатном модуле 2,6-3,0.

Толщина помола пылевидного кварца определяется следующим:

проход через сито 01 – 100%;

остаток на сите 0063 – не более 5%.

Жидкое стекло подвергается определенной подготовке, цель которой состоит в ускорении выпадения из жидкого стекла геля кремневой кислоты.

В дозу жидкого стекла вышеупомянутой плотности добавляется водный раствор нашатырного спирта NH4Cl (хлористого аммония) определенной концентрации и в определенной пропорции с водой. После размешивания до однородного состояния в эту смесь жидкого стекла и нашатырного спирта вводится основная доза жидкого стекла той же плотности. Образовавшийся в результате этого новый раствор тщательно перемешивается.

При взаимодействии нашатырного спирта с жидким стеклом в последнем происходит коагуляция геля кремневой кислоты. Образовавшийся при частичной коагуляции жидкого стекла гель в виде творожистой массы плавает в непрокоагулировавшей части жидкого стекла. Эта творожистая масса под влиянием содержащегося в жидком стекле сильного основания в течение 16-24 часов полностью растворяется. Наличие осадка в виде нерастворившегося геля является браковочным признаком.

Плотность приготовленного вышеописанным способом жидкостекольного связующего (далее ЖС)  должна быть 1,28-1,30 г/см3 по ареометру.

Такое связующее можно хранить в течение 5 суток.

Далее определенная доза приготовленного ЖС заливается в лопастную мешалку, после чего в эту же мешалку засыпается определенная доза пылевидного кварца, после чего оба компонента суспензии перемешиваются в течение 30 минут до сметанообразной консистенции. Плотность приготавливаемой суспензии регулируется в пределах 1,75-1,85 г/см3  добавлением воды или пылевидного кварца. Суспензия процеживается через сито с размером ячейки 02 (0,2 мм).

Допускается ежесуточное пополнение не использованной полностью дозы ранее приготовленной суспензии новоприготовленной дозой суспензии такого же состава и с такими же ее реологическими характеристиками.

НАНЕСЕНИЕ СУСПЕНЗИИ НА ВЫПЛАВЛЯЕМУЮ МОДЕЛЬ

Нанесением суспензии на выплавляемую модель преследуется цель создания прочной монолитной формы – корки, равномерно покрывающей со всех сторон выплавляемую модель.

Нанесение суспензии производится методом погружения в неё выплавляемой модели с последующей присыпкой песком или пылевидным шамотом и закреплением каждого слоя в закрепителе.

Подготовленная выплавляемая модель закрепляется на штырь, прикрепленный к прибыли или литниковой воронке,  и медленно погружается в емкость с суспензией. После погружения всей модели и прибыли в суспензию она поворачивается, после чего извлекается из емкости и выдерживается над ванной до прекращения стекания с нее суспензии.

Модель с нанесенным на неё тонким слоем суспензии погружается в емкость цилиндрической формы с нижним подводом воздуха и заполненной песком или шамотом, после чего производится обсыпка в кипящем слое. При обсыпке в кипящем слое толщина образовавшейся корки получается более равномерной. При большом давлении воздуха и большой скорости песчинок первый слой может быть нарушен с ухудшением его качества. Это не происходит при давлении воздуха не более 0,2 ати.

Далее модель с присыпанным слоем корки погружается в емкость с жидким закрепителем, состоящим из 20-процентного водного раствора нашатырного спирта с добавлением в него 2-3% соляной кислоты. Под влиянием закрепителя из жидкого стекла, входящего в состав слоя корки, выделяется гель кремниевой кислоты, который скрепляет зерна пылевидного кварца и песка (присыпки).

Химическая реакция выделения геля протекает следующим образом:

Na2O · n · SiO2 + 2NH4Cl = n· SiO2+ 2NаCl + 2NH3 + H2O

Правильность хода реакции подтверждается выделением аммиака с поверхности закрепленного слоя.

Процесс закрепления в ванне закрепителя длится 1-2 мин и обеспечивает получение твердого слоя покрытия, затем модель с образовавшейся коркой выдерживается на воздухе в течение 5-7 мин до исчезновения резкого запаха аммиака.

На первый слой таким же образом наносятся последующие слои с присыпкой и закреплением каждого из них. Время закрепления последующих слоев на воздухе сокращается до 1-2 мин.

Количество нанесенных на модель слоев зависит от конфигурации и размеров моделей и обычно колеблется от 4 до 6.

По окончании нанесения на модель определенного числа слоев зеркало выплавления у прибыли очищается от образовавшейся на нем обмазки. Модель вместе с нанесенными слоями поступает на выплавление.

Разрыв во времени между нанесением последнего слоя и выплавлением модели во избежание ослабления стенок образовавшейся формы должен быть не более 15 мин.

На этом мы по вышеизложенным соображениям прерываем описание технологии в целом.

Если кто-то из наших читателей решит взять на вооружение жидкостекольную технологию формообразования ЛВМ, мы будем готовы предоставить ее в неурезанном виде с условием соблюдения наших интересов. Характер наших интересов будет согласован в двухстороннем порядке.

Литература: 

1. Специальные способы литья. Справочник под общей редакцией акад. АН УССР В.А.Ефимова. М., «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1991.
2. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. М., «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1990.
3. Репях С.И. Технологические основы литья по выплавляемым моделям. Днепропетровс, «Лира ЛТД», 2006.