Краткие теоретические сведения

Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в использовании точной неразъемной модели из легкоплавкого материала, по которой из формовочных смесей изготавливается неразъемная керамическая оболочковая форма. Перед заливкой расплава модель удаляется из формы выплавлением. Для удаления остатков модели форма нагревается до высоких температур, что улучшает ее заполняемость расплавом.

Основные операции технологического процесса таковы.

Операция 1.Приготовление модельной массы. Для приготовления модельной массы применяют смеси различного сос­тава из парафина, стеарина, канифоли, полистиро­ла, легкоплавких металлическихспла-вов и др. На практике широко применяют следующие составы: ПС 50-50 (50 % парафина и 50 % стеарина), ПС 70-30 (70 % парафина и 30 % стеарина), КПЦ (50 % канифоля, 30 % полисти­рола, 20 % церезина) и др., Р3 (70 % парафина, 13 % церезина, 12 % буроугольного воска, 5 % кубового остатка).

Модельные составы должны отвечать следующим требованиям:

– хорошо заполнять полости пресс-форм и четко их воспроизводить;

– не вступать во взаимодействие с материалами пресс-форм и огнеупорных покрытий;

– не прилипать к поверхности пресс-формы, инструменту и рукам рабочего;

– хорошо смачиваться огнеупорной суспензией;

– обладать после затвердевания прочностью и твердостью, достаточными для того, чтобы исключить повреждение моделей;

– иметь малую и стабильную усадку;

– сохранять свои свойства при всех технологических операциях, причем при многократном использовании;

– не выделять вредных газов и паров при нагревании и сгорании.

Желательно, чтобы температура плавления модельного состава была в пределах 60–100 °С, тогда его будет проще удалить из керамической оболочки. Температура начала размягчения должна превышать максимальную положительную температуру воздуха в рабочих помещениях на 10–15 °С и составлять примерно 35–40 °С.

Модельную массу готовят в ванне с электрообогревателем, снабженной водяной рубашкой. Модельный состав, нагретый до 80–85 °С, перемешивают. Одновременно в модельный состав замешивается воздух, который при запрессовке сжимается и способствует уменьшению усадки модельного состава. Перед запрессовкой модельный состав выдерживают в течение (6–9) ^. 10²сдля осажде­ния загрязнений.

Операция 2. Изготовление моделей. Модели отливок (рис. 5.1) и литниковых систем изготавливают в пресс-формах, внутренняя полость которых учитывает усадку модельного состава, металла отливки и расши­рение оболочки при прокаливании.

Процесс изготовления моделей состоит из таких операций:

– подготовки пресс-формы, заключающейся в очистке рабочей полости от модельного состава и ее смазке (например, тонким слоем трансформаторного мас­ла);

– запрессовки модельного сос­тава в пресс-формы с помощью шприца или свободной заливкой (рис. 5.1, а);

– охлаждения состава в пресс-форме;

– извлечения модели через (15–18) ^. 10² с после запрессовки модельного состава в пресс-форму.

В случае необходимости изготовленные модели обезжиривают.

Операция 3. Сборка моделей в блоки. В производстве литья по выплавляемым моделям небольшие изделия отливают по несколько штук в одной форме при общем стояке. Такой стояк с прикрепленными к нему моделями называют модельным блоком (рис. 5.1, б), а процесс крепления моделей на стояк – сборкой модельного блока.

а	б
в	г	д	е
ж	з	и	к

Рис. 5.1. Схема процесса изготовления отливок по выплавляемым моделям

Для сборки модельного блока стояк устанавливают на специальном приспособлении, обеспечивающем устойчивость его в вертикальном положении. Модели припаиваются к поверхности стояка.

Просветы между моделями на стояке делают не менее 1 ^. 10^{-3 м, а верхняя точка модели должна быть ниже воронки стояка на (15–20).} 10^{-3 м.} При припаивании модели к стояку необходимо учитывать прочность крепления модели на стояке, возможность полного выхода из формы модельного состава при выплавлении модели, удобство дальнейшей работы с модельным блоком в процессе обмазки и обсыпки его, устойчивость положения модельного блока при сушке и хранении.

Для обеспечения прочности крепления модели на стояке и устранения зазоров между стенкой стояка и питателем в местах их спайки должен быть образован шов из модельного состава. Наиболее полное удаление модельного состава из формы при выплавлении модели достигается присоединением питателей и моделей к стояку с определенным наклоном и устройством дополнительных каналов для выхода модельного состава. Части моделей, которые должны давать в отливке чистую, четкую поверхность рекомендуется при сборке моделей на стояке располагать внизу.

Собранные блоки просушиваются в течение 24 ч при температуре 20 °С.

Операция 4. Приготовление огнеупорной суспензии. Огнеупорная суспензия (этилсиликатная или жидкостекольная) образует огнеупорный слой фор­мы.

В настоящее время применяют этилсиликат марок ЭТС-32 и ЭТС-40.

Этилсиликат представляет собой смесь этиловых эфиров ортокремневой кислоты. Это прозрачная жидкость с температурой кипения 165 °С и плотностью 980–1050 кг/м³. Этилсиликат состоит из эфиров разной молекулярной массы, например: моноэфира (С₂Н₅О)₄Si, условно в пересчете содержащего 28,8 % SiO₂; диэфира (С₂Н₅О)SiO₂, содержащего 35,1 % SiO₂; триэфира (С₂Н₅О)₈Si₃О₂, содержащего 39,7 % SiO₂ и др.

Для придания этилсиликату свойств связующего его подвергают гидролизу. При этом в процессе химической реакции этоксильные группы (С₂Н₅О)замещаются на гидроксильные (ОН). В результате реакции образуются коллоидные растворы кислот (золи), из которых при сушке и прокаливании форм выделяется собственно связующее SiO₂, соединяющее зерна огнеупорной основы суспензии.

Гидролиз этилсиликата затруднен тем, что вода и этилсиликат взаимно не растворяются. Поэтому применяют органические растворители (спирты, ацетон), которые растворяют и этилсиликат, и воду. При сушке и прокаливании растворители удаляются.

На практике этилсиликатную суспензию готовят в специальных установках двумя способами – раздельным и совмещенным.

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

При использовании совмещенного метода в этилсиликат сначала вводят, непрерывно перемешивая, растворитель (гидролизный спирт, ацетон или изопропиловый спирт), затем засыпают часть огнеупорного материала (маршалита) (70–80 % от общего количества) и перемешивают в течение (6–10,8) ^. 10² с. Потом заливают воду, подкисленную соляной или азотной кислотой, продолжая перемешивать этилсиликат в течение (18–24) ^. 10² с. Добавляют оставшуюся часть огнеупорного наполнителя и специальные добавки (например, борную кислоту), перемешивают его еще в течение (6–9) ^. 10² с.

Операция 5. Изготовление оболочки формы. Огнеупорная оболочка должна быть достаточно прочной, податливой, газопроницаемой, химически инерт­ной по отношению к металлу, должна легко разрушаться после затвер­девания отливки.

Для получения оболочковой формы модельный блок окунают в суспензию (рис. 5.1, в) и обсыпают песком в кипящем слое (рис. 5.1, г). Полученное огнеупорное покрытие отвердевает путем сушки на воздухе (рис. 5.1, д) или в парах аммиака. Операции нанесения суспензии и обсыпки блока песком повторя­ют до получения на модели оболочки требуемой толщины (6–8 слоев).

Операция 6. Выплавление моделей. После нанесения последнего слоя огнеупорного покрытия и соответствующей сушки модельные комплекты с нанесенной огнеупорной оболочкой поступают на выплавлениемодельного состава. Выплавление модельного состава осуществляется различными способами: паром, горячим воздухом, горячей водой (рис. 5.1, е). Наибольшее распространение получило выплавление модельного состава в горячей воде. В этом случае достигается наиболее полноевыплавление состава из полости формы, значительно увеличивается возврат состава, который может многократно использоваться для изготовления моделей.

Операция 7. Сушка оболочек. После выплавления модельного состава получив­шаяся оболочка сушится в сушильном шкафу при температуре 180–200 °С в течение (9–12) ^. 10² с (рис. 5.1, ж).

Операция 8. Прокалка оболочек. Просушенные оболочки подвергаются прокалива­нию в печи при температуре 850–900 °С в течение (12–18) ^. 10² с.

При этом полностью выгорают остатки модельной массы, удаляет­ся влага, повышается газопроницаемость и прочность оболочки, что уменьшает опасность возникновения внутренних напряжений и трещин в оболочковой форме.

Операция 9. Формовкаоболочек. Формовка огнеупорной оболочки преследует цель: создание прочности для предотвра­щения прорыва ее жидким металлом при заливке. Огнеупорная оболочка, имея толщину (4–8) ^. 10^{-3 м, не может противостоять напору металла и нуждается в упрочении. Упрочнение достигается тем, что оболочку ус­танавливают в опоку. Пространство между стенками опоки и огнеупор­ной оболочкой засыпают сухим наполнителем (кварцевым песком отходами керамических покрытий и др.) (рис. 5.1, з).}

Операция 10. Заливка оболочек. Заформованные оболочки заливают расплавленным металлом (рис. 5.1, и).

Операция 11. Выбивка и очистка отливок. Залитые формы охлаждают в течение (12–18) ^. 10²с и разрушают. Поверхность отливок очищают от остатков оболочек. На рис. 5.1, к показана полученная отливка с литниковой системой.

К достоинствам метода литья по выплавляемым моделям относятся следующие:

– возможность изготовления практически из любых сплавов отливок сложной конфигурации, тонкостенных, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на механическую обработку;

– возможность создания сложных конструкций, объединяющих несколько деталей в один узел, что упрощает технологию изготовления машин и приборов;

– возможность экономически выгодного осуществления процесса в серийном и массовом производствах, что важно при создании новых машин и приборов;

– уменьшение расхода формовочных материалов на 1 т отливок;

– улучшение условий труда и уменьшение вредного воздействия литейного процесса на окружающую среду.

К недостаткам метода литья по выплавляемым моделям можно отнести такие:

– процесс изготовления формы многооперационный, трудоемкий и длительный;

– большое число технологических факторов, влияющих на качество формы и отливки;

– большая номенклатура материалов, используемых для получения формы (материалы для моделей, суспензии, обсыпки блоков и т.д.);

– сложность манипуляторных операций изготовления моделей и форм, механизации и автоматизации этих операций;

– повышенный расход металла на литники.