3.5. Изготовление литейных форм

В процессе литья по выплавляемым моделям большую роль играют литейные формы. Они должны быть, с одной стороны, огнеупорные (во избежание пригара), прочные, чтобы выдерживать давление заливаемого металла, и не должны выделять газов, а с другой стороны, форма должна иметь гладкую внутреннюю поверхность и небольшие изменения paзмеров при нагреве. Последний фактор очень важен в художественном литье.

Для удовлетворения таких требований применяются высокоогнеупорные мелкодисперсные формовочные материалы и огнеупорные связующие.

Исходя из предъявляемых к форме требований, рабочая поверхность полости формы должна обладать высокой огнеупорностью (~1700 °С), прочностью при прокаливании (900—950 °С) и заливке металла (~1100 °С), а также высокой чистотой поверхности (параметр шероховатости поверхности не ниже R_z40—R_z20).

Для облицовочного огнеупорного покрытия применяются твердые огнеупорные материалы: пылевидный кварц, кварцевые пески, шамотный порошок, плавленый кварц, диоксид титана и жидкие связующие материалы: этилсиликат, жидкое стекло и продукты его переработки. Подготовка твердых материалов огнеупорного покрытия состоит в размалывании, просеивании, промывке, сушке или прокаливании и проветривании.

Этилсиликат и его подготовка

Технический этилсиликат (C₂H₅О)₄Si является прозрачной жидкостью желтовато-зеленоватого цвета с удельной массой не выше 1,0. Он содержит (по массе) 30—40 % кремнезема (SiО₂) и до 15 % соляной кислоты (НСl). Применение этилсиликата как связующего объясняется тем, что, взаимодействуя с водой, он способен выделять кремнезем по реакции

(C₂H₅О)₄Si + 2Н₂О - SiО₂ + 4С₂Н₅ОН.

Сначала образуется золь, коллоидный раствор, т. е. тончайшая взвесь твердого материала в жидкости, для смешивания с пылевидным кварцем. В дальнейшем, при сушке, золь переходит в гель (студенистый нерастворимый осадок), обволакивающий и склеивающий отдельные песчинки, затем — в аморфный кремнезем, а после прокаливания — в кристаллический кремнезем.

Таким образом, после прокаливания огнеупорное покрытие состоит только из кристаллического кремнезема (кремнезема кварцевого песка и кремнезема этилсиликата), что обеспечивает высокую огнеупорность покрытия.

Спирт, образующийся при гидролизе, удаляется из огнеупорного покрытия испарением при сушке.

Однако вода с этилсиликатом почти не смешивается, поэтому реакция гидролиза идет очень медленно. Для введения воды в этилсиликат и ускорения реакции применяют растворители, растворяющие в себе и воду, и этилсиликат. Этот раствор называют гидролизованным раствором этилсиликата. Растворителями могут быть этиловый спирт

(С₂Н₅ОН), эфироальдегидная фракция (83— 85 % С₂Н₅ОН, 1,5 % метилового спирта, менее 3 % эфира, менее 2 % сивушных масел и до 1 % кислот), ацетон (СН₃СОСН₃) и растворитель № 16 (более 90 % С₂Н₅ОН и по 2 % воды и толуола).

С целью улучшения процесса гидролиза, увеличения прочности облицовочного огнеупорного покрытия и ускорения его сушки применяют в небольших количествах соляную кислоту с плотностью 1,18—1,19 г/см³. (Возможны случаи применения борной кислоты и глицерина.) Соляная кислота ускоряет гидролиз этилсиликата, способствует выделению геля оксида кремния и схватыванию его при нанесении и сушке огнеупорного покрытия. Количество соляной кислоты будет рассмотрено ниже.

Гидролизованный раствор этилсиликата приготовляют в специальных смесителях — стеклянных бутылях или гидролизаторах.

Смесителем является пропеллерная мешалка. Перемешивание производят в бутылях, в которые сначала наливают спирт или другой растворитель, вводят воду и необходимые добавки, перемешивают, а затем вводят этилсиликат и снова перемешивают. При небольшом объеме производства применяют ручное перемешивание (взбалтывание) в бутылях и контроль температуры, которая не должна превышать 40—50 °С.

Приготовление гидролизованного раствора этилсиликата производят в соответствии с химическим составом этилсиликата. Дли расчета составляющих раствора необходимо знать содержание кремнезема и соляной кислоты в этилсиликате. В гидролизованном растворе должно быть 15—22 % (по массе) кремнезема и определенное количество соляной кислоты, устанавливаемое расчетом.

При проведении гидролиза этилсиликата перемешивание производят после прекращения повышения температуры в течение нескольких минут (3—5 мин при ручном перемешивании небольшого количества раствора и 20—40 мин при перемешивании большого количества раствора в гидролизаторах). Полученный гидролизованный раствор этилсиликата охлаждают до 15—20 °С. В работу его можно пускать через несколько часов, но обычно его используют на следующий день. Готовый раствор может храниться в бутылях, закрытых резиновой пробкой, несколько недель.

Для предупреждения преждевременного выпадения осадка кремнезема гидролиз проводят в чистом сосуде или добавляют некоторое количество (8—10 %) ранее гидролизованного этилсиликата.

Гидролиз может быть одноступенчатый и двухступенчатый. При одноступенчатом гидролизе в спирт вводят необходимое по расчету количество воды и остальные добавки, после чего смешивают с определенным количеством этилсиликата. Одноступенчатый гидролиз является более простым и распространенным, но в нем процесс гидролиза протекает более медленно, а в связи с этим уменьшается время его хранения.

Содержание соляной кислоты в воде определяют в зависимости от содержания воды в исходном этилсиликате. Количество воды и растворителя (ацетона) более точно определяют по специальной номограмме Н.А.Алексеевой./1/.

При двухступенчатом гидролизе количество растворителя и воды вводят в два при- ема. Его преимущества заключаются в большей устойчивости раствора, который можно хранить при температуре не выше 23°С до 10 месяцев. В связи с дефицитностью и большой стоимостью этилсиликата его заменяют жидким стеклом.

Жидкое стекло

В качестве жидкого стекла наиболее употребительным является натриевое стекло содовой варки состава

Na₂О • n • SiО₂ + mH₂О.

Углекислый газ, находящийся в воздухе, вызывает разложение жидкого стекла по формуле

Na₂О • n • SiО₂ + С₂О ← Na₂CО₃ + nSiO₂.

Характеристикой жидкого стекла является модуль. Модуль — это отношение числа граммолекул кремнезема к числу граммолекул оксида натрия. Модуль натриевого жидкого стекла определяется по формуле

где SiО₂ — содержание кремнезема, % (по массе); Na₂О — содержание оксида натрия, % (по массе); 1,032 — отношение молекулярных весов оксида натрия и кремнезема.

Жидкое стекло перед употреблением подвергают подготовке тремя способами и в зависимости от его дальнейшего применения:

1) разбавляют водой до необходимой удельной массы;

2) повышают модуль хлористым аммонием;

3) отделяют оксид натрия от кремнезема.

Так как в художественном литье приме­нение жидкого стекла ограни­ченно (оно применяется при изготовлении промышленных отливок), остановимся на первом способе подготовки жидкого стекла, поскольку этот способ наиболее часто встречается на производстве.

Требуемое для разбавления жидкого стекла количество воды определяется по формуле

где V_b —объем воды, л; V_c — объем исходного разбавляемого жидкого стекла, л; γ_с — удель­ная масса исходного жидкого стекла, т/м³;γ_рс— необходимая удельная масса разбав­ленного жидкого стекла, т/м³.

Приготовление жидкостекольной суспензии.

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.

Для нанесения огнеупорного покрытия блок моделей несколько раз­ окунают в суспензию с интервалами 10—25с для сушки очередного слоя на воздухе. Модельный блок после последнего погружения обсыпают зернистым огнеупорным материалом. Если предусмотрено вытапливание модели в горячей воде (рис. 3.6.6), 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.