Згадаймозабуті технології використання рідкого скла як сполучного в технології

К.т.н. Білобров Є. А., інженери Карпенкова О.Л., Білобров Л.Є., Білобров Є. Л.

КНВП «Формувальні матеріали України»

Лиття по виплавлюваних моделях (далі ЛВМ) - один з класичних різновидів спеціальних способів виробництва виливків. Ливарна практика налічує понад 20 спеціальних способів лиття [1].

ЛВМ – спосіб отримання виливків у багатошарових оболонкових нероз'ємних разових формах, що виготовляються з використанням виплавлюваних, а також моделей одноразового використання, що розчиняються.

Застосування способу ЛВМ забезпечує виготовлення фасонних виливків з будь-яких ливарних сплавів, у тому числі складних конфігурації і тонкостінних з високою точністю.

За допомогою ЛВМ отримують виливки, максимально наближені за розмірами та формою до готової деталі, а в ряді випадків не потребують механічної обробки.

В результаті значно знижується трудомісткість та вартість виготовлення виробів, скорочується витрата металу та інструменту, потреба у виробничих площах, верстатному устаткуванні, зменшується енергоємність виробництва, а також потреба у робочих верстатниках високої кваліфікації [1].

Одним з дуже складних факторів технології ЛВМ є сполучна, яка використовується для закріплення вогнетривких шарів ЛВМ-оболонки, кількість яких може досягати 20.

У фундаментальних літературних джерелах [1, 3] містяться згадки про рідке скло як потенційне сполучне для ЛВМ, але конкретні дані про застосування рідкого скла в технології ЛВМ, які дозволяли б вважати їх технологією або основою для технології, відсутні.

Нижченаведений опис і наше трактування суті питання – спроба усунути вищезгадану прогалину.

У класичній технології ЛВМ як сполучні використовуються етилсилікати (далі ЕТС) різних марок - ЕТС-32, ЕТС-40.

Етилсилікат – синтетична кремнійорганічна рідина із слабким запахом ефіру, що гідролізується водою. ЕТС – продукт, який отримується в результаті реакції чотирихлористого кремнію та етилового спирту. В ЕТС знаходиться суміш ефірів кремнієвих кислот. Зокрема, в ефірі ортокремнієвої кислоти (С2Н2О)4Si міститься 13,5% Si та 86,5% С2Н2О, або 28,8% умовного SiO2.

Одним із найскладніших елементів у технології ЛВМ є підготовка етилсиликатного сполучного, зокрема його гідроліз, та його (сполучного) використання.

Дуже перспективним є можливість використання для ЛВМ як сполучного рідкого скла у поєднанні не з кварцовим, а з алюмосилікатним або корундо-глиноземистим вогнетривкими наповнювачами.

Тут як недолік рідинноскляно-кварцової оболонки виступає її низька міцність (у 2,5-3 рази нижче за температури 500-600°С, ніж при 200-400°С). Причина цього явища полягає в так званому β→α перетворення кварцу в інтервалі температур 573-579 зі збільшенням обсягу приблизно на 4,5-5,0%. Розширення кварцу розриває сформовані за нижчих температурах зв'язку, що у макрообсязі викликає зниження міцності.

Дуже важливою та корисною властивістю рідкого скла (мається на увазі натрієва щільністю 1,48-1,52 г/см3) є його властивість швидко зміцнюватися із втратою частини його вологи.

Непрямою ознакою цього є різке підвищення в'язкості зі збільшенням густини рідкого скла.

Різке підвищення міцності через механізм сполучних плівок настає, коли їхгустина при силікатному модулі рідкого скла 2,4 перевищує 1,55 г/см3 (див. малюнок).

Ще однією ознакою високої схильності рідких композицій, що містять, є їх швидке затвердіння під дією тепла (наприклад, на глибину 15-20 мм протягом 20-30 хв). Стосовно піщано-глинистих композицій, що широко використовуються при виробництві виливків у сирих і піддається тепловій сушці формах, таке швидке твердіння не спостерігається.

Після цих роз'яснень ми переходимо до схематичного опису технології виготовлення форм з використанням рідкого скла як сполучного способу ЛВМ з наступними застереженнями:

- технологія виробництва виливків за технологією ЛВМ незалежно від будь-яких варіантів сполучних складається з низки однотипних розділів, тому ми зупиняємося лише на розділі, що стосується формоутворення та сполучного для нього, маючи на увазі рідке скло;

- дотримуючись своїх інтересів, ми викладаємо цей розділ таким чином, щоб зацікавлений читач не зміг здійснити цю технологію без нашого "knon how" - участі та без дотримання наших інтересів.

Ми зможемо надати зацікавленому читачеві повний та однозначний варіант цієї технології за умови дотримання наших інтересів. Мета ж цього викладу полягає у приверненні уваги до позитивних сторін формотворчого сполучного для ЛОМ на основі рідкого скла.

ПРИГОТУВАННЯ РІДКОСТЕКОЛЬНОГО ЗВ'ЯЗУЮЧОГО

Отже, про сполучне на рідкому склі.

Суспензія для утворення кірки під модель, що виплавляється, складається з рідкого скла і пилоподібного кварцу. Для приготування суспензії використовується рідке натрієве скло щільністю 1,42-1,48 г/см3 при силікатному модулі 2,6-3,0.

Товщина помелу пилоподібного кварцу визначаєтьсянаступним:

прохід через сито 01 – 100%;

залишок на ситі 0063 – трохи більше 5%.

Рідке скло піддається певній підготовці, мета якої полягає у прискоренні випадання з рідкого скла гелю крем'яної кислоти.

У дозу рідкого скла вищезгаданої щільності додається водний розчин нашатирного спирту NH4Cl (хлористого амонію) певної концентрації та певної пропорції з водою. Після розмішування до однорідного стану цієї суміші рідкого скла і нашатирного спирту вводиться основна доза рідкого скла тієї ж щільності. Новий розчин, що утворився в результаті цього, ретельно перемішується.

При взаємодії нашатирного спирту з рідким склом в останньому відбувається коагуляція гелю крем'яної кислоти. Гель, що утворився при частковій коагуляції рідкого скла, у вигляді сирної маси плаває в непрокоагулюючій частині рідкого скла. Ця сирна маса під впливом сильної основи, що міститься в рідкому склі, протягом 16-24 годин повністю розчиняється. Наявність осаду у вигляді гелю, що не розчинився, є бракувальною ознакою.

Щільність приготовленого вищеописаним способом рідинноскляного сполучного (далі ЖС) повинна бути 1,28-1,30 г/см3 за ареометром.

Таке сполучне можна зберігати протягом 5 діб.

Далі певна доза приготованого ЖС заливається в лопатеву мішалку, після чого в цю ж мішалку засипається певна доза пилоподібного кварцу, після чого обидва компоненти перемішуються суспензії протягом 30 хвилин до сметаноподібної консистенції. Щільність суспензії, що готується, регулюється в межах 1,75-1,85 г/см3 додаванням води або пилоподібного кварцу. Суспензія проціджується через сито з розміром осередку 02 (0,2 мм).

Допускається щодобове поповненняне використаної повністю дози раніше приготовленої суспензії новоприготовленою дозою суспензії такого ж складу та з такими ж її реологічними характеристиками.

НАНЕСЕННЯ СУСПЕНЗІЇ НА МОДЕЛЬ, ЩО ВИПЛАВЛЯЄТЬСЯ

Нанесенням суспензії на модель, що виплавляється, переслідується мета створення міцної монолітної форми - кірки, що рівномірно покриває з усіх боків модель, що виплавляється.

Нанесення суспензії проводиться методом занурення в неї моделі, що виплавляється з подальшою присипкою піском або пилоподібним шамотом і закріпленням кожного шару в закріплювачі.

Підготовлена модель, що виплавляється, закріплюється на штир, прикріплений до прибутку або литникової воронки, і повільно занурюється в ємність із суспензією. Після занурення всієї моделі та прибутку в суспензію вона повертається, після чого витягується з ємності та витримується над ванною до припинення стікання з неї суспензії.

Модель з нанесеним на неї тонким шаром суспензії занурюється в ємність циліндричної форми з нижнім підведенням повітря і заповненою піском або шамотом, після чого проводиться обсипання в киплячому шарі. При обсипанні в киплячому шарі товщина кірки, що утворилася, виходить більш рівномірною. При великому тиску повітря і великій швидкості піщин перший шар може бути порушений з погіршенням його якості. Це не відбувається при тиску повітря не більше 0,2 атм.

Далі модель з присипаним шаром кірки занурюється в ємність з рідким закріплювачем, що складається з 20% водного розчину нашатирного спирту з додаванням до нього 2-3% соляної кислоти. Під впливом закріплювача з рідкого скла, що входить до складу шару кірки, виділяється гель кремнієвої кислоти, який скріплює зерна пилоподібного кварцу та піску (присипки).

Хімічна реакція виділення гелю протікаєнаступним чином:

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

Правильність перебігу реакції підтверджується виділенням аміаку з поверхні закріпленого шару.

Процес закріплення у ванні закріплювача триває 1-2 хв і забезпечує отримання твердого шару покриття, потім модель з кіркою, що утворилася, витримується на повітрі протягом 5-7 хв до зникнення різкого запаху аміаку.

На перший шар так само наносяться наступні шари з присипкою і закріпленням кожного з них. Час закріплення наступних шарів на повітрі скорочується до 1-2 хв.

Кількість нанесених на модель шарів залежить від конфігурації та розмірів моделей та зазвичай коливається від 4 до 6.

Після закінчення нанесення на модель певної кількості шарів дзеркало виплавлення у прибутку очищається від обмазки, що утворилася на ньому. Модель разом із нанесеними шарами надходить на виплавлення.

Розрив у часі між нанесенням останнього шару і виплавленням моделі, щоб уникнути ослаблення стінок форми, що утворилася, повинен бути не більше 15 хв.

На цьому ми з вищевикладених міркувань перериваємо опис технології загалом.

Якщо хтось із наших читачів вирішить взяти на озброєння рідкокласну технологію формоутворення ЛВМ, ми будемо готові надати її у неврізаному вигляді за умови дотримання наших інтересів. Характер наших інтересів буде узгоджено у двосторонньому порядку.

Спеціальні методи лиття. Довідник за загальною редакцією акад. АН УРСР В.А.Єфімова. М., «МАШИНОБУДУВАННЯ», 1991.
Іванов В.М. Словник-довідник із ливарного виробництва. М., «МАШИНОБУДУВАННЯ», 1990.
Рєпях С.І. Технологічні основи лиття за моделями, що виплавляються. Дніпропетровс, Ліра ЛТД, 2006.