/
Автор: Дошкарж И. Габриель Я. Гоушть М. Павелка М.
Теги: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления отдельные машиностроительные и металлообрабатывающие процессы и производства литейное производство издательство машиностроение литье
Год: 1979
Текст
Ing. Dr. Josef Doskdr
Jan Gabriel
Ing. Miroslav Houst’
Ing. Miroslav Pavelka
r-L- -- - - -- -. . -- . -- ...---—_-
Vyroba
pfesnych odlitku
Praha 1976
SNTL—Nakladatelstvi technicke literatury
Производство
точных
отливок
Перевод с чешского Д.Д.ТИМОНИЧА
2^7105
БИБЛИОТЕКА i
ЗАВКОМА
КамАЗа (
МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1979
ББК 34.61
П80
УДК 621.74.045-850-03.82
Авторы: Иозеф Дошкарж, Ян Габриель,
Мирослав Гоушть, Мирослав Павелка
Редактор канд. техн, наук В. Н. Иванов
Производство точных отливок/И Дошкарж, Я. Габриель,
П80 М. Гоушть, М. Павелка. М.: Машиностроение, 1979.—
296., ил.
В пер.: 1 р. 80 к.
Книга содержит сведения о технологии точного литья, в основном по выплав-
ляемым моделям. Приведены последние достижения в области применяемых
материалов, процессов и оборудования.
Книга предназначена для инженерно-технических работников литейного
производства.
ББК 34.61
6П4.1
© Перевод на русский язык, «Машиностроение*, 1979 г.
Глава 1
ТОЧНОЕ ЛИТЬЕ
1.1. РАЗВИТИЕ ТОЧНОГО ЛИТЬЯ
Литье по выплавляемым моделям йзвестно человечеству уже
несколько тысячелетий. Технология художественного литья древ-
ности сходна с современной в принципе только в том, что для
изготовления неразъемной формы используется выплавляемая
модель. Известны отливки, изготовленные 6000 лет тому назад,
в нижнем Ефрате в стране Урарту [11, позднее в Египте, Пале-
стине, Испании, Персии, Китае, в ацтекской Мексике, в Италии
и других странах. На модель из пчелиного воска вручную нано-
силась глина; полость в отливке формировалась также глиня-
ными стержнями. Литая из бронзы голова Палласа высотой 2,3 м
(рис. 1) ОТНОСИТСЯ К IV'B. до н. э. [2].
Позже, особенно в эпоху Возрождения, художественное литье
по выплавляемым моделям широко применяет в Италии Бенве-
нутто Челлини. В XIX в. для производства художественных
отливок стали использовать разъемные песчаные формы, и
способ литья по выплавляемым моделям был почти забыт.
В конце XIX в. литье по выплавляемым моделям стали применять
в зубопротезной технике и для изготовления ювелирных изде-
лий.
Промышленное использование литья по выплавляемым моде-
лям началось в начале второй мировой войны, так как потребова-
лись фасонные отливки очень сложной формы с высокой точностью
и хорошим качеством поверхности. В современном процессе при-
нят известный принцип изготовления форм для точных отливок,
при использовании новых модельных связующих и формовочных
материалов. Технологические операции были механизированы
и частично автоматизированы. В литье по выплавляемым моделям
стали применять модельные составы, способные сохранять по-
стоянные размеры, высокопрочные и точные керамические формы,
вакуумную плавку и заливку сплавов и, наконец, вставляемые
керамические стержни для получения очень сложных; и точных
полостей в отливках.
Такие усовершенствования расширили возможность произ-
водства крупных отливок большой сложности с высокой точностью.
Например; появилась возможность отливать корпуса двигателей
Для ра^Ьтных летательных аппаратов, особенно деталей косми-
5
Рис. 1. Голова Палласа (отливка из бронзы)
Рис. 2. Букет чертополоха
6
веского оборудования из труднообрабатываемых сплавов, к кото-
рым предъявляются специальные требования.
В настоящее время литье по выплавляемым моделям успешно
используется в следующих отраслях промышленности: в станко-
строении и машиностроении, особенно при производстве энерге-
тических устройств; в авиационной, в оборонной, в текстильной,
в оптической и пищевой промышленности; в производстве пишу-
щих и счетных машин; в электротехнике; в промышленности
средств связи; в медицинской промышленности для изготовления
костных и зубных протезов.
Современные достижения литья по выплавляемым моделям
позволили изготовлять уникальные отливки. На рис. 2 показана
отливка букета чертополоха из бериллиевой бронзы с четкими
деталями (волосками), что свидетельствует о больших возмож-
ностях этого вида литья.
Литье по выплавляемым моделям является одним из прогрес-
сивных способов получения заготовок. При правильном примене-
нии этого способа существенно экономится металл, сокращается
время изготовления детали и снижается ее себестоимость. Не-
которые отрасли промышленности не могли бы без литья по вы-
плавляемым моделям достичь развития, которое они имеют в на-
стоящее время.
1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧНОГО ЛИТЬЯ
Точным литьем называют обычно все способы литья, которые
позволяют получить точные отливки. К этим способам относят
литье под давлением, литье в кокиль, в оболочковые формы из
термореактивных смесей (кронинг-процесс С и D), в прессованные
керамические формы и литье по выплавляемым моделям. Но
больше термин «точное литье» подходит для способов, которые
позволяют получать отливки с точностью, большей чем =±0,25%
номинала. В этом смысле именно к точному литью относится литье
по выплавляемым, выжигаемым,
моделям.
В табл. 1 приведены сведе-
ния о точности, которую обе-
спечивают способы, относящие-
ся к точному литью. Видно, что
из всех приведенных в таблице
способов наиболее точным явля-
ется способ литья по выплавляе-
мым моделям. Этим способом
литья получают очень сложные
отливки с точными полостями,
отверстиями и пазами, в том
числе из сплавов с высокой тем-
перату]1Ьй плавления. Для ли-
испаряемым и растворяемым
Таблица 1. Точность отливок,
полученных различными способами
Допуски в мм
на размер
от 30 до 50 мм
Способ литья
По выплавляемым
моделям . . . .
В оболочковые
формы (кронинг-
процесс) . . . .
Под давлением
В кокиль . . . .
В песчаную форму
± (0,01 4-0,3)
± (0,05-0,2)
7
тья по выплавляемым моделям в настоящее время применяют
все виды сплавов.
Точное литье как технологический процесс характеризуется
тем, что им можно получать фасонные сложные машиностро-
ительные отливки, у которых рабочие поверхности выполняются
с такой чистотой и такой размерной точностью, что исключается
или резко уменьшается механическая обработка, а следовательно,
снижаются расходы, связанные с ней.
Этот способ используют в тех случаях, когда при изготовлении
отливки сложной формы и из труднообрабатываемого материала
другие способы оказываются исключительно дорогими. К таким
деталям, например, можно отнести детали, применяемые в тепло-
технике, атомной технике или в оборонной промышленности.
Однако способы точного литья, в том числе и литье по вы-
плавляемым моделям, не исключают другие способы изготовления
деталей, например, ковку, прессование или механическую обра-
ботку, Точное литье дополняет остальные производственные
способы получения заготовок и имеет свои пределы по размерным
допускам и шероховатости поверхности. Эти параметры опре-
деляются принятой технологией и применяемыми материалами.
У точного литья, как и у других производственных способов,
следует использовать лишь такие размерные и качественные пара-
метры, которые необходимы с точки зрения эксплуатации детали,
так как с повышением этих требований неизбежно растут произ-
водственные расходы. Согласование этих технико-экономических
требований потребителей с возможностями производства не-
избежно, так как до выбора способа изготовления отливки необ-
ходимо проводить экономический анализ с учетом всех важнейших
параметров производства.
1.3. ЭКОНОМИКА ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ
МОДЕЛЯМ
Себестоимость отливок в основном складывается из стоимости
материалов и заработной платы, включая накладные расходы.
Повышенные расходы для получения точной отливки должны
полностью окупаться экономией от снижения расходов на обра-
ботку заготовок.
Наиболее выгодно использовать литье по выплавляемым моде-
лям при изготовлении деталей сложной формы из труднообраба-
тываемых материалов.
Экономическая эффективность при изготовлении простых дета-
лей складывается из экономии материала отливок; экономии
затрат на заработную плату; экономии остальных расходов.
Экономия материалов определяется: а) исходной (прежней)
технологией изготовления заготовки; б) изменением конструкции
изделия при переводе его на литье; в) использованием более деше-
вой металлической шихты при производстве отливок.
8
Таблица 2. Экономический анализ
(От 7 Отливка: ключ Область применения: станки для меха- нической обработки Стан ок-у стр ойство: автомата чески й фрезерный станок
Показатель Единица измерения Технология Разница
Штамповка Точное литье
Материал CSN 12010 CSN 12010
Масса заготовки КГ 0,12 0,10 , 0,02
Стоимость заготовки крона/шт 0,21 4,55 Дь.-—
Расходы на окончатель- ную обработку крона 7,01 1,05 5.96
Остальные расходы на за- готовку крона 14,02 2,01
Общие производственные расходы на деталь крона 21,24 7,70 13,54
Результат. Экономия расходов на обработку 85%, экономия производствен-
ных рапсодов 64%.
9
Таблица 3. Экономический анализ
Отливка: мундштук
Область применения: обувные станки
Станок-устройство: инструмент
Показатель Единица измерения Технология Разница
Штамповка Точное литье
Материал CSN 12050 CSN 12050
Масса заготовки КГ 0,84 0,21 0,63
Стоимость заготовки крона/шт 1,60 5,34 -' '
Расходы на окончатель- ную обработку крона 13,90 5,47 7,72
Остальные расходы на за- готовку крона 27,80 13,07 —
Общие производственные расходы на деталь крона 43,30 23,88 19,42
Результат. Экономия на материале 75%, экономия расхода на обработку 58%.
10
Таблица 4. Экономический анаЛид
л f - —________________.—.
Йй^р*** • ~
Отливка: коммутатор
Область применения: станки в пищевой
промышленности
Станок-устройство: сепаратор
Показатель Единица измерения Технология Разница
Механиче- ская обра- ботка Точное литье
Материал CSN 17242 CSN 422931 а
Масса заготовки КГ 30 13,5 16,5
Стоимость заготовки крона/шт 923,09 402,80 -
Расходы на окончатель- ную обработку крона 112,06 50,61 61,45 1
Остальные расходы на за- готовку крона
Общие производственные расходы на деталь крона 1416,15 625,41 790,74
Результат. Экономия на материале 55%, экономия на окончательной обра-
Обтке ^^4,5 ®/о.
11
Таблица 5. Экономический анализ
Отливка: дисковая фреза
Область применения: машиностроение
Станок-устройство: инструмент
Показатель Единица измерения Технология Разница
Штамповка Точное литье
Материал CSN 422992 CSN 422992
Масса заготовки КГ 4,0 1,75 2,25
Стоимость заготовки крона/шт 60,0 28,25 31,75
Расходы на окончатель- ную обработку крона 11,40 9,60 1,80
Остальные расходы на за- готовку крона 22,80 19,20
Общие производственные расходы на деталь крона 98,70 60,85 37,85
Примечание. Ранее фрезы изготовляли механической обработкой из поковки.
В литой заготовке полностью выполняется профиль зуба.
12
Величина экономии затрат на заработную плату зависит от
разницы заработной платы на производство детали по исходной
технологии и заработной платы на изготовление точной отливки.
Экономия на остальных расходах зависит прежде всего от
размера расходов, которые зависят от объема технологических
операций при обоих способах изготовления. Сюда же относится
и экономия затрат на производственное оборудование и на рабо-
чую площадь.
Общая экономия при всех затратах должна быть больше или
во всяком случае равна разнице между стоимостями заготовок
по обоим технологическим процессам. Если при переводе изделия
с других видов литья на литье по выплавляемым моделям не проис-
ходит снижения его массы за счет значительного изменения кон-
струкции, то в большинстве случаев точная отливка как исходная
заготовка значительно дороже.
В отдельных случаях необходимость изготовления изделий
литьем по выплавляемым моделям определяется только конъюн-
ктурными соображениями. Например, производство важнейших
сооружений и устройств для обороны страны, производство,
связанное с выполнением международных торговых соглашений
и т. п. В этом случае экономика отступает на второй план.
В табл. 2—5 приведено несколько конкретных примеров эко-
номического анализа машиностроительных деталей и инструмен-
тов, выполняемых литьем по выплавляемым моделям.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Vom Wachs. Hoechster Beitrage zur Kenntnis der Wachse, Band L, Bei-
trag Nr. 3, s. 9.
2. La Fonderie, 168, 1960, s. 17.
3. Casting a whistle. Foundry Trade Journal, 4/4, 1963, s. 453—455.
Глава 2
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ отливок
Возможности применения точных отливок в современном ма-
шиностроении очень велики. Этому способствовало увеличение
точности отливок, использование вставляемых керамических
стержней, внедрение различных типов сплавов, в том числе вы-
полняемых в вакууме [1—3].
Однако не всегда полностью используются экономические
выгоды, присущие литью по выплавляемым моделям. Этому
препятствуют два обстоятельства: недостаточная мощность цехов
литья по выплавляемым моделям, что ограничивает расширение
этого прогрессивного технологического процесса, и недостаточное
знание конструкторами и заказчиками возможностей этого вида
литья.
Производство точных отливок по выплавляемым моделям яв-
ляется относительно дорогим процессом, поэтому прежде чем
перейти на этот процесс, нужно сделать подробный экономический
анализ, позволяющий судить о производственных затратах по
предшествующей и по новой технологии.
» Наиболее важным является массовость производства, так как
стоимость пресс-форм для выплавляемых моделей, особенно для
сложных отливок, является высокой, и их амортизация возможна
только в случаях изготовления очень большого числа изделий.
Обычно величина минимальной серии составляет 2000 шт.; в виде
исключения можно допустить серию 500 шт., в частности, для
крупных отливок.
Литьем по выплавляемым моделям нерационально, естественно,
с экономической точки зрения, получать те машиностроительные
детали, которые целиком можно изготовить на автоматах и полу-
автоматах, копировальных фрезерных станках, штамповкой, прес-
сованием, сваркой, литьем под давлением и др. Также не следует
переводить на литье по выплавляемым моделям отливки, получа-
емые другими литейными способами. Литье по выплавляемым
моделям ни в коем случае не заменяет обычных литейных способов
там, где они удовлетворяют требованиям в отношении качества
поверхности, размерных допусков и соответствующего использо-
вания металла. При использовании литья по выплавляемым моде-
лям возможно получить заготовки со сложной наружной и вну-
14
тренней конфигурацией, что затруднительно выполнить механи-
ческой обработкой. Если такая деталь конструируется только
с учетом возможности механической обработки, то отливка имеет
неоправданно большую массу.
При литье по выплавляемым моделям сложность формы от-
ливки не является решающей, и можно проектировать деталь со
сложной конфигурацией, с тонкими стенками, при общей меньшей
массе металла. Поэтому следует по возможности без существен-
ного влияния на экономику производства при конструировании
литых деталей приближать их форму к идеальной. Такое решение
реально для большинства отливок, изготовляемых крупными
сериями из различных видов сплавов, при существенной экономии
производственных расходов по сравнению с исходной технологией
и механической обработкой.
Но эти возможности не везде полностью используются. На
практике еще относительно редки случаи, когда деталь с самого
начала спроектирована в тесном сотрудничестве конструктора
и технолога-литейщика. Большей частью такие детали, спроекти-
рованные ранее для другой технологии, переводились на литье
без изменения, и конструктор из-за осторожности не всегда изме-
нял форму отливки. Такие отливки бывают совершенно не при-
годны для литья по выплавляемым моделям, так как не позволяют
полностью использовать все его технические и экономические пре-
имущества.
Если конструктор хочет наиболее полно использовать пре-
имущества литья по выплавляемым моделям, он не должен кон-
сервативно настаивать на старом испытанном варианте конструк-
ции. При разработке детали его главным помощником должен
стать специалист-литейщик. Однако конструктор должен иметь
основные понятия о литье по выплавляемым моделям для того,
чтобы с пониманием относиться к требованиям технологии литья
и к проектированию детали в соответствии с нею. Усилия, затра-
ченные конструктором на изменение формы детали и на решение
предполагаемых затруднений, которые могут возникнуть при этом,
полностью вознаградятся меньшей себестоимостью изготовления
и лучшими служебными свойствами детали.
2.1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОТЛИВОК
Детали, спроектированные для получения механической обработ-
кой, отличаются по внешнему виду от аналогичных, полученных
литьем. У них имеются типичные острые наружные и внутренние
грани с малыми закруглениями углов, резкие изменения толщин
сечений — без переходов простые полости, симметричные вдоль
одной оси, большей частью в виде тел вращения. Это все выпол-
няется на токарных станках достаточно экономично.
Для деталей, получаемых литьем, такая форма не пригодна
и воЧ«ногих случаях недопустима. При таких формах возникают
15
литейные дефекты — усадочные раковины, наружные и внутренние
трещины, которые снижают прочность и плотность деталей.
Отливки должны быть закругленной формы с плавным пере-
ходом различных толщин; массивные узлы отливки необходимо
облегчать. Необходимость изменения формы детали (частичной
или полной) связана с закономерностями технологии литья. При
охлаждении жидкого металла изменяется его объем, что сле-
дует учитывать при выборе размеров отливки и ее сечений, осо-
бенно там, где соединяются между собой стенки различной тол-
щины.
Толщины отдельных стенок отливки следует выбирать так,
чтобы сечение увеличивалось по направлению к будущему месту
подвода жидкого металла. Питатель для отливок небольших раз-
меров в большинстве случаев является элементом для питания
отливки металлом во время его кристаллизации. У больших
и сложных отливок сечения стенок могут не отвечать условиям
направленного затвердевания. В этом случае следует предусматри-
вать специальную литниковую систему с прибылями.
При недостаточном питании кристаллизующейся отливки ме-
таллом в ее утолщенных местах возникают усадочные раковины
и рыхлоты, снижающие прочность отливки.
Изготовление совершенно плотных отливок (особенно сложных
машиностроительных) без каких-либо внутренних дефектов яв-
ляется не простой задачей, и требуется тесное сотрудничество
конструктора с технологом-литейщиком.
Как уже было указано, необходимо стремиться к конструкции
детали с постепенным увеличением толщины стенок по направле-
нию к питателю. Применение большого числа прибылей или пита-
телей требует соответственно больших расходов на отделение их
от самой отливки и на последующую окончательную зачистку.
Следует отметить, что отливки, которые в эксплуатации под-
вергаются динамическим нагрузкам, должны быть без внутрен-
них дефектов. Разработать оптимальную форму отливки трудно,
особенно при незнании подробностей литейной технологии и прин-
Рис. 3. Неправильное и правильное сопряжения стенок одина-
ковой толщины
16
ципов направленного затвердевания. В таких случаях неизбежна
специальная консультация.
На рис. 3 показаны примеры правильных решений и примеры
неудачного сопряжения стенок отливки, приводящего к возник-
новению усадочных пороков.
2.2- ТОЛЩИНА СТЕНОК И ИХ СОПРЯЖЕНИЯ
В отливках, подвергаемых при эксплуатации динамическим
нагрузкам, необходимы плавные переходы толщин стенок. При
сопряжении двух стенок различной толщины следует пользо-
ваться рекомендациями, приведенными на рис. 4.
На рис. 5 показан пример соединения под углом около 90°
двух стенок различной толщины, на рис. 6 тавровое соединение,
а на рис. 7 соединение перекрещивающихся стенок в отливке.
В узле крестообразного соединения (см. рис. 7) образуется
раковина или рыхлота, а в самой отливке возникают напряжения.
Следует избегать такой конструкции и заменять ее двумя тавро-
выми соединениями.
Из всех приведенных схем следует, что в конструкциях не
должно быть местных узлов — скоплений металла и острых углов.
При правильных приемах при конструировании отливки устра-
няются резкие перепады температур при охлаждении и затверде-
вании металла и предупреждается образование литейных дефектов.
У динамически нагруженных деталей каждое резкое изменение
сечения является концентратором напряжений, приводящим к пре-
Рис. 4. Неправильное и правильное сопряжения стенок разной
толщины
Неправильно
Рис. 5. Неправильное и правильное сопряжения стенок
разной толщины, расположенных под углом 90°
БИБЛ.ц э река
завкома
КамАЗа
17
Рис. 6. Сопряжение стенок, перпендикулярных друг другу
t />4(Т-О; с = Т-/; г= -ф--; R = Т - г
О
Рис. 7. Неправильное и правильное выполнение узла пересече-
ния стенок. Величины I, с, г, R определяются по уравнениям,
приведенным на рис. в
вышению предела текучести используемого материала, т. е. к пол-
ному разрушению отливки. Концентрация напряжений возникает
также при термообработке отливок. Чувствительность к надрезам
значительно повышается с увеличением механической прочности
металла после термообработки.
2.3. КОНСТРУКЦИЯ ОТЛИВКИ
Резкие переходы толщин стенок и массивные узлы отливок
можно устранить, применяя ребра жесткости (рис. 8). Конструк-
тивно и технологически труднее изготовить отливки с различными
толщинами стенок. В этом случае рекомендуется выполнять пере-
ходы с большими радиусами скругления. Выполнение таких
наиболее трудных конструкций обязательно решается при тесном
сотрудничестве конструктора и технолога-литейщика. В самых
трудных случаях после экспериментов с первыми опытными от-
ливками следует выполнить корректировку конструкции.
Рис. 8. Пример выполнения
коробчатой конструкции
18
Рис. 9. Неправильное и правильное выполнение бобышки под
отверстие
При проектировании отливок конструктор должен решать
не только проблемы, связанные с их качеством, но и вопросы
экономики производства. Так, конструкция отливки определяет
сложность и стоимость пресс-формы для выплавляемой модели,
трудоемкость сборки модельного блока, отделения отливки от
литниковой системы, финишной обработки и т. д.
Одним из наиболее частых конструкционных элементов детали
являются утолщения под отверстия — бобышки. Их необходимо
проектировать так, чтобы они не мешали извлечению модели из
пресс-формы (рис. 9).
Стоимость пресс-формы высокая, особенно для сложных от-
ливок, например, турбинных колес. Для извлечения модели из
пресс-формы должен быть предусмотрен уклон, который при
обработке полостей формы вызывает иногда затруднения. Вели-
чину этого уклона необходимо согласовывать с будущим изготови-
телем, так как она может изменяться в зависимости от принятого
технологического процесса.
При отливке длинных плоских деталей на ровных поверхно-
стях образуются трещины или коробления. Поэтому такие поверх-
ности желательно изготовлять с припусками на обработку. Иногда
бывает достаточным при согласии конструкторов разделить такую
поверхность канавками или ребрами, которые уменьшают напря-
жение в литейной форме и препятствуют появлению указанных
дефектов.
Получить литьем острые кромки, например на лопатках тур-
бин, насосов, вентиляторов, трудно, так как металл при заливке
охлаждается в полости литейной формы и не заполняет тонкие
сечения. Поэтому рекомендуется предусматривать отводное пита-
ние граней и по возможности назначать на наиболее тонкие части
припуски на механическую обработку, особенно в тех случаях,
когда грань должна быть острой и ровной.
Из приведенного ясно, что основные принципы конструирова-
ния точных отливок в своей основе такие же, как и отливок, полу-
чаемых в песчано-глинистых формах. Однако при литье по вы-
плавляемым моделям конструктор может проектировать отливку
со стяжной конфигурацией, повышенной точности и чистотой
поверхности. Для этого в некоторых случаях следует максимально
19
Таблица 6. Данные о допусках
на отливки с ребрами
длиной до 100 мм
Длина ребра отливки, мм Допуск на размер до 10 мм, ± мм
дости- жимый эконо- мичный
15 0,03 0,10
15—25 0,05 0,15
25—50 0,10 0,20
50—75 0,15 0,30
75—100 0,20 0,40
Таблица 7. Данные об отклонениях
параллельности стенок отливки
Расстояние Отклонение разме-
ров, ± мм
между стенками
отливок, мм после литья после правки
1,5 0,075 0,075
3,0 0,075 0,075
6,5 0,075 0,075
13 0,13 0,10
20 0,15 0,12
25 0,20 0,15
40 0,25 0,20
облегчать отливку с сохранением ее прочности путем введения
ребер жесткости.
Преимущество литья по выплавляемым моделям заключается
в том, что можно получать отливки из различных сплавов, высо-
кой прочности при малой массе. Некоторые данные по размерной
точности отливок в зависимости от их размера приведены в табл. 6.
В зависимости от конфигурации отливки ее некоторые размеры
приходится доводить как изготовителю, так и заказчику. Отливки
типа вилок, например, из-за термических напряжений при охла-
ждении, сопротивления оболочковой формы, а также часто и во
время транспортировки настолько деформируются, что их необхо-
димо дополнительно рихтовать по шаблону для получения задан-
ной формы. В этих случаях рекомендуется уже при проектирова-
нии отливки усиливать ее ребрами или соединять ее части техно-
логическими связками (рис. 10).
В других случаях деформацию можно предупредить за счет
дополнительных литейных припусков, с учетом дополнительных
расходов, связанных с их удалением и последующей отделкой
отливок. Часто для получения определенного размера между
двумя параллельными поверхностями отливок применяют меха-
ническую правку. Данные о точности, получаемой между двумя
параллельными поверхностями, приведены в табл. 7.
Рис. 10. Рекомендуемое усиление жест-
кости детали, предупреждающее изме-
нение размера Н при литье
Цилиндрические или кониче-
ские поверхности нельзя получить
литьем с совершенно идеальной
формой окружности из-за нерав-
номерной усадки металла и напря-
жений, которые зависят от разме-
ров отливки, толщины стенки и
стенок, связанных с окружностями.
Обычно удается получать отклоне-
ния окружности диаметром 10 мм
20
Таблица 8. Отклонения
от цилиндрического профиля
отливки
Наружный диаметр, мм Отклонение от ци- линдричности, ± мм
после литья после правки
12 0,25 0,125
25 0,5 0,15
35 0,6 0,20
50 0,75 0,25
Таблица 9. Отклонения внутреннего
диаметра у кольцевых отливок
Внутренний диа- метр отливок, мм Отклонение размера, ± мм
6 0,3
6—12 0,4
12—25 0,5
25—30 0,8
в пределах =±=0,05 мм. Более широкая информация о размерных
допусках содержится в табл. 8.
Если отливка имеет форму кольца, то внутренний и внешний
контуры окружностей эксцентричны. Это зависит от величины
диаметра и от толщины стенки. Чем больше диаметр5 тем меньше
разница в симметрии обеих окружностей. Информативные данные
о размерах колец и вероятных отклонениях даны в табл. 9.
Величины, приведенные в табл. 9, нельзя выдержать в тех
случаях, когда внешняя или внутренняя окружности кольца
соединены с другими ребрами или стенками. Затруднения возни-
кают также и в тех случаях, когда требуется изготовить отливки,
у которых стенки должны иметь точно выполненный угол. Обычно
углы в отливке имеют допуск 0,5—2° в зависимости от того, в ка-
кой мере конструктор или технолог предусмотрел соответству-
ющее усиление (жесткость), препятствующее развертыванию сте-
нок. Конструкции, изображенные на рис. 10 и 11, эффективно
снижают деформации в отливке и позволяют выдерживать угол
в более узких допусках.
Технологическое усиление (см. рис. 10) хотя и дает положи-
тельный результат, но повышает производственные расходы на
отделку отливки и не гарантирует жесткость детали при ее экс-
плуатации.
Острые грани на стальных и чугунных отливках выполняют
с минимальной величиной радиуса скругления (на небольших
участках до 0,15 мм), а в отливках из цветных сплавов до 0,5 мм.
Для получения острых протяженных граней следует применять
большие радиусы скруглений по сравнению с приведенными.
Минимальный угол граней лезвия должен быть меньше 15°, иначе
рекомендуемые радиусы скругления трудно выдержать.
Литые сквозные отверстия в отливках из черных сплавов
рекомендуется выполнять при отношении диаметра к длине отвер-
стия не более 1:4. Для отливок из цветных сплавов это отношение
составляет 1 : 6. Глухие отверстия и углубления можно легко
выполнить в отливках при их глубине, приблизительно равной
21
Рис. 11. Пример отливки с отвер-
стиями, расположенными на раз-
ных осях
диаметру для отливок из чер-
ных сплавов и двум диаметрам
для отливок из цветных спла-
вов. Внутренние стенки отвер-
стия или углубления в местах
Таблица 10. Отклонения
от параллельности осей полой отливки
Длина отвер- стия, мм Диаметр отвер- стия, мм Рас- стояние между осями, мм Откло- нения от парал- лель- ности, ± мм
6 3 12 0,125
12 6 18 0,150
18 9 25 0,200
25 12 32 0,250
30 15 35 0,300
35 20 40 0,330
50 25 50 0,350
60 30 55 0,400
сопряжения с дном должны быть обязательно скруглены.
Замечательное преимущество литья по выплавляемым моде-
лям — возможность получения в отливке каналов с искривленной
осью при благоприятном отношении диаметра канала к его длине
[1 ]. При этом полость или литой канал могут иметь произвольную
форму; этот профиль может изменяться еще и по длине (рис. 11).
Такой сложный профиль канала нельзя отлить с большой точ-
ностью. Получить же такую полость в большинстве случаев мето-
дами механической обработки вообще нельзя. Это преимущество
литья особенно важно при получении отливок из труднообраба-
тываемых сплавов. Отклонения от параллельности осей в таких
несоосных каналах или полостях для определенного диапазона
размеров приведены в табл. 10.
В исключительных случаях при высоком уровне технологии
литья можно получать в отливке и крупную внутреннюю резьбу '
[12]. При литье шлицевых канавок их минимальная ширина для
черных сплавов составляет не менее 2,5 мм, для цветных сплавов
не менее 1,5мм [12]. При использовании вставляемых керами-
ческих стержней эти величины могут быть еще меньше.
2.4. РАЗМЕРЫ И МАССА ОТЛИВОК.
КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ
Конструктору важно знать наименьшую толщину стенки,
выполняемую литьем. Назвать эту величину однозначно очень
трудно, так как это связано с размерами всей отливки, располо-
жением меньшей стенки по отношению к другим частям отливки
и от размера ее площади. Наименьшую толщину стенки можно
получить, если она прилегает к более массивным частям отливки.
В этом случае можно получать толщины от 0,5 мм при литье чер-
ных сплавов и до 0,3 мм при литье цветных сплавов. В табл. 11
22
Таблица И. Толщины
сменок при наибольшей
ее поверхности
Толщина
стенки,
мм
Наи
большая
поверх-
ность
стенки,
мм
0,15
0,50
0,70
Более 0,7
3X3
15X15
15X25
100Х 100
Таблица 12. Минимальные толщины стенок
и шероховатость поверхности отливок
из различных сплавов
Сплав Мини- мальная толщина стенки, мм Шерохо- ватость поверх- ности, мкм
Углеродистая сталь ... 2,0 90—125
Коррозионно-стойкая (не- ржавеющая) сталь (12— 15% Сг, 2% Ni) 1,7 100—125
Коррозионно-стойкая (не- ржавеющая сталь) (18% Сг, 8% Ni) 1,2 90—125
Кобальтовый сплав .... 1,2 80—100
Специальная бронза (20% Ni, 10% Zn) 1,5 60—100
Бериллиевая бронза .... 1,0 60—100
Алюминиевые сплавы . . . 1,2 60—100
приведены допускаемые толщины стенок и их максимальная пло-
щадь поверхности.
Если вся отливка имеет одинаковую толщину стенки при
небольших габаритных размерах, то наименьшая толщина для
черных сплавов составляет 1,2 мм, для цветных 0,6 мм.
В табл. 12 приведены данные о минимальных толщинах стенок
в отливках из различных литейных сплавов (данные относятся
к отливкам, длина которых не превышает толщину больше чем
в 5 раз).
Получение точных отливок максимальной массы и габаритных
размеров зависит от уровня технологии в литейном цехе и от его
оснащения, в частности в отделении изготовления оболочек и пла-
вильном отделении. По литературным данным, максимальная
масса отливок—до 200 кг [1, 13, 14]. Обычно масса точных
отливок не превышает 40 кг.
Необходимо отметить, что крупные и тяжелые отливки полу-
чаются с невысокой точностью. Целесообразно такие отливки,
особенно симметричные, изготовлять из отдельных частей с после-
дующей сваркой в приспособлениях. Сварочная техника в насто-
ящее время развита до такого уровня, что сложная деталь, изго-
товленная из большинства литейных сплавов, будет иметь по-
стоянные свойства, т. е. как будто она изготовлена в виде единой
отливки [15].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
v 1. A Designers Guide to Investment Casting, Precision Metal Molding, 1963,
c. 1, s. 45—-48.
2. Wilcox R. J., Martini R. W. Investment Casting for Advanced Aircraft,
Metal Progress, 1962, c. 9, s. 90—96.
3. ^azzara V. S. Save Money with Small Investment Castings, Precision
Metal Molding, 1958, c. 7, s. 23.
23
-1
4. Houdremont E. Handbuch der Sonderstahlkunde, Band. 2. Berlin,
Springer Ver lag 1956.
5. Taylor R., Mason M. Dimensional Aspects of Lost-Wax Investment Ca-
sting, Foundry Trade Journal, 2. 6. 1960, s. 696.
6. Sweeny W. 0. Are you buying Tolerance you dont Actually Need? Pre.
cision Metal Molding, 1958, c. 7, s. 26—27.
7. Lefranc P. Le Procede Maprodent de Microfonderie de Precision, La Te-
chnique moderne, 1955, c . 9, s. 390—392.
8. Dechamps V. Posibilites de la Fonderie de Precision. Aspects Metallur-
giques de ses Advantages. Revue universelle des Mines, 1955, c. 11, s. 606.
9. Aldarimov V. P., Stanko M. G. Otklonenie razmerov i vesa tocnych ot-
livok. Litejnoje proizvodstvo, 1959, c. 8. s. 6.
10. How to design and buy investmentcasting. Edited by R. Herman, Inve-
stment casting Institute, Chicago.
11. The Design Advantages of Preformed Ceramic Cores. Precision Metal Mol-
ding, 1964, c. 5, s. 69—71.
12. WanttsC. H. Self-Forming Core Process Increases Casting Design Freedom,
Foundry, 1963, c. 5, s. 165, 168, 171.
13. A Designers Guide to Investment Casting. Precision Metal Molding 1963,
б. 1, s. 45—48; 1963, c. 2, s. 33—35.
14. How to Simplyfy Design Use Investment Castings. Precision Metal Mol-
ding, 1966, c. 2, s. 41.
15. Kolletiv autoru Litje po vyplavljajemym modeljam, Moskva, 1971, s.
26—27.
Глава 3
ПРЕСС-ФОРМЫ. МОДЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОДЕЛЕЙ
3.1. ПРЕСС-ФОРМЫ
Основной предпосылкой для получения точной отливки яв-
ляется точная модель с поверхностью, не имеющей пороков,
с точно выдержанными размерами, отвечающая всем технологи-
ческим особенностям, которые проявляются при производстве
отливок. Для изготовления такой модели применяют точно изго-
товленную пресс-форму. Часто при выборе способа литья по вы-
плавляемым моделям определяющим является стоимость мастер-
модели и пресс-формы. Иногда может быть даже так, что рас-
ходы на изготовление мастер-модели и пресс-формы будут более
высокими, чем экономия, получаемая в результате перевода
детали с механической обработки на литье.
Пресс-формы для литья выплавляемых моделей должны отве-
чать следующим основным требованиям: обеспечивать получение
качественных моделей (с заданной точностью и чистотой поверх-
ности, без дефектов); минимальное время охлаждения модели.
По целевому назначению и использованию пресс-формы под-
разделяются: а) для изготовления собственно моделей; б) для
изготовления вспомогательных технологических деталей (сто-
яков, коллекторов, прибылей и т. п.).
По конструкции пресс-формы классифицируют на одногнездо-
вые (одноместные); многогнездовые, не связанные литниковой
системой; многогнездовые со сменными вкладышами для сборки
в кондукторах.
По степени механизации пресс-формы бывают простые, с уда-
лением моделей (вручную); простые, с ручным удалением моделей
с помощью толкательной системы; сложные, с извлекаемыми
стержнями. Пресс-формы собирают со стержнями и деталями
пресс-формы и разбирают вручную или с помощью механизмов;
полностью механизированные или автоматизированные.
По способам изготовления пресс-формы классифицируют [1]
на обрабатываемые механически; литые из легкоплавких сплавов;
литые из цинковых сплавов; литые из пластмасс; литые из гипса;
литые или прессованные из каучука (резины); обрабатываемые
способами гальванопластики или металлизации.
Стоимость пресс-формы в основном зависит от ее сложности,
которая определяет трудоемкость изготовления и материал пресс.
25
Рис. 12. Пресс-форма, изготовленная механической обработкой
формы. Эти факторы решают технолог и конструктор. При проек-
тировании пресс-формы технолог и конструктор руководствуются
требованиями, предъявляемыми к отливкам, и количеством отли-
вок в серии.
Пресс-формы, изготовляемые механической обработкой
(рис. 12), широко используют для изготовления выплавляемых
моделей. Пресс-форму целиком изготовляют на механообрабаты-
вающих станках без применения мастер-модели. Конструкция
пресс-форм для несложных отливок (без внутренних полостей)
относительно проста, так же как и ее изготовление. Значительно
сложнее и дороже изготовление пресс-форм для отливок с вну-
тренними полостями или с фигурной плоскостью разъема. Модели
с внутренними полостями или с профильными сочленениями
(оси которых не параллельны направлению раскрытия формы или .
проходят вне плоскости разъема) должны иметь выдвижные
стержни, точное изготовление и подгонка которых в пресс-форме
очень трудоемки. Такие пресс-формы изготовляют из стали и алю-
миниевых сплавов. Алюминиевые сплавы предпочтительнее, так
как они имеют высокую теплопроводность. В литых заготовках
из алюминиевых сплавов часто встречаются поры и рыхлоты,
которые ухудшают качество поверхности моделей.
Формы изготовляют по 6-му классу точности IT с шерохова-
тостью поверхности 0,4—0,8 мкм по Hsk. Модельные участки
должны быть оборудованы современными точными металлорежу-
щими станками. Модели, изготовленные в таких пресс-формах,
отличаются высокой точностью, а сами пресс-формы — долго-
вечностью.
Пресс-формы из легкоплавких сплавов (рис. 13) изготовляют
заливкой легкоплавкого сплава на металлическую мастер-модель,
установленную в стальном каркасе. Каждую половину пресс-
формы заливают разными сплавами, отличающимися друг от
26
друга температурой плавления. При плоском разъеме модель
формуется в стальной обечайке формовочной смесью, состоящей
из кварцевого песка с 3% бентонита; влажность смеси 3,5—5,0%,
Брочность в сыром состоянии 0,8—1,0 Н/см2 [2].
При криволинейном разъеме модель фиксируется в гипсовой
фальшивой плите. Перед заливкой гипсом поверхность модели
смазывают маслом. После отверждения гипса разъем зачищают
для удобства извлечения модели. Затем на обечайку с фальшивой
плитой и моделью устанавливают вторую обечайку и медленно
нагревают собранный комплект до температуры заливки легко-
плавкого сплава. Для литья первой металлической половины
используют сплав с более высокой температурой плавления.
Температуру модели и фальшивой плиты контролируют стружкой
отливаемого сплава, насыпанной на модель. Температура должна
быть такой, чтобы стружка расплавлялась с образованием шари-
ков из жидкого сплава. Легкоплавкий сплав не следует перегре-
вать более чем на 30—40° С выше температуры его плавления.
В противном случае угарают элементы сплава и он перестает быть
эвтектическим. Применение неэвтектических сплавов приводит
к грубой поверхности пресс-формы.
Перед заливкой с зеркала расплавленного сплава снимают
окисные пленки и загрязнения. После заливки обечайку осторожно
постукивают для удаления с модели прилипших пузырьков воз-
духа, а зеркало залитого металла осторожно подогревают во избе-
жание его преждевременного затвердевания. Форму после охла-
ждения металла разбирают и из нее извлекают модель. Разъем
пресс-формы зачищают и в ней выполняют технологические по-
лости (литниковый канал, коллектор и т. д.). Стержни, толкатели
и центрирующие штыри вытачивают на механообрабатывающих
станках. Отверстия под толкатели получают при помощи заливки
самих толкателей или вспомогательных штырей при изготовлении
•г
Рис. 13. Пресс-форма из легкоплавких сплавов
27
Рис. 14. Пресс-форма из цинкового сплава
второй половины пресс-формы. Модель должна быть прочно со-
единена с толкателем, чтобы не произошло перекоса.
Вторую половину пресс-формы заливают сплавом с более
низкой точкой плавления по сравнению со сплавом, используемым
для первой половины пресс-формы. Поверхность первой половины
пресс-формы перед заливкой коптят сажей горящего масла. После
заливки и охлаждения второй половины пресс-формы модель
извлекают и при необходимости подправляют полость и разъем
пресс-формы (подгонка обеих половин пресс-формы). Мелкие
дефекты в полости исправляют пайкой или заделывают смолой.
Для первой половины пресс-формы обычно используют сплав,
состоящий из 80% свинца, 14% сурьмы и 6% цинка с темпера-
турой плавления около 250° С. Вторую половину пресс-формы
отливают из легкоплавкого сплава, содержащего 51% олова,
31% свинца и 18% кадмия с температурой плавления 150° С.
Поверхность рабочей полости пресс-формы шабруют и поли-
руют. Такая технология позволяет получить пресс-форму с точ-
ностью по 8—9-му классу IT. Мастер-модели обычно изготовляют
из среднеуглеродистой стали. Поверхность модели полируют.
При изготовлении модели, состоящей из нескольких кусков, не
рекомендуется их скреплять пайкой твердыми и мягкими припоями.
Легкоплавкие модели, получаемые в литых пресс-формах,
имеют качественную поверхность и удовлетворительную размер-
ную точность. Однако пресс-формы быстро выходят из строя,
поэтому их рекомендуется использовать для изготовления не-
большой серии отливок. Литые пресс-формы из легкоплавких
сплавов нецелесообразно использовать для изготовления крупных
моделей из-за значительной стоимости и большого расхода легко-
плавких сплавов.
Пресс-формы из цинковых сплавов (рис. 14) изготовляют за-
ливкой мастер-модели цинковым сплавом в стальной обечайке.
28
При изготовлении сложных пресс-форм или пресс-форм, к которым
предъявляются повышенные требования по точности, на зеркало
залитого цинкового сплава прикладывают давление вплоть до
полного затвердевания сплава. По сравнению с пресс-формами
из легкоплавких сплавов пресс-формы из цинковых сплавов
тверже, прочнее, меньше изнашиваются и деформируются при
ударах, т. е. стойкость пресс-формы из цинкового сплава не-
сколько выше, чем из легкоплавкого.
Процесс изготовления пресс-форм из цинковых сплавов, за-
твердевающих под давлением в первой фазе, аналогичен процессу
изготовления пресс-форм из легкоплавких сплавов. Сначала
изготовляют полированную цинковую или стальную модель.
Модель формуют песчаной смесью и заглубляют от плоскости
разъема на 1 мм. Перед заливкой песчаную форму коптят сажей,
затем на нее устанавливают стальную опоку и комплект подогре-
вают до 260—280° С. В обечайку заливают цинковый сплав, пере-
гретый до 410—430° С. Если модель выполнена из цинкового
сплава, то первоначально весь комплект охлаждают до комнатной
температуры, а затем модель вновь подогревают до 100—200° С
для ее лучшего извлечения.
Освобожденную от модели полуформу механически обрабаты-
вают по разъему и в нее вставляют модель с последующим копче-
нием сажей. Затем устанавливают вторую половину обечайки
и весь комплект подогревают в печи до 260—280° С. Нагретый
комплект устанавливают под прессом, заливают цинковым спла-
вом и прессуют пуансоном с силой не менее 10 кН в зависимости
от величины формы, вплоть до полного затвердевания сплава.
После охлаждения до комнатной температуры комплект вновь
подогревают до 100—200° С для облегчения его разборки.
Отлитую первую половину пресс-формы обрабатывают, а на
плоскости разъема высверливают два или три глухих отверстия
для фиксации со второй половиной пресс-формы. Толкатели фи-
ксируют в пресс-форме заливкой сплавом или же в пресс-форме
для них высверливают отверстие.
Аналогичным способом отливают вторую половину пресс-
формы. Пресс-форму доводят механической обработкой до требу-
емых размеров, фрезеруют литниковую систему, изготовляют
толкатели, стержни и устанавливают зажимные устройства.
Для изготовления пресс-формы из цинковых сплавов без
давления применяют разъемную модель. Обе ее половины уста-
навливают отдельно на плиты в обечайку, подогревают до 420° С
и заливают цинковым сплавом с температурой 470—490° С. После
затвердевания и охлаждения обечайку снимают, удаляют плиту
и извлекают модель. Плоскость разъема пресс-формы обрабаты-
вают и соединяют обе половины по центрирующим штырям. Вспо-
могательные части пресс-форм, например толкатели, стержни,
центрирующие штыри и т. п., изготовляют обычно из стали меха-
нической обработкой. Изготовить пресс-формы из цинковых спла-
29
Рис. 15. Пресс-форма из пластмассы
вов без давления относительно просто и дешево, однако такой
способ применяют при простой плоскости разъема.
Пресс-формы из цинковых сплавов достаточно долговечны,
обеспечивают высокое качество моделей и сравнительно недоро-
гие. Они пригодны для изготовления отливок крупными сериями,
но почти не пригодны для моделей с большими полостями или
с боковыми и наклонными стержнями. Затраты на заработную
плату при изготовлении цинковых пресс-форм больше, а стоимость
материала ниже, чем при изготовлении пресс-форм из легкоплав-
ких сплавов.
Пресс-формы, получаемые заливкой мастер-мо дел и пластмас-
сами (рис. 15), очень просты в изготовлении и поэтому дешевы.
Они недостаточно долговечны, и поэтому их используют при
изготовлении отливок малых серий. Материалом пресс-форм яв-
ляются дентакрил или эпоксидные смолы. Учитывая, что пласт-
массы мейее теплопроводны, чем металл, их следует использовать
для пресс-форм малых размеров с равномерно распределенной
массой, чтобы затвердевание модельного состава проходило равно-
мерно. Для увеличения теплопроводности рекомендуется в смолы
вводить наполнители — металлические порошки или дробь.
Наилучшими мастер-моделями являются металлические, поли-
рованные; для менее ответственных отливок применяют деревян-
ные модели. Практически для моделей можно использовать раз-
личные материалы, которые не деформируются при заливке
пластмассами. С гипсовых моделей получают наименее качествен-
ные отпечатки, чем с деревянных, а тем более металлических.
Перед заливкой модель смазывают тонким слоем разделитель-
ного состава для лучшего отделения мастер-модели от залитой
массы. Хорошо себя зарекомендовали смазки: 2%-ный раствор
силиконового масла в трихлорэтилене; 2%-ный раствор пчелиного
или карнаубского воска в бензине и раствор касторового масла
30
в метиловом или этиловом спиртах. Смазку наносят щеткой или
пульверизатором очень тонким слоем, чтобы не нарушалась
точность мельчайших элементов поверхности модели.
Процесс изготовления пресс-форм из пластмасс аналогичен
процессу изготовления с использованием жидких расплавов ме-
талла. Наиболее целесообразно использовать гипсовую фальши-
вую плиту. Пластмассу заливают с максимальной скоростью
непрерывной струей, чтобы в массе не замешивались пузырьки
воздуха. Струю пластмассы направляют на плоскость разъема,
поднимающийся уровень жидкости спокойно покрывает модель.
Воздушные пузыри из смолы, наполненной металлическим по-
рошком или дробью, удаляют вакуумированием или вибра-
цией.
Рекомендуется использовать массу, состоящую из смолы CHS
Epoxy 1200, в которую замещено 80% (по массе) стальной дроби
размером 0,3—0,5 мм. Смесь при перемешивании нагревается
до 50° С, в нее вводят отвердитель Р1 в соотношении 7 ч на 100 ч
смолы Epoxy 1200 и полученную смесь снова тщательно пере-
мешивают.
Пресс-формы из эпоксидных смол [3] с металлическим напол-
нителем часто используют для отработки технологии литья или
для получения небольших серий выплавляемых моделей. Этот
способ не требует больших затрат времени, дешев и всегда при-
меняется без механической обработки. Недостаток пластмассовых
пресс-форм — меньшая точность и малая теплопроводность пресс-
форм по сравнению с металлическими.
Пресс-формы из гипса можно использовать для изготовления
отдельных моделей без особых требований к их размерной точ-
ности. Стойкость таких форм очень небольшая, но, учитывая
незначительные расходы на их изготовление, их часто используют
при проверке технологических решений. Формы разъемные,
причем обе половины отлиты в деревянных или металлических
разборных обечайках. Вторую половину формы заливают по пер-
вой, как по фальшивой плите. Чтобы гипс не прилипал, разъем
первой пресс-формы смазывают разделительным составом (раствор
воска в трихлорэтане, в бензине или в силиконовом масле; рас-
твор вазелина в бензине). Гипсовые формы не пригодны для
запрессовки в них модельного состава под давлением. Модельный
состав заливают в формы в расплавленном состоянии свободной
заливкой.
Формы, изготовляемые заливкой мастер-модели силиконовым
каучуком, используют для изготовления выплавляемых моделей,
к которым не предъявляются требования по точности, например
модели декоративных предметов или модели для проверки раз-
рабатываемой технологии литья (например, плотности отливок
при выбранной литниковой системе). Такие формы эластичны,
поэтому в них можно изготовлять модели с отрицательными укло-
нами.*
31
Формы из силиконового каучука можно также изготовлять без
фальшивой плиты, заливкой целой модели. После затвердевания
оболочку из силиконового каучука разрезают по разъему. Фаль-
шивую плиту лучше всего изготовлять из гипса.
Направляющие штыри можно залить в обе половины формы;
помимо этого, можно изготовить из модельного состава модель
литникового канала и заформовать его одновременно с моделью.
Формы из каучука в металлических обечайках можно использо-
вать для изготовления моделей методом запрессовки модельного
состава при малом давлении. В формах без обечаек допускается
только свободная заливка модельного состава. Очень малая
теплопроводность каучуковых форм удлиняет весь цикл изгото-
вления моделей, но позволяет получать модели с четким отпечат-
ком и высоким качеством поверхности.
Пресс-формы, изготовляемые гальванопластическими спосо-
бами, можно использовать для очень точных и сложных моделей
средней массы. Такие пресс-формы нё пригодны для изготовления
моделей, имеющих глубокие карманы, пазы и отверстия, их
производство относительно дорого, требует специального обору-
дования и поэтому не находит в ЧССР широкого примене-
ния.
Пресс-формы, изготовляемые при помощи металлизации, не
проверены до сих пор в производстве, но были рассмотрены авто-
рами с технической и экономической стороны с ранее приведен-
ными способами.
Основным принципом металлизации является нанесение жид-
ких частиц металла газовым потоком на подготовленную поверх-
ность предмета при помощи металлизационного пистолета. Ме-
таллическая проволока в пистолете расплавляется либо пламенем,
чаще всего кислородно-ацетиленовым, или электрической дугой.
При ударе под влиянием кинетической энергии частицы металла
деформируются, сцепляясь между собой и с поверхностью мате-
риала, и образуют прочно связанную массу, которая точно вос-
производит форму предмета — модели. Этот способ используют
не для всех типов моделей. Плоскости, напыляемые под углом
к потоку, металлизируются труднее или вообще не металлизи-
руются при больших размерах их площади или при очень остром
угле атаки.
Любая пресс-форма (стальная, из легкоплавких или цинковых
сплавов, из пластмассы) может быть простой, сложной и с раз-
личной степенью механизации [4]. Пресс-форма может быть
предназначена только для конкретной конфигурации моделей
или же быть универсальной со сменными вставками. В пресс-
форме может быть выполнено устройство для водяного охлажде-
ния, и, наконец, она может быть использована для изготовления
моделей или литниковых систем.
Разумеется, что при изготовлении моделей малых серий или
при единичном производстве не используют высокомеханизиро-
32
ванные пресс-формы. Технология и расходы на изготовление
пресс-формы из разных материалов различны.
При проектировании пресс-форм для выплавляемых моделей
необходимо учитывать конструктивные особенности их элементов,
которые могут существенно влиять на работу всей пресс-формы.
Такими элементами, например, являются: 1) собственно полу-
формы, зависящие от конфигурации отливки (пресс-форма без
отъемных вставок либо с разборными элементами); 2) стержень
(подвижной или стационарный); 3) толкатели; 4) система охла-
ждения пресс-формы; 5) система подвода модельного состава
в центральный коллектор (сборка звеньев моделей); 6) система
подвода модельного состава для отдельных моделей (припаива-
емые модели); 7) система отвода воздуха у пресс-форм.
В пресс-формах без вставок модель формируется либо в обеих
половинах, либо в одной, обычно нижней половине пресс-формы.
Обе половины пресс-формы должны быть между собой подогнаны
по поверхности разъема, которая может быть плоской или про-
фильной. Полость пресс-формы должна быть выполнена таким
образом, чтобы при раскрытии пресс-формы из обеих половин
модель могла быть легко извлечена.
В разборной пресс-форме со сложным профилем полости для
извлечения модели приходится перед раскрытием пресс-формы
извлекать из нее вставки, стержни и другие элементы. Такие
решения применяют лишь в тех случаях, когда конфигурация
отливки очень сложная и нельзя без отъемных частей выполнить
плоскость разъема пресс-формы.
Сложную форму полостей или отверстия в модели получают
с помощью стержней (рис. 16), которые располагают перпенди-
кулярно или параллельно плоскости разъема; в последнем слу-
чае — боковые стержни. Стержни с перпендикулярным располо-
гис. 16. Металлический составной стержень, оформляющий сложную
конфигурацию полости
2 И. Дошкарж и др. 33
Рис. 17. Расположение толкателей в пресс-форме
жением относительно плоскости разъема, если это позволяет
конфигурация отливки, рекомендуется закреплять в нижней
полуформе. Боковые стержни при малой серии отливок следует
извлекать вручную; очень мелкие стержни извлекают из пресс-
формы вместе с моделями.
Толкатели служат для выталкивания моделей из рабочей
полости пресс-формы; их располагают в нижней половине пресс-
формы (рис. 17). Плоскость разъема должна быть выбрана так,
чтобы при раскрытии пресс-формы модель оставалась в нижней
половине. Так как толкатели оставляют на моделях отпечаток,
их следует размещать, если это возможно, на обрабатываемых
поверхностях.
Толкатели должны иметь в пресс-форме направляющие с ми-
нимальной длиной, равной 1,5б/; допуски следует выбирать по 7-^
8-му классу точности IT для ходовой посадки Н7//7. Толкатели
должны иметь стопорное устройство, или в пресс-форме выпол-
няют специальные плиты для предупреждения перемещения
толкателей во время запрессовки модельного состава. Профильные
толкатели фиксируют в пресс-форме (из-за их возможного пово-
рачивания вокруг своей оси). Наилучшим материалом для толка-
телей зарекомендовал себя серый чугун, предназначенный для
подшипниковых втулок по CSN 42 2456. Толкатели приводятся
в движение нажимной плитой через гидропривод или вручную.
Возвращаются толкатели в первоначальное положение в боль-
шинстве случаев сжатой пружиной.
Во многих случаях модели можно извлекать без толкателей
при помощи сжатого воздуха, подводимого через газопроница-
емую вставку (рис. 18).
Для сокращения цикла затвердевания и устранения наружной
местной усадки на поверхности моделей пресс-формы следует
охлаждать. Наиболее эффективно охлаждение пресс-формы холод-
34
Рис. 18. Извлечение модели из пресс-формы
сжатым воздухом:
7 — подвод сжатого воздуха; 2 — газопро-
ницаемая вставка
ной водой. В пресс-формах без
вставок каналы для охлаждения
изготовляют в одной или двух
полуформах, в пресс-формах со
вставками дополнительно охлаж-
дают гнезда для вставок. Размеры
охлаждающих каналов обычно не
рассчитывают, и конструктор опре-
деляет их по своему опыту и по возможности их размещения
в пресс-форме. Каналы предусматривают обязательно возле наи-
более массивных частей модели. Для охлаждения часто исполь-
зуют питьевую воду. Температура воды изменяется от погодных
условий, что не позволяет устанавливать единый режим охлажде-
ния. Желательно проводить охлаждение в специальном холодиль-
ном устройстве и поддерживать постоянную температуру воды [5 ].
Необходимо фиксировать верхнюю и нижнюю половину пресс-
форм между собой в плоскости разъема. Это обеспечивается в боль-
шинстве случаев центрирующими штырями или конструкцией
типа выступ—впадина в пресс-формах из легкоплавких сплавов
или пластмасс (рис. 19). Полуформы из цинковых сплавов фикси-
руются высверливанием впадины в одной половине пресс-формы
перед заливкой другой половины.
2*
Рис. 19. Фиксирование половин пресс-форм при помощи выступа и впа-
дины
35
Пресс-формы больших размеров или пресс-формы для изгото-
вления моделей большими сериями закрепляют на плитах за-
прессовочного устройства, поэтому конструктору необходимо пред-
усмотреть способ крепления пресс-форм к плите такого устройства.
Пресс-формы малых размеров или для моделей небольших серий
не закрепляют, а устанавливают и снимают с запрессованного
устройства вручную.
Воздух удаляется из пресс-формы через зазоры между напра-
вляющими втулками и толкателями по плоскости разъема или
по специально выполненным канавкам.
Пресс-фломы с полной механизацией и автоматизацией сборки
и разборки пригодны для изготовления моделей больших серий
или для массового производства. В литейных цехах литья по вы-
плавляемым моделям в ЧССР такие типы пресс-форм пока не
изготовляют, так как отливки производят относительно неболь-
шими сериями. Использование автоматизированных пресс-форм
предполагает высокопроизводительное запрессовочное оборудова-
ние и соответствующие транспортные устройства для передачи
пресс-форм от позиций сборки, запрессовки, охлаждения и раз-
борки.
Если в литейных цехах используют различные типы запрес-
совочного оборудования, то применяют и соответствующие им кон-
струкции пресс-форм. Это создает определенные трудности, так
как в каждом литейном цехе необходимо проектировать и изго-
товлять различные конструкции пресс-форм. Поэтому в каждом
литейном цехе точных отливок должна быть собственная техноло-
гия изготовления пресс-форм, что зависит от оснащения оборудо-
ванием и различными устройствами, необходимыми для того или
другого вида производства.
Экономическое сравнение отдельных способов изготовления
пресс-форм. Первоначально пресс-формы для выплавляемых моде-
лей изготовляли из металлов механической обработкой. В целях
снижения производственных расходов и расширения возможности
использования литья по выплавляемым моделям были разрабо-
таны и предложены другие, более дешевые и более быстрые спо-
собы изготовления пресс-форм. Сравнительные данные об изго-
товлении пресс-форм различными способами приведены в табл. 13.
В этой таблице расходы на заработную плату систематизиро-
ваны относительно затрат (принято за 100%) на изготовление
стальных пресс-форм механической обработкой. Затраты на за-
работную плату отражают расходы, связанные с изготовлением
одинаковых простых пресс-форм различными способами. Степень
точности классифицирована по пятибалльной системе. Разница
между отдельными баллами не равноценна. Например, разница
в точности между 1-ми 2-м баллами или 2-м и 3-м меньше, чем
между 4-м и 5-м баллами. Время затвердевания определено экс-
периментально по результатам наблюдений за охлаждением оди-
наковых выплавляемых моделей в пресс-формах различного типа.
36
Таблица 13. Способы изготовления пресс-форм и их характеристики
Способ Расходы на зара- ботную плату, % Оценка по пяти- балльной системе Время отвер- ждения, с Число моделей, изготовленных одной пресс-формой, шт.
Механическая обработка стальных заготовок .... 100 1 30 000—120 000
Литье: из легкоплавких сплавов 75 2 80 5 000—7 000
из цветных сплавов 75 3 80 15 000—20 000
из эпоксидных смол с наполнителем .... 33 4 140 До 500
из каучука (резины) 20 5 180 До 200
из гипса 15 5 150 Единицы
Это то время, которое необходимо для выдерживания модели
в пресс-форме с последующим ее извлечением без опасности по-
вреждения и деформации при дальнейших технологических опе-
рациях. Данные об этом времени носят информационный харак-
тер. Могут быть и отклонения от приводимых величин. Это
зависит, например, от используемого модельного состава и темпе-
ратуры его запрессовки.
Последняя графа табл. 13 содержит сведения о стойкости
пресс-форм. Стойкость пресс-форм, изготовленных по одинаковой
технологии, зависит от многих факторов: размеров моделей; поло-
жения плоскости разъема в пресс-форме, особенно когда плоскость
разъема проходит по поверхности, не имеющей припуска на
обработку; числа и качества толкателей и, наконец, от тщатель-
ности ухода за пресс-формой во время ее эксплуатации, регулиро-
вания и наладки, а также от состояния запрессовочного оборудо-
вания. Данные взяты из практического опыта работы в литейных
цехах литья по выплавляемым моделям, где изготовлялись пресс-
формы по приведенным технологическим процессам.
По данным табл. 13 можно предположить, что большая часть
пресс-форм будет изготовляться из цинковых сплавов, так как
они имеют относительно малую стоимость при достаточной стой-
кости .
На практике будут использовать и механически обработанные
пресс-формы, так как это единственный производственный способ
изготовления пресс-форм для моделей больших габаритных раз-
меров и массой боЛее 10 кг. В таких же пресс-формах будут изго-
товлять наиболее сложные по конфигурации модели, со сложной
плоскостью разъема и с отъемными частями. Модели отливок,
изготовляемых большими сериями при высоких требованиях
к чистоте поверхности и размерной точности, изготовляют в сталь-
ных пресс-формах, полученных механической обработкой.
Пресс-формы из легкоплавких сплавов используют при изго-
товлении отливок малых серий. Это относительно быстрый и на-
37
дежный способ, который с учетом ранее указанных причин всегда
находит применение в литье по выплавляемым моделям.
При необходимости проверки запроектированного технологи-
ческого процесса при изготовлении единичных отливок, например
для ремонтных нужд, пригодны пресс-формы из гипса [6] или
силиконового каучука. Пресс-формы из эпоксидных смол [7 ]
применяют при срочном изготовлении единичных отливок.
Из обзора достоинств и недостатков пресс-форм, изготовлен-
ных различными способами, следует, что в настоящее время
и в ближайшем будущем нельзя предполагать, чтобы в каком-либо
литейном цехе применялся только один способ изготовления
пресс-форм для выплавляемых моделей. Экономически выгодно
изготовлять пресс-формы не только механической обработкой,
но и в основном из цинковых и легкоплавких сплавов. В какой
мере будут использоваться описанные способы, будет зависеть
от производственной программы, от конфигурации и габаритных
размеров изготовляемых отливок [8].
Если технолог разрабатывает технологию новой отливки, он
должен знать все обстоятельства, влияющие на выбор пресс-
формы. Только так можно спроектировать пресс-форму, которая
обеспечит максимальную экономичность производства новой от-
ливки. При проектировании различных типов пресс-форм реша-
ющими являются следующие критерии: 1) величины серий и пред-
полагаемое число отливок; 2) конфигурация и габаритные размеры
отливок; 3) требуемая размерная точность отливок; 4) теплофизи-
ческие свойства материала пресс-форм; 5) расходы на изготовле-
ние пресс-форм; 6) оборудование для запрессовки модельного
состава в пресс-форму.
Основной документацией, которую технолог разрабатывает
и передает конструктору для изготовления чертежей пресс-
формы, является чертеж отливки или чертеж мастер-модели
с подробнейшими указаниями о типе и способе изготовления пресс-
формы.
3.2. МОДЕЛЬНЫЕ СОСТАВЫ
Для изготовления выплавляемых моделей используют главным
образом воскообразные смеси, так как ни один отдельно взятый
модельный компонент не удовлетворяет всем требованиям, предъ-
являемым к модельным составам. Кроме комбинаций восков
используют добавки пластмасс, которые улучшают, в частности,
механические свойства модельных составов. Применяют поли-
этилен [9—14], поливинилбутилацетал [15], бутадиенстирол [16],
этилцеллюлозу [17] и поливиниловый спирт [18].
В литейных цехах литья по выплавляемым моделям в ЧССР
в основном используют два типа модельных составов. В небольших
литейных цехах, которые изготовляют выплавляемые модели
свободной заливкой в пресс-формы, применяют составы с низкой
температурой плавления так называемые мягкие модельные со-
38
ставы, преимущественно из парафина и церезина. Цехи, которые
изготовляют выплавляемые модели запрессовкой, используют
твердые модельные составы из монтан воска с добавлением пласти-
фицирующих веществ [8]. При запрессовке высоким давлением
используют модельные составы в полутвердом (кашеобразном)
состоянии имеющие большой интервал затвердевания. Модельные
составы с малым интервалом затвердевания или мягкие модельные
составы с большим интервалом затвердевания, но наполненные
воздухом в пастообразном состоянии запрессовывают при низком
давлении [19, 20].
Во многих странах используют мягкие модельные составы.
В СССР, например, замешанные с воздухом [31 ], иногда упрочня-
емые полиэтиленом или битумом [14, 21 ]. В ГДР применяют мо-
дельный состав, подобный составу, применяемому в ЧССР, но
заполненный водой. В ФРГ известны два изготовителя модельных
составов: фирмы Hoechst и BASF выпускают нетвердые модельные
составы, пригодные для запрессовки под давлением [14]. В Швей-
царии для модельных составов применяют твердый воск на базе
монтан-воска. В Англии имеется большой выбор модельных
составов, отличающихся от приведенных выше тем, что в качестве
твердой составляющей используется не твердый монтанный воск,
а природные твердые воски, прежде всего карнаубский воск
\ и природные (естественные) смолы [14, 22 ]. Английские модельные
составы аналогичны составам, изготовляемым в США.
Для изготовления моделей кроме восковых модельных соста-
вов в основном используют мочевину [22]. Запатентовано при-
менение щелочных солей [23], синтетических восков [24]. Про-
дукты конденсации высших жирных кислоте полиамидами исполь-
зуют редко из-за их высокой стоимости. Для производства моделей
используют пластмассу: полистирен, поставляемый фирмой Рено
(Renault) и (ограниченно) национальным предприятием Шкода
Пльзень. Модели из этих материалов очень точны, имеют каче-
ственную поверхность, но дороги и не имеют возврата, так как
удаляются из керамических форм выжиганием. Известны также
эксперименты с моделями из вспененного полистирола и поли-
уретана [25, 26], а также полиэтиленгликоля [24], которые
удаляются из керамических оболочек длительным выжиганием.
Согласно сведениям из специальной литературы [8, 27, 28]
модельный состав для выплавляемых моделей должен обладать
следующими свойствами:
1) малой усадкой при затвердевании и низким коэффициентом
расширения при повышенных температурах;
2) стабильностью свойств, прочности и твердости;
3) достаточной эластичностью (упругостью);
4) способностью точно воспроизводить полость пресс-формы;
5) неприлипаемостью к металлическим стенкам пресс-форм
и отсутствием коррозионного взаимодействия с ними;
6) минимальной зольностью;
39
7) химической и физической стойкостью к материалу керами-
ческой оболочки;
8) достаточной жидкоподвижностью для заполнения полости
пресс-формы при запрессовке и вытекания из оболочки при уда-
лении модельного состава;
9) стойкостью против окисления при нормальной и повышен-
ной температурах.
Большинство используемых модельных составов обеспечивает
получение качественной поверхности модели и точного воспроиз-
ведения внутренней полости пресс-форм. При правильном выборе
коэффициента усадки размеры модели также удается получить
с достаточной точностью. Наиболее трудно гарантировать точную
геометрическую форму, так как модельный состав при затверде-
вании изменяет размер, что особенно неблагоприятно проявляется
у моделей в массовом производстве и у моделей со стенками
различной толщины. Частично предупреждается образование
поверхностных деформаций повышением давления [8] запрес-
совки или за счет вкладывания твердых кусков модельного со-
става в пресс-форму, так называемых холодильников или стерж-
ней [4].
Другой интересный способ предупреждения возникновения
деформаций заключается в том, что в модельный состав подмеши-
вают до 10% воздуха, или до 20% воды, или, например, до 40%
твердого порошка модельного состава. Подмешивание воздуха
используется на заводах в СССР [5] и в ЧССР, подмешивание
воды — в ГДР. Подмешивание порошка модельного состава изве-
стно из литературы [17]. Для каждого типа модельного состава
существует свой способ приготовления.
3.3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВЫПЛАВЛЯЕМЫХ МОДЕЛЕЙ
Выплавляемые модели изготовляют запрессовкой или залив-
кой в пресс-формы. Свободную заливку модельной массы исполь-
зуют лишь изредка при единичном производстве или при изгото-
влении вспомогательных технологических моделей, например
элементов литниковой системы — коллекторных колец и дисков,
литниковых каналов и т. п. В настоящее время преимущественно
используют запрессовку в пресс-формы на запрессовочных станках
поршневого типа. Станки для изготовления выплавляемых моделей
работают или под низким (0,5—1,0 МПа) давлением, когда за-
прессовывают обычно модельный состав в жидком состоянии,
или при высоком (2,5—5,0 МПа), когда модельный состав шпри-
цуют в пастообразном состоянии (например, в пресс-форму,
показанную на рис. 19).
Модельные составы, запрессовываемые в жидком состоянии,
образуют модели с гладкой поверхностью, но имеющие больший
разброс размерных отклонений. Модели, изготовленные прессова-
нием модельного состава в пастообразном состоянии, имеют менее
40
Рис. 20. Зависимость расширения компонентов (а и б) и их смеси (е) от темпе-
ратуры
качественную поверхность, но более точны в отношении размеров
и имеют мало поверхностных утяжин.
Изготовить выплавляемые модели в пресс-формах запрессовкой
под давлением относительно сложно. При запрессовке моделей,
в частности, с толстыми стенками необходимо строго соблюдать
следующие технологические параметры: температуру модельного
состава и давление прессования, от которых зависит жидкопо-
движность модельного состава; время прессования, температуру
пресс-формы, определяющие время охлаждения модели в пресс-
форме. Температура окружающей среды, при которой хранятся
изготовленные модели, оказывает значительное влияние на их
размерную точность. Это влияние тем больше, чем выше
коэффициент объемного расширения модельного состава. Рас-
ширение тождественно величине усадки. Чем больше рас-
ширение, тем больше будет усадка. Следовательно, можно
ожидать большую деформацию моделей (большие утяжины) для
составов с большим коэффициентом объемного расширения при
прочих равных условиях, т. е. при постоянном давлении и по-
стоянной температуре модельного состава.
Зависимость расширения одного компонента модельного со-
става (смеси компонентов) от температуры показана на рис. 20, а.
При нагревании одного компонента определенного химического
состава его расширение проходит линейно до точки плавления (Zz);
при этой температуре вещество плавится, и при изменении агре-
гатного состояния резко увеличивается его объем. При дальней-
шем нагреве жидкости происходит ее расширение по линейному
закону. Расширение вещества в твердом и в жидком состоянии
не бывает обычно одинаковым.
Величина расширения смеси веществ отличается от величины
расширения каждой составляющей, так как изменение агрегат-
ного состояния смеси веществ проходит не при одной и той же
температуре, как показано на кривой рис. 20, б, а в определенном
температурном интервале, который будет тем больше, чем разно-
родней по своим свойствам составляющие смеси. При нагревании
до точки ts смесь расширяется. При ts смесь начинает плавиться.
Изменение агрегатного состояния происходит в интервале темпе-
41
ратур ts — 4; сопровождается более интенсивным изменением
объема по сравнению с изменением объема твердого тела. Увели-
чение объема жидкой фазы при нагревании от точки te и выше
замедляется, но имеет линейный характер. Модельные составы
содержат обычно настолько большое количество веществ с раз-
ными физическими свойствами, что определить для них точки ts
и te трудно, и ломаная кривая зависимости расширения модельных
составов от температуры скругляется и приближается к прямой
(рис. 20, в).
Таким образом, объем реальных модельных составов, содер-
жащих много разнородных веществ с различными температурами
плавления, т. е. имеющих широкий интервал затвердевания,
изменяется примерно пропорционально температуре [1]. На
основании приведенных данных можно утверждать, что усадка
модели будет тем больше, чем выше ее температура при запрес-
совке. Практически это означает, что требуется изготовлять
выплавляемые модели при наинизшей температуре, чтобы они
имели наибольшую точность.
Усадку можно также определить как разницу между объемом
модели и объемом рабочей полости в пресс-форме. При охлажде-
нии в пресс-форме объем модели изменяется неравномерно по
элементам и по направлению, так как невозможно обеспечить
равномерное охлаждение. Если же запрессовать модель при ма-
ксимальном давлении, усадка после охлаждения будет меньше.
Изучая процесс охлаждения, установили, что поверхности
расплавленного модельного состава, соприкасающиеся со стенкой
пресс-формы, затвердевают почти мгновенно, тогда как сердце-
вина остается еще пластичной и охлаждается медленно в ограни-
ченном твердом пространстве; при этом в модели возникают на-
пряжения, которые тем больше, чем неравномерней толщина
стенок модели.
Улучшения качества моделей, т. е. уменьшения усадки, сни-
жения склонности к образованию или величине утяжин, можно
достичь повышением давления запрессовки. Величина давления
запрессовки должна быть такой, чтобы модельный состав не только
максимально быстро заполнял полость пресс-формы, но мог бы
одновременно эффективно компенсировать жидкой фазой затвер-
девающие массивные части модели. Динамика давления в пресс-
форме при запрессовке модельного состава подобна запрессовке
пластмасс, как указывают Spenser и Gilmor на своей диаграмме
(рис. 21).
Давление запрессовки в пресс-форме можно повысить при дан-
ном давлении в запрессовочном устройстве с помощью повышения
жидкотекучести модельного состава. Это возможно за счет сни-
жения вязкости модельного состава, повышения его температуры,
увеличения сечений каналов в пресс-форме для запрессовки или
диаметра сопла для подачи модельного состава из запрессовочного
устройства. Еще раз следует подчеркнуть, что вязкость является
42
одним из важнейших фак-
торов при выборе типа
модельного состава; зна-
ние величины вязкости и
ее зависимости от различ-
ных технологических фак-
торов поможет избежать
многих затруднений в про-
изводстве выплавляемых
моделей. Так, например,
два модельных состава
одинакового назначения
имеют разную скорость за-
Рис. 21. Диаграмма Spenser —Gilmor; изменение
давления при запрессовке пластических масс
твердевания; при этом они
имеют значительную разницу в вязкости при рабочих температу-
рах, до которых они были нагреты из твердого состояния.
На рис. 20, б имеется точка, обозначенная ^(рабочая темпе-
ратура). Это температура, при которой модельный состав на-
столько пластичен, что может быть запрессован определенным
давлением, когда изменение объема при переходе агрегатного
состояния из жидкого в твердое становится минимальным. Это
значит, что усадка моделей, изготовленных при рабочей темпе-
ратуре будет существенно меньше, чем у моделей, изготовлен-
ных из модельного состава, который находится в жидком состо-
янии. Для работы на прессах с модельными составами в жидком
состоянии используют составы с коротким интервалом затверде-
вания (кривая на рис. 20, б); такие составы мгновенно затверде-
вают при контакте с поверхностью формы, в то время как сердце-
вина находится еще в жидком состоянии; усадка проявляется при
образовании полостей (раковин) и рыхл от внутри модели. Рабо-
чая температура при использовании одного и того же модельного
состава на различных запрессовочных станках будет различной
(в зависимости от давления запрессовки).
Станки с максимальным давлением прессования позволяют
запрессовывать модельный состав при наиболее низких темпера-
турах. В этом случае модельный состав с максимальной вязкостью
наиболее технологичен с точки зрения получения качественных
моделей. Если же давление прессования недостаточно велико,
то для получения хорошей поверхности моделей должна быть
повышена рабочая температура модельного состава. Дефекты вы-
плавляемых моделей, встречающиеся при запрессовке, и рекомен-
дации по их предупреждению приведены в табл. 14.
Приготовить модельный состав к запрессовке, т. е. создать
соответствующую равномерную консистенцию и требуемую тем-
пературу, можно непосредственно в прессующем оборудовании
или вне его двумя способами: нагреванием твердого или охлажде-
нием расплавленного модельного состава. В некоторых станках
имеются перемешивающие устройства, в которых модельный
43
Таблица 14. Дефекты моделей и их предупреждение
Дефекты
Спай Короб- ление, утяжины Поверх- ностные дефекты (мороз) Воздуш- ные ра- ковины Дефор- мация Предупреждение дефектов
। "Г Повысить температуру мо- дельного состава
+ — Снизить температуру мо- дельного состава
—1—• Повысить давление
— Нагреть пресс-форму
—1—• Меньше смазывать пресс- форму
.— — — Увеличить время затверде- вания модели в пресс-форме
- — — + Повысить давление в пресс- форме
— + Увеличить охлаждение в пресс-форме
состав (в виде пасты) приготовляется из жидкого состояния. При
этом в охлаждающийся модельный состав может быть замешан
наполнитель — вода или воздух. Вследствие этого уменьшается
усадка модельной массы, а на поверхности моделей — утяжины.
Учитывая низкую теплопроводность модельного состава, можно
извлекать запрессованные модели из пресс-форм с температурой
выше температуры окружающей среды. Количество отводимой
теплоты от центральных частей модели очень невелико, ее доста-
точно спокойно отводят поверхностные слои моделей без размяг-
чения и деформации. Это относится прежде всего к моделям со
стенками толщиной до 20 мм. Но если модельный состав содержит
20% воды, то его теплопроводность значительно повышается,
и за счет быстрого отвода теплоты из сердцевины поверхностный
слой размягчается.
Чтобы модели не деформировались, их после извлечения из
форм охлаждают в холодной воде. Этим предотвращается образо-
вание воздушных пузырей на поверхности моделей от расширения
воздуха, который замешивается в модельный состав (при его
приготовлении) и нагревающегося в процессе прогрева поверхно-
стного слоя модели.
44
Кроме воды и воздуха для снижения усадки предложены
и другие наполнители модельных составов. Так, например, без-
усадочный модельный состав Nosink, в котором весьма эффективно
используются в качестве наполнителя шарики из пластических
масс. Для седиментационной устойчивости в жидкой модельной
массе их размер составляет 0,3 мм. В качестве пластмасс исполь-
зуют полистирол, полипропилен и акрилаты.
Для увеличения производительности процесса необходимо
использовать высокопроизводительное оборудование (для изго-
товления выплавляемых моделей). Большие объемные модели
получают запрессовкой обычно в одноместной пресс-форме, укре-
пленной на столе запрессовочного устройства. Так же поступают
с пресс-формами для мелких моделей массового производства.
Очень мелкие модели можно изготовлять в виде звеньев, содер-
жащих обычно несколько десятков моделей в одном звене. Извле-
ченные из пресс-форм модели обычно не имеют заусенцев, и по-
этому отпадает трудоемкая ручная зачистка. Рабочий процесс
при изготовлении моделей можно скорректировать для конкрет-
ных условий так, чтобы он был наиболее производительным.
3.4- РЕГЕНЕРАЦИЯ МОДЕЛЬНЫХ СОСТАВОВ
Чтобы производство отливок по выплавляемым моделям было
рентабельным, необходимо повторно использовать модельный
состав, удаляемый из керамических форм. Для этого модельный
состав тщательно очищают от всех видов загрязнений, прежде
всего песка, избыточной влаги, и добавляют определенное коли-
чество свежего модельного состава. С помощью перегрева до 120° С
резко снижают вязкость модель-
ного состава, благодаря чему из
него удаляются примеси и восста-
навливаются основные свойства
модельного состава. Эти операции
проводятся в системе устройств,
схематически изображенных на
Рис. 22. Схема регенерации модельного состава
45
Из автоклава 1 модельный состав, выплавляемый из керами-
ческих форм, выпускается в подогреваемую емкость 2, откуда
перекачивается шестеренчатым насосом 3 в котел-реактор 4 с двой-
ными стенками. После добавки до х/5 части свежего модельного
состава расплав выдерживается в течение 16 ч при температуре
90—95° С. Через нижний вентиль выпускается загрязненный
модельный состав, оставшийся чистый модельный состав, нагре-
тый до температуры выше точки его плавления, через верхний
вентиль сливается в сосуд 5. Из этой емкости модельный состав
по мере необходимости подводится к пресс-формам 6 или к за-
прессовочным станкам.
3.5. СБОРКА МОДЕЛЕЙ
Модели, изготовляемые в пресс-формах и не связанные литни-
ковой системой, должны быть присоединены с помощью питателей
к литниковой системе. По числу моделей на одну литниковую
систему различают систему отдельных моделей; систему несколь-
ких моделей, так называемую «елочку» (блок моделей).
3.5.1. СБОРКА ОТДЕЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ
Систему отдельных моделей используют лишь для отливок
массой более 2 кг или для отливок с меньшей массой, конфигура-
ция или сочетание размеров которых не позволяют собрать на
одну литниковую систему несколько моделей. К таким отливкам от-
носятся прежде всего отливки извы-
.......................... соколегированных сплавов, к кото-
рым предъявляются высокие требова-
|ния по качеству или размерной
точности и получить которые дру-
гими способами невозможно.
Литниковая система с открыты- (
ми, закрытыми, атмосферными и
другими типами прибылей изготов-
ляется в самостоятельных пресс-
формах и соединяется (монтируется)
с моделью приклеиванием или пай-
кой. Заусенцы снимаются горячим
шпателем. Рукоятку для удержания
модельного блока при нанесении на
него оболочки привертывают к проб-
ке, залитой в прибыль, и к стояку,
желательно по оси литниковой си-
стемы. Если прибыли располагаются
несоосно и их несколько на моде-
ли, то рукоятку привертывают к
соединительной части, залитой в
прибыли выплавляемых моделей
Рис. 23. Рукоятка в прибылях, рас- /
положенных эксцентрично (рИС. Zo).
46
3.5.2. СБОРКА МОДЕЛЕЙ НА СТОЯК ТИПА ЕЛОЧКА
Г
Модели мелких отливок, которые изготовляют отдельно или
в звеньях, собирают в блоки или в елочки. Блок состоит из боль-
шого числа моделей, соединенных отдельными питателями в це-
лую литниковую систему, которая должна обеспечивать хорошее
питание отливок металлом, т. е. получение плотных отливок.
Такая литниковая система при массовом производстве отливок
обычно стандартизируется. Форма елочки, ее конструктивное
исполнение и размещение моделей обусловливаются, а) способом
изготовления моделей; б) нанесением оболочки; в) выплавлением
модельного состава; г) способом литья; д) заполнением формы
жидким металлом; е) способом отделения отливок от литниковой
системы.
Отдельные части блока моделей представлены на рис. 24.
Модели, изготовленные отдельно или в звеньях, монтируют
в блок склейкой или при помощи пайки. Мелкие модели при-
крепляют к литниковой системе модельным клеем. При прикле-
ивании моделей необходимо следить, чтобы модельный клей
смачивал все сечение питателя и чтобы при прижатии модели
к литниковой системе образовывался непрерывный кольцеобраз-
ный выступ, имеющий диаметр на 2 мм больший, чем диаметр
питателя. Образование этого выступа позволяет лучше контроли-
Модель
Форма
Рис. 24. Модельный блок;
1 — модель литниковой чаши; 2 — модель коллектора; 3 — мо-
дель стояка; 4 — модель питателя; 5 — модель отливки; 6 —
литниковая чаша; 7 — коллектор; 8 — стояк; 9 — питатель;
10 — форма для отливки
47
ровать правильность склеивания.
2 3
Рис. 25. Приклейка моделей:
1 — выплавляемая модель; 2 — мо-
дель питателя; 3 — клей
Кроме того, после выплавления мо-
дельной массы литниковый ход в
месте припайки (присоединения) не-
сколько расширен (рис. 25). При
необходимости модели и части лит-
никовых систем склеивают различ-
ными клеящими массами.
При припаивании моделей к литниковой системе между пита-
телем модели и литниковой частью стояка или питателя вклады-
вают нагретое лезвие паяльника с ровной поверхностью. Модель
прижимают к лезвию паяльника, который приложен к тому месту
литниковой системы, куда будет присоединена модель. После
подплавления обеих поверхностей лезвие паяльника вытягивают
и модель прижимают к литниковой системе. Монтаж моделей при
помощи пайки является производительным способом, а соединение
очень качественным. Расплавленный модельный состав образует
в месте соединения закругленный переход, благодаря которому
устраняется фактор надреза и повышается прочность соединения.
Паяльники подогревают при помощи вмонтированных в них
электронагревательных элементов, в электрических печах или
газовыми горелками.
Форма блока моделей, т. е. литниковой системы с соответ-
ствующим определенным числом размещенных на ней моделей,
должна быть такой, чтобы к месту для присоединения модели был
хороший подход, при этом уже припаянные модели нельзя по-
вреждать горячим паяльником.
Для качественного нанесения оболочек модели на блоке сле-
дует располагать полостями вниз. Суспензия, образующая буду-
щую оболочку, должна стекать из этих полостей во избежание
избыточной толщины керамики. Неравномерная толщина оболочки
неблагоприятно сказывается при прокаливании формы из-за ’
неравномерности ее прогрева. Толстый слой прогретой керамики
может быть источником рыхлот и пористости на поверхности
отливки в недостаточно пропитываемых узлах.
Качество отливок зависит от расстояния между моделями на
модельном блоке; расстояние должно быть таким, чтобы при
нанесении оболочки между ними оставался зазор. Расстояние
между рядами моделей по высоте должно быть таким, чтобы можно
было тщательно обсыпать суспензию песком и хорошо просуши-
вать обсыпанную оболочку.
Собранный модельный блок и литниковая система должны
обеспечивать хорошее вытекание модельного состава при его
выплавлении из керамической формы. В некоторых отливках
появляется много дефектов в виде засоров от золы модельного
состава, которая не была достаточно тщательно удалена из кера-
мической формы при выплавлении моделей. Если нельзя обеспе-
чить полное удаление модельного состава путем благоприятного
48
расположения модели на модельном блоке, то к модели необхо-
димо присоединить вспомогательный канал, через который будет
удаляться модельный состав из полости керамической формы
(рис. 26).
Если же (для правильного питания) нельзя разместить модели
на литниковой системе так, чтобы модельный состав мог удаляться
из полости керамической формы и при использовании технологи-
ческого канала, то можно в стенке формы сделать вспомогательное
выходное отверстие в тех сечениях, в которых может остаться
модельный состав. Чтобы вспомогательное отверстие не испортило
конфигурацию отливки, на модели должен быть выполнен выступ
соответствующего профиля. После выплавления модельного состава
эти вспомогательные отверстия заделывают керамической массой.
Такой способ следует применять прежде всего для .отливок,
имеющих форму дисков, и особенно для отливок большой про-
тяженности, точность моделей которых обеспечивается вставным
металлическим каркасом (стержнем). Металлический каркас
обычно в виде проволоки удаляют через вспомогательное отвер-
стие, заделываемое перед заливкой керамическим составом.
Все способы литья (свободная заливка металла, вакуумная,
центробежная) накладывают специфические особенности на кон-
струкцию керамической формы. Например, для литья в керами-
ческую форму без опорного наполнителя нижняя часть литниковой
системы должна иметь большую площадь опоры, чтобы вся кера-
мическая форма была устойчивой.
Размещение моделей на литниковой системе должно быть
таким, чтобы гарантирова-
лось хорошее заполнение
полостей формы жидким ме-
таллом и чтобы отливки не
имели дефектов. Сечение
главного стояка и соедини-
тельных каналов должно обе-
спечивать непрерывное за-
полнение форм жидким метал-
лом как наиболее удаленных,
так и наиболее близко распо-
ложенных деталей. Дополни-
тельные питающие бобышки
между стояком и собственно
отливкой должны задержи-
вать неметаллические вклю-
чения, содержащиеся в жид-
ком металле, например час-
тицы керамических оболочек,
шлак или окислы, т. е. выпол-
нять функции шлакозадер-
Рис. 26. Блок с технологическими каналами
жания.
49
Выбор способа отделения отливок от блоков связан с металлом
отливки и имеет большое влияние на себестоимость литья по
выплавляемым моделям, что нужно учитывать при проектирова-
нии модельного блока. Необходимо оценивать особенности каждой
отливки и соответственно приспосабливать к ним форму модель-
ного блока.
В литейных цехах используют оптимальные стандартные лит-
никовые системы, удобные для манипуляций с блоками на всех
этапах технологического процесса, межоперационной транспор-
тировки и дальнейшей обработки, но при которых не всегда дости-
гается оптимальный коэффициент использования жидкого ме-
талла.
3.5.3. ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ
Плотность металла отливок прежде всего зависит от заливки
и литниково-питающей системы. Принимая во внимание то, что
сплав заливается в раскаленные керамические формы, изготовле-
ние отливок с хорошей структурой металла связано с определен-
ными трудностями. При заливке керамической формы металл
должен заполнять полости формы спокойно и равномерно, при
этом следует каким-либо способом возместить усадку, которая
всегда сопровождает затвердевание металла. Это возможно лишь
за счет применения соответствующей литниковой системы и при-
былей. Опыт традиционного литья (в песчаные формы) предо-
ставляет много знаний о литниковых системах основные принципы
литья в песчаные формы пригодны и для литья по выплавляемым
моделям в горячих керамических формах.
Прибыль является хранилищем жидкого металла и должна
быть размещена так, чтобы восполнять расход металла на усадку
во время его затвердевания. При правильно выбранной и раз-
мещенной прибыли металл в ней остается в жидком виде дольше,
чем в отливке, и, следовательно, служит для питания отливкй
при ее кристаллизации.
Прибыль обычно изготовляют из тех же материалов керами-
ческой формы, что и отливку, поэтому ее охлаждение в общей
системе формы одинаково интенсивно. Поскольку прибыли должна
затвердевать позже отливки, она должна иметь форму и объем
такие, чтобы ее охлаждение проходило медленнее. Замедление
хода охлаждения прибыли иногда обусловливается тем, что при-
меняют для прибыли оболочки из материала с меньшей тепло-
проводностью или прибыль засыпают материалами с экзотерми-
ческими добавками.
Соотношения размеров прибыли, отвечающие ее минималь-
ному объему, показаны на рис. 27. Учитывается величина и
форма, как это видно из соотношений объемов и площадей поверх-
ностей отливки и прибыли. Прибыль с оптимальными размерами
соответствует точкам, расположенным над прямой линией. Это
наиболее точный способ определения размеров прибылей, однако
50
О 0,6 0,8 1,2 1,6 2,0
Объем прибыли
Объем отливки
Рис. 27. Зависимость между размерами прибыли
и отливки:
I — усадочные явления; II — плотные отливки
он несколько громоздок,
так как необходимо рас-
считывать площади по-
верхностей.
Прибыль следует рас-
полагать над отливкой или
возле нее. Размеры прибы-
ли в месте ее соединения
с отливкой не должны быть
больше 2/3 диаметра при-
были. Если же толщина
питаемого узла отливки
мала, то площадь соедине-
ния может быть уменьшена
до одной х/4 сечения при-
были. Прибыль должна
быть размещена в тех мес-
тах отливки (или близко
от них), которые затвер-
девают последними. Эти
узлы лучше всего определять рентгеновским способом на от-
ливках, изготовленных без прибылей, или травлением металла в
соответственно разрезанных узлах отливки. Если у отливки во
время затвердевания наблюдаются два участка с жидким ме-
таллом, разделенные уже затвердевшей зоной, то должно быть
две прибыли.
При выборе прибыли необходимо учитывать область ее дей-
ствия, т. е. область, в которой прибыль способна питать жидким
металлом затвердевающую отливку. Назовем общеизвестные ре-
комендации, касающиеся действия прибылей в горячих керами-
ческих формах:
1) область действия в равномерном сечении тем больше, чем
выше температура заливаемой формы;
2) очень тонкие сечения, толщина которых определяется жидко-
текучестью применяемого металла, на практике не подпитываются
прибылями, так как объемная усадка таких сечений незначи-
тельна и ее можно не учитывать;
3) обеспечение направленного затвердевания в системе формы
может создать такой тепловой режим, что в равных сечениях
усадка будет незначительной или совсем устранится.
Все мероприятия, которые снижают скорость затвердевания
металла в прибыли или повышают ее в отливке, улучшают дей-
ствие прибыли. Однако при литье в горячие формы нельзя исполь-
зовать такие мероприятия, как при других способах литья. При-
менять холодильники, экзотермические и изоляционные мате-
риалы при литье по выплавляемым моделям трудно. Только
соответствующее расположение прибыли и отливки в формах
может обеспечить улучшение качества отливки.
51
При открытых прибылях следует обращать внимание на потери
теплоты излучением с открытой поверхностй металла. Данные
о питании отливок, изготовляемых в песчаных формах, можно
одинаково хорошо использовать и для отливок, получаемых по
выплавляемым моделям. Из общего количества теплоты, которое
сохраняет металл в жидком состоянии, часть теплоты из открытой
прибыли во время затвердевания излучается в окружающее про-
странство. Чем выше температура плавления металла и чем горя-
чей форма, тем больше теплоты затрачивается на излучение.
Засыпка открытой прибыли каким-либо огнеупорным матери-
алом значительно повышает эффективность ее действия, особенно
при литье сплавов с высокой точкой плавления.
Литниковые системы модельных блоков под влиянием тепло-
вого воздействия отливок и раскаленной керамической формы
имеют смещенную тепловую ось затвердевания, так что при про-
ектировании таких систем следует поступать осмотрительно.
Главными элементами литниковых систем, используемых
в литье по выплавляемым моделям, являются обычно стояк, кол-
лектор или питающий канал и питатели. Если коллектор длин-
ный, то стояк не может выполнять функции прибыли, и отливки,
возможно, будут пористыми с внутренними дефектами (утяжи-
нами). Эти дефекты возникают в основном у нетехнологичных
отливок с тепловыми узлами или при неправильно расположенном
питателе. С эксплуатационной точки зрения иногда допускаются
небольшие внутренние дефекты, но технологи должны стремиться
создать такую литниковую систему, которая обеспечивала бы
получение плотных отливок.
Литниковые системы модельных блоков могут быть с централь-
ным стояком и с моделями, собранными горизонтально на кол-
лекторных кольцах (рис. 28); с центральным стояком и с моде-
лями, собранными вертикально на коллекторных кольцах (рис. 28);
с моделями, собранными непосредственно на стояке (рис. 30);
с моделями, собранными другими способами.
Каждая из приведенных систем сборки представляет собой
большое число вариантов в одной группе. К последней группе
можно отнести так называемые цилиндрические полые литниковые
системы (рис. 31), которые широко используют в различных
модификациях при массовом производстве точных отли-
вок [32, 33].
При серийном производстве чаще всего применяют модельные
блоки с моделями, смонтированными непосредственно на стояк
или на систему радиальных коллекторов, размещенных рядами
по высоте стояка. Это высокопроизводительная система. Монтаж
моделей непосредственно на стояк имеет преимущества: удобство
хранения, легкость обращения с блоками на всех технологических
операциях, а также относительно лучший коэффициент использо-
вания металла, особенно при единичном или малосерийном произ-
водстве [34].
’ 52
Рис. 28. Горизонтальное расположение отливок на кол-
лекторе
Рис. 29. Вертикальное расположе-
ние отливок на коллекторе
Рис. 30. Отливки, рас-
положенные на стоя-
ке
Рис. 31. Цилиндрическая полая литниковая
система
53
ЭЛЕМЕНТЫ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ
Учитывая требования к высокому уровню производительности
труда, в настоящее время применяют преимущественно свобод-
ную заливку форм металлом. Этим способом можно получить
не только отдельные отливки больших размеров, но и собранные
блоки с большим числом мелких отливок. Размеры отдельных
частей литниковых систем, например наружный диаметр стояка,
его общая высота, полезная высота звена, диаметр литниковой
чаши (воронки), и общие максимальные размеры обычно в литей-
ных цехах нормализованы [35, 36].
Литниковая чаша. Главной функцией литниковой чаши (во-
ронки) является направление металла в стояк при ослаблении
ударного действия потока металла на керамическую оболочковую
форму. Жидкий металл может освободиться от шлаковых и других
загрязнений, которые попали в поток металла, но только тогда,
когда литниковая чаша полностью заполнена заливаемым метал-
лом. Под действием подъемной силы в потоке металла возникает
турбулентное движение, которое способствует всплыванию шлака
и других загрязнений на поверхность жидкого металла. В литни-
ковых системах для получения единичных отливок при свободной
заливке литниковая чаша одновременно выполняет функции
прибыли.
Стояк. Через стояк жидкий металл проходит в литниковую
систему из литниковой чаши и далее в распределительный канал
(коллектор) и в питатели, а затем в полости формы. В стояке
образуется необходимое гидростатическое давление, и поэтому
стояк выполняет функции прибыли. Стояки имеют относительно
большое сечение.
В модельных блоках типа елочки стояк образуется при сборе
звеньев выплавляемых моделей на сборочном стержне — метал-
лическом стояке. В блоках, в которых модели припаивают к сто-
яку, последний изготовляют отдельно как самостоятельный эле-
мент в пресс-форме или его получают при помощи погружения
металлического стояка с литниковой чашей в расплавленный
модельный состав. После извлечения на металлическом стояке
остается слой модельного состава, к которому припаивают модели.
Таким способом получают (достаточно просто) стояк с литниковой
чашей, но при этом следует избегать образования острых углов.
Острые углы — концентраторы напряжений, и именно по этим
участкам будущая керамическая форма будет растрескиваться
или даже полностью разрушаться на любых этапах технологи-
ческого процесса изготовления литейной формы.
При сборке модельных блоков из звеньев моделей можно со-
единять стояк с керамической литниковой чашей, которая должна
иметь плавный переход от большого верхнего диаметра к малому
нижнему диаметру, соединяемому со стояком. Нарушение этого
условия приведет к упомянутым выше дефектам формы.
54
Распределительный канал (коллектор). Функция коллектора —
распределение жидкого металла от стояка к питателям. К коллек-
торам предъявляются следующие требования: а) обеспечение пи-
тания отливки жидким металлом в процессе его затвердевания;
б) задерживание шлака и других неметаллических включений,
которые могут быть в жидком металле.
Подача жидкого металла от коллектора к затвердевающей
отливке возможна лишь в том случае, когда объем коллектора,
включая питатели, приблизительно равен объему отливки и когда
скорость охлаждения коллектора и питателей меньше скорости
охлаждения самой отливки. Сечение коллектора должно быть
больше сечения питателя, чтобы при замедлении движения потока
жидкого металла неметаллические включения могли бы всплыть
перед входом в полость формы. Питатели следует присоединять
к нижней части коллектора.
Питатель — соединительный элемент, который связывает лит-
никовую систему с полостью формы отливки. Чаще всего питатели
имеют круглую, полукруглую, квадратную или прямоугольную
форму. В зависимости от положения модели на модельном блоке
питатели могут направлять жидкий металл горизонтально, вер-
тикально или наклонно в полость формы.
Величину сечения питателей выбирают такой, чтобы жидкий
металл протекал со скоростью, обеспечивающей спокойное за-
полнение полости формы, без разбрызгивания, вспенивания и
в оптимальное время. При этом происходит надлежащее питание
металла и направленное затвердевание. Чаще всего полость
формы отливки соединяют с литниковой системой одним питате-
лем. В дальнейшем питатель разрезают для отделения отливки
от литниковой системы. Питатели должны иметь наименьшее
сечение, чтобы отделение было легким и обходилось дешево.
При отделении отливок от литниковой системы при помощи
вибрации на питателях выполняют надрезы, по которым они
разрушаются. Удаленность надреза от отливки зависит от тол-
щины питателя в месте надреза и сопротивления материала от-
ливки циклическим нагрузкам. При малой удаленности надреза
от отливки хотя и сокращается время вибрации, но появляется
опасность перелома питателя с вырывом тела отливки, особенно у
сплавов с большой вязкостью; Наиболее благоприятные величины
удаленности надреза от отливки показаны на диаграмме (рис. 32).
Отделение отливок вибрационным способом возможно при
горизонтальном расположении питателя и изготовлении отливок
из материалов с низкой вякостью. Положение питателей при
других способах отделения выбирают так, чтобы соседние отливки
не были повреждены. Длина питателя находится в определенном
отношении к его сечению. Если питатель имеет большую длину,
то необходимо увеличить и его сечение. При малом сечении пита-
теля не гарантируется подача жидкого металла к затвердевающей
отливке.
55
Толщина питателя
Рис. 32. Диаграмма для определения
расстояния от надреза на питателе
отливки:
1 — низкоуглеродистая сталь, на-
пример 12010-L; 2 — углеродис-
тая и низколегированная стали, на-
пример w 422660, 422819, 12060-L,
14220-L; 3 — стали с высоким со-
держанием хрома
Рис. 33. Прямой (/) и непрямой (3)
питатели
Длина питателя также зависит от способа отделения отливки
от литниковой системы. Отливки, отделяемые вибрацией, имеют
питатели длиной до 7 мм, а отливки, отделяемые наждачным кам-
нем, фрезой или другим инструментом, имеют длину 8—12 мм.
При монтаже моделей на литниковую систему склеиванием следует
избегать коротких питателей (менее 7 мм), так как при погруже-
нии моделей в клей возникает опасность смачивания клеем кон-
туров самой модели. В исключительных случаях, наоборот,
питатели могут быть длиннее 12 мм.
Металл в питателях может менять направление, движе-
ния (рис. 33). С точки зрения гидравлического сопротивления
наиболее выгодны прямые питатели, в которых металл не изменяет
своего направления при течении. В этом случае заполнение формы
металлом происходит быстрее и спокойнее.
3.5.4. ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ
Расчет литниковых систем при литье по выплавляемым моде-
лям отличается от расчета литниковых систем при литье в песча-
ные формы. Оболочковая форма значительно прочнее, чем песчано-
глинистая, но значительно меньшей газопроницаемости. В первом
случае жидкий металл заливается в раскаленную форму, во вто-
ром — в холодную. При конструировании литниковых систем
можно использовать следующие формулы [4]:
1. Время заливки керамической формы, с
где М — масса металла в форме;
s — коэффициент скорости заливки, его величину опре-
деляют по табл. 15.
56
' Таблица 16. Знамён иё коэффициента 5
Отношение массы М к объему V
Материал 1,0 2,0 3,0 4,0 6,0
Сталь и чугун 1,8 2,0 2,1 2,2 2,4
Медные сплавы 1,4 1,5 1,6 1,8 2,0
Алюминиевые сплавы . . . 3,0 3,5 4,0 — —
Примечание. V — объем призмы (или цилиндра), которую образуют внешние
контуры модельного блока.
2. Сечение коллектора:
а) коллектор в виде кольца с п радиальными ответвлениями
(спицами), соединяющимися со стояком
Fd — n-sd-hd,
где Fd — площадь сечения питателей в местах соединения с моде-
лями, см2;
sd — ширина ответвления, см;
п — число ответвлений;
hd — высота ответвления, см;
б) коллектор в виде диска без ответвлений
. Fd = • hd,
где Dv — диаметр стояка, см; hd — толщина коллектора, см.
3. Расчет сечений питателей одного звена моделей
F =
z teK-Hp ’
где F2 — суммарная площадь питателей и одного звена моде-
лей, см2;
Ме — масса отливок в одном звене, г;
te — время заливки одного звена, с;
К — коэффициент расхода, г/(см3-с);
Нр — высота столба металла от отливки до верхнего звена, см.
Коэффициент расхода рассчитывают по уравнению
где М — масса одной отливки, г;
V* — объем (условного) тела, который образуют наружные
контуры модельного блока, см3.
Для получения мелких отливок хорошего качества можно
использовать для выбора сечения питателя диаграмму (рис. 34).
57
а)
б)
Рис. 34. Определение размеров питателей:
а — для мелких отливок; б — для более крупных отливок
Величины, полученные по этой диаграмме, относятся к полному
сечению питателя. Надрезы не ухудшают условия питания метал-
лом отливок, так как при раскаленной керамике не происходит
перемерзание металла в этих местах и питание жидким металлом
не нарушается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Doskar" J., Gabriel J. Vyroba forem na vytavitelne modely pro presne liti,
Slevarenstvi, 8, 1966, s. 329—330.
2. Doskar J., Gabriel J. Vyroba forem na vytavitelne modely pro presne
liti z nizkotavitelnych a zinkov^ch slitin, Slevarenstvi, 11, 1966, s. 459—461.
3. Doskar J., Gabriel J. Vyroba forem z plastickych hmot na vytavitelne
modely, Slevarenstvi, 8, 1967, s. 329—330.
4. Doskar J., a kolektiv. Presne liti do keramickych forem, Praha, SNTL,
1961.
5. Allendorf H. Prazisionsgiessverfahren mit Ausschmelzmodellen, 3. vydani,-
Leipzig, VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie 1960.
6. Baranda V. K. Gipsovyje pressformy, Litejnoje proizvodstvo VII, 7, 1962,
s. 1—3.
7. Sturmann A. A. Polupostojannyje pressformy iz plastmass dlja modelej
tocnogo litja. Litejnoje proizvodstvo, 1961, VI, 2, s. 35—36.
8. Beer W. 0. Modern investment casting, Foundry Trade Journal, 4.7. 1963,
s. 15—24, 26.
9. Francouzsky patent 1006673, 1954.
10. Francouzsky patent 1067216, 1954.
11. Francouzsky patent 964948, 1948.
12. Patent USA 2523705, 1950.
13. DRP 1174021, 1964.
14. Firmenliteratur. Hochst, BASF, Argiiesso, Blayson.
15. Patent USA 2348756, 1938.
16. Patent USA 2526655, 1950.
17. Sorokin, Aleksejevskaja Modelnyje sostavy povysenoj pronocsti dija toc-
nogo litja, Litejnoje proizvodstvo, 1955, XII, s. 2—4.
18. Pat. SSSR 171519.
19. Pat. CSSR 102213, 121071.
58
21. Rakovskij Torftjanyje bitumy v modelnych sostavach tocnogo litja, Li-
'tejnoje proizvodstvo, 1957, XII, s. 35—37.
22. Patent DRP 1174456, 1964.
23. Taylor, Mason. Dimensional Aspects of Lost—wax Investment Casting,
Foundry Trade Journal, 1960, s. 697—700.
24. Moore C. D., Bell M. Synthetic Waxes in Metalworking, Metalworking
Equipment News, 1963, s 13—14.
25. Wittmoser. Cavityless Casting, Foundry Trade Journal, X, 1962, s. 466—
467.
26. Marsel, Kramer, Sanders. Engineering Properties of Pattern Waxes,
The Tool Engineer, 1957, s. 95—98.
28. Both J. H. W. Pattern Waxes for Investment Casting, Foundry Trade
Journal, 1962, s. 707—711.
29. Spurnik V. Zjjracovani termoplastick^ch hmot, Praha, SNTL, 1964.
30. Gabriel J., Sevcik F. Pinene modelove hmoty pro presne liti vytavitel-
nym modelem, Slevarenstvi, XV, 9, 1967, s. 367—370.
31. Gabriel J., Sevcik F. Nove modelove hmoty s montannim voskem pro
presne liti, Slevarenstvi*, XIII, 7—8, 1965, s 297—301.
32. Rosenthal H. Problem of Non-fill Investment Casting, Foundry Trade
Journal, 5, 1966, s. 677—680.
33. Wats С. H. New Concept for the Investment Castings Process, Foundry
Trade Journal, 5, 1966, s. 677—680.
34. Adams С. B. Casting and Risening of Investment Castings, Metal Prog-
ress, 5, 1956, s. 58—60.
35. Sklennik G. J., Ozerov V. A. Tocnoje litje po vyplavljajemym model-
jam, Moskva, 1971.
36. Carr L. E. Do old Theories Apply in New Technique of Grating? Foundry,
4, 1961, s. 81—83.
37. Gelhaaer G. Die Abschnittechnik von Feingussstiicken, Giessereitechnik,
7. 1965, s. 207—210.
Глава 4
ИЗГОТОВЛЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ
ПРИ ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
4.1. ФОРМОВОЧНЫЕ СМЕСИ
Формовочные смеси , для литья по выплавляемым моделям
стали и сплавов с высокой температурой плавления представляют
собой суспензию, состоящую из жидкой фазы — связующего, и
твердой фазы — огнеупорного материала с определенной вели-
чиной зерна.
4.1.1. ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Первоначально для литья по выплавляемым моделям исполь-
зовали при изготовлении форм тот же материал, что и для разъем-
ных песчано-глинистых форм в обычных литейных цехах серого
чугуна и стали. Это — двуокись кремния (кремнезем) в виде тонко-
размолотой кварцевой муки (|3-кварц). При повышении требова-
ний к свойствам и качеству точных отливок использование кремне-
зема стали ограничивать и применяют в настоящее время там, где
не предъявляются особые требования к габаритным размерам от-
ливок, качеству их поверхности, размерным допускам. Однако
используется кремнезем еще и там, где он является единственным
отечественным дешевым сырьем, и пока нет возможности при*
обрести другой, более подходящий огнеупорный материал.
Использование кремнезема нежелательно и с точки зрения ги-
гиены труда. Пылевидный кремнезем, вдыхаемый человеком,
вызывает у работающих в литейных цехах опасную профессиональ-
ную болезнь — силокоз. Формовочные смеси для литья по выплав-
ляемым моделям содержат также сильные неорганические ки-
слоты, которые повышают активность мелкой части пылевидного
кварца [1].
Развитие литья по выплавляемым моделям направлено на про-
изводство точных отливок [2] из материалов с высокой темпера-
турой плавления, очень часто из новейших жаростойких сплавов,
которые плавятся и заливаются в вакууме. Использование таких
сплавов и вакуумной технологии предполагает применение таких
формовочных смесей, из которых можно изготовлять керамиче-
ские формы высокой прочности и стойкости при высоких темпера-
турах.
Форма не должна взаимодействовать с заливаемыми сплавами,
изменяться в объеме во время изготовления, а также должна быть
60
достаточно газопроницаемой. Только формы с такими свойствами
Могут гарантировать, что отливки большой массы и габаритных
размеров будут качественными.
Формы с низкой прочностью и стойкостью при высоких тем-
пературах могут быть использованы для производства лишь мел-
ких и легких отливок. При большом объеме литого металла кера-
мическая форма прогревается теплотой металла до высоких тем-
ператур, размягчается и деформируется, в результате чего де-
формируется и отливка. Кроме того, при большой массе отливки,
которая в какой-то степени определяет металлостатический на-
пор, металл проникает в поры керамической формы и отливка
будет дефектной из-за плохого качества поверхности. Керамиче-
ские формы низкой прочности легко размываются заливаемым
металлом, и продукты эрозии (частицы керамики) могут быть при-
чиной засоров в отливках. Если материал керамической формы
реагирует с заливаемым металлом и с его окислами, то образую-
щиеся продукты реакций также являются причиной некачествен-
ной поверхности отливки (химический пригар).
Керамическая форма, изготовленная из материалов, значи-
тельно изменяющих свой объем при нагревании, не позволяет
получать отливки с узкими размерными допусками; такие кера-
мические формы следует прокаливать очень осторожно, иначе они
потрескаются от возникающих керамических напряжений, а
а иногда могут и просто разрушиться.
При литье в керамические формы с малой газопроницаемостью
при нормальном атмосферном давлении находящийся в форме воз-
дух и газы, выделяющиеся из расплавленного металла, не могут
удалиться через стенки формы. В этом случае жидкий металл не
заполняет полностью полость литейной формы и отливка полу-
чается с недоливом, с неудовлетворительным качеством поверх-
ности. \
Основные свойства керамических форм, такие, как огнеупор-
ность, тепловое расширение и инертность к заливаемому металлу,
зависят прежде всего от применяемого огнеупорного материала
(в суспензии) и в меньшей мере от типа жидкого связующего. По-
этому именно выбор соответствующего огнеупорного материала
определяет такие свойства, как термостойкость, тепловое рас-
ширение при нагреве и химическую инертность по отношению
к заливаемому металлу. В качестве огнеупорных материалов для
изготовления керамических форм используют окислы, силикаты,
глиноземы, силициды, карбиды, бориды, нитриды и интерметал-
лические соединения [3].
Существует еще ряд требований к огнеупорному материалу
(кроме перечисленных выше): его количество должно быть доста-
точным для потребностей литья по выплавляемым моделям, он
должен иметь требуемый фракционный состав, и стоимость его
должна быть приемлемой для производства. Поэтому из всего мно-
гообразия материалов в промышленном производстве применяют
61
Таблица 16. Некоторые свойства
огнеупорных окислов
Оки- сел Плот- ность при 20° С, кг/дм3 Точка плав- ления, °C Тепловое расширение (300—900° С), %
SiO2 2,65 1560 1,54
тю3 4,25 1820 0,25—0,92
А12О3 4 2040 0,21—0,97
ZrO2 5,7 2715 0,21—1,1
BeO 3 2750 0,21—1,0
MgO 3,6 2800 0,25—1,45
UO2 10,9 2850 0,28—1,1
ThO2 10 3170 0,28—1,0
лишь ограниченную группу ог-
неупоров, в основном окислов
(табл. 16). Приведенные в таб-
лице характеристики окислов
заимствованы из литературных
источников [3]. Помимо окис-
лов (табл. 16) в литье по вы-
плавляемым моделям приме-
няют карбид кремния, который
имеет высокую (1980° С) точку
плавления, относительно ма-
лую (3,2 кг/дм3) плотность, низ-
кий коэффициент теплового рас-
ширения. Карбид кремния про-
изводится в достаточном коли-
честве, необходимой зернистос-
ти и приемлемой стоимости. Его применяют в качестве обсыпочного
материала для повышения теплопроводности керамических форм,
т. е. ускорения затвердевания отливок. Использовать карбид
кремния в качестве наполнителя в суспензии нельзя, так как он
взаимодействует со сталью.
Из данных, приведенных в табл. 16, следует, что использова-
ние кристаллического кварца в литье по выплавляемым моделям
должно быть ограничено. Он имеет низкую огнеупорность, по-
этому кварцевые формы применяют при температуре 1540° С [6],
а также высокий коэффициент теплового расширения. Кроме того
кристаллический кварц при нагревании претерпевает несколько
кристаллографических превращений, связанных с резкими из-
менениями объема. Первое превращение кристаллического кварца
происходит при 575° С, когда p-кварц переходит в а-кварц. До
570° С расширение у кварца плавное. Затем наступает резкое уве-
личение объема приблизительно на 2%. Подобные превращение
происходят и при 870° С (тридимит) и 1470° С (кристобалит).
Приведенные кристаллографические модификации отличаются
друг от друга коэффициентом линейного расширения, который
увеличивается в следующем порядке: тридимит, кварц, кристо-
балит.
Аморфная форма двуокиси кремния (плавленый кварц, кварце-
вое стекло) хотя и имеет малый коэффициент расширения в преде-
лах температур от 0 до 1000° С (0,48-10“6) [7 ], обладает очень низ-
кой огнеупорностью (размягчается при 1550° С). На человеческий
организм аморфная форма кремнезема по сравнению с кристалли-
ческим кварцем действует более активно.
Плотность материала (см. табл. 16) не влияет на основные свой-
ства керамической формы, а проявляется только лишь в утяже-
лении литейной формы. Однако плотность сказывается на техно-
логических свойствах суспензии — ее седиментационной устой-
чивости. Огнеупорный материал в жидкой фазе суспензии оседает,
62
Таблица 17. Некоторые свойства силикатов
Материал Точка плавления, °C Теорети- ческая плотность, г/см3 Тепловое расширение от 100 до 1100° С, %
Кордиерит 2MgO*SiO2 1470 2,5 0,08—0,3
Форстерит 2MgO*SiO2 1910 — 1,2
Силлиманит Al2O3*SiO2 1545 * 3,25 0,43
Муллит 3Al2O3*2SiO2 1855 — 0,16—0,55
Шпинель MgO*Al2O3 2050 3,6 0,97
Стеатит MgO • SiO2 1545 — 1,1
Циркон Zr*SiO4 2095 4,7 0,16—0,63
* Указана не температура плавления в прямом смысле этого понятия, а темпера-
тура, при которой кристаллический муллит обогащается кремнеземом с переходом
в стекловидную текучую фазу.
и тем быстрее, чем больше его плотность при том же фракционном
составе. Быстрая седиментация суспензии создает затруднения
в производстве, поэтому для приготовления наиболее пригодны
огнеупорные материалы с низкой плотностью.
Из данных о свойствах остальных веществ, приведенных
в табл. 16, видно, что основным требованиям литейной керамиче-
ской формы отвечают глинозем, окись бериллия и окись циркония.
Окись бериллия нельзя вводить в суспензии из-за высокой токсич-
ности, так как все соединения бериллия вызывают бериллиозы —
болезни более тяжелые, чем силикоз. Для работы с соединениями
бериллия имеются специальные предписания как для работы с ра-
диоизотопами [8]. С окисью бериллия (ввиду ее токсичности) про-
водили эксперименты только в лабораторных условиях. Напри-
мер, кальцинированный гидроксид бериллия использовали в про-
изводстве форм для литья бериллия и его сплавов [9] и как при-
садку к корундовой керамике [10]. Окись циркония может быть
химически связана с другими окислами для стабилизации тепло-
вого расширения.
В табл. 17 [3] представлены силикаты, которые широко ис-
пользуют в качестве сырья для керамического производства. Из
ряда силикатов для форм в литье по выплавляемым моделям
(табл. 17) могут быть использованы только муллит и циркон. Сил-
лиманит имеет удовлетворительные свойства, но размягчается при
низких температурах. Его можно применять для изготовления ке-
рамических форм при отливке цветных леталлов и их сплавов,
особенно сплавов меди.
Из огнеупорных материалов на основе силикатов наиболее
приемлем для изготовления суспензий так называемый «молохит».
Это необычный сырьевой материал керамического производства.
Его промышленное приготовление заключается в обжиге подобран-
ных сортов каолинов при температуре свыше 1500° С с последую-
63
щим измельчением. По сути дела получается муллит в стеклянной
оболочке из аморфного окисла кремния. Он содержит около
56% муллита и около 44% аморфного кремнезема. Молохит по-
ставляет английская фирма English China Clays Sales Co. Ltd.,
St. Austell, Cornwell. По данным этой фирмы, молохит имеет огне-
упорность около 1750—1770° С, относительную плотность 2,70 и
коэффициент линейного расширения 4,44.10~6 в пределах темпера-
тур от 20 до 1000° С.
4.1.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАТЕРИАЛОВ ФОРМЫ
С РАСПЛАВЛЕННЫМ МЕТАЛЛОМ
Керамические формы из окислов менее подвержены воздействию
металлических окислов, чем формы из силикатов. Так, например,
расплавленные окислы железа интенсивнее воздействуют на ша-
мот (силикат алюминия — глинистый сланец с определенным ко-
личеством связанной глины), чем на шамотный глинозем или крем-
незем.
Циркон (силикат циркония) также взаимодействует с металлом
активнее, чем окись циркона [1 ]. Кремнезем по сравнению с окис-
лом циркония, алюминия и циркона наиболее подвержен воздей-
ствию расплавленных окислов железа, марганца и хрома.
При реакции окислов металлов с материалом керамической
формы образуются соединения с более низкой температурой плав-
ления, чем у материала формы и окисла металла. Так, например,
температура плавления кварца около 1560° С, а закиси железа FeO
1377° С. Между этими окислами образуется соединение со стехио-
метрическим соотношением FeOSiO2, которое имеет точку плав-
ления 1178° С. Окись марганца плавится при 1560° С. Его соеди-
нение с кремнеземом при стехиометрическом отношении плавится
при температуре 1221° С*.
При заливке, кристаллизации и охлаждении материал кера-
мической формы не должен взаимодействовать с окислами зали-
ваемого металла. Практически все же возникают реакции мате-
риала формы с заливаемым металлом. Это происходит тогда, когда
металл, заливаемый в форму, имеет большее сродство к кислороду,
чем окислы в материале формы. Так, например, кремнезем вос-
станавливается марганцем или титаном, а при высоком вакууме
и углеродом из металлического материала (расплава). Реакции
заливаемого металла с материалом формы разрушают керамиче-
скую форму, и получают отливки с дефектной поверхностью. Если
при этом возникают и газовые продукты, как при восстановлении
свободного кремнезема углеродом в высоком вакууме (СО), то от-
ливки будут иметь и газовые раковины.
Такая реакционность огнеупорных материалов с заливаемым
металлом свидетельствует о вредном влиянии свободного кремне-
* Ряд материалов по возрастающей стойкости: циркон, корунд, окись
циркония [12].
64
*
зема. Поэтому Во многих промышленно развитых странах для
приготовления суспензий при литье по выплавляемым моделям
используют огнеупорные материалы с максимальной огнеупор-
ностью, термостойкостью и малым тепловым расширением, со зна-
чениями лучшими, чем у кварца. Свободная окись кремния (крем-
незем) используется в основном в аморфной форме, т. е. в виде
плавленого кварца.
В США для литья по выплавляемым моделям используют сле-
дующие огнеупорные материалы: кристаллический и плавленый
кварц, плавленый глинозем (искусственный корунд), циркон, ста-
билизированный окисел циркония (Zirconia Е. F. Stabilised),
муллит (плавленный), спеченные каолины (Fire-Clay, Flint Grain),
кианит [6 ]. По литературным данным и по устным сообщениям при
посещении литейных цехов литья по выплавляемым моделям, за
рубежом используют для приготовления суспензий следующие
огнеупорные материалы: в СССР — пылевидный кварц — кристал-
лическая форма, циркон, корунд и его смеси со свободным крем-
неземом [13]; в Канаде (фирма Canadian Marconi Company) —
пылевидный циркон, молохит [14]; в США, фирма Mfg. Со. Ing.—
циркон, молохит, муллит [15]; фирма Austenal Micro Cast. Div.
HowmetCo. — коррунд, муллит, плавленый кварц, циркон [6].
Циркон и молохит используют также следующие фирмы:
Gebriider Sulzer Winterthur (Швейцария), Praff Kaiserlauter и
Edelstahlwerke Bochum (ФРГ), Dunlap (Англия), BSA Precision
casting Ltd. (Англия), Microfusion (Франция).
В патенте [16] приведены помимо кварца, корунда, циркона,
окисла циркония, молохита, силлиманита и муллита как высокоог-
неупорных веществ также и окись магния, окислы хрома и шамоты.
Окись магния не используют для изготовления керамических
форм из-за его высокого коэффициента теплового расширения^
Кроме того, окись магния активно действует на гидролизованный
раствор этилсиликата как гелеобразующий катализатор. Окись
хрома имеет средний коэффициент теплового расширения (близ-
кий к корунду), но ее нет в продаже в достаточном количестве
(с пригодной зернистостью). Окись хрома используют в качестве
добавки к керамическим формам, которые отличаются особо вы-
сокими механическими свойствами и химической стойкостью к воз-
действию окислов железа [17]. В Англии использовали такие
добавки в суспензию для получения точных отливок из стали с вы-
соким содержанием хрома.
Шамоты и глинистые сланцы при испытании в ZPS г. Готваль-
дов показали низкую огнеупорность и малую химическую стой-
кость к заливаемым металлам. Даже не очень массивные отливки
или отливки из низколегированных сталей имели некачественную
поверхность.
При выборе подходящего огнеупорного материала следует
иметь в виду и его последующее удаление с отливки. Лучшим яв-
ляется химический способ удаления. Он наименее трудоемкий и
о ы п 65
о И. Дошкарж и др.
фактически единственный при очистке керамики из узких от-
верстий, пазов и из других сложных полостей отливки.
Все формы кристаллографического кремнезема, включая и
аморфный, хорошо растворяются в щелочных веществах, таких,
как горячие водные концентрированные щелочи или расплавы
углекислых солей (карбонатов) и щелочных гидроокисей, а также
в плавиковой кислоте. Силлиманит также относительно легко
растворяется в щелочных гидроокисях.
Окись алюминия (корунд) трудно растворяется в расплавах
щелочных гидроокисей или в плавиковом шпате. Циркон практи-
чески нерастворим в расплавленных щелочных гидроокисях; он
легко растворяется в расплавленном криолите, флюорите (плави-
ковом шпате), фтористом натрии и в пирофосфате калия.
4.1.3. СВЯЗУЮЩИЕ СОСТАВЫ
Связующее (вяжущая жидкость) с огнеупорным твердым мате-
риалом образует формовочную смесь — суспензию. Связующее
должно обладать следующими основными свойствами:
а) не снижать огнеупорность формы и быть нейтральным при
прокаливании керамических форм к огнеупорному материалу и
к расплавленному металлу;
б) обеспечивать керамической форме достаточную прочность
после ее отверждения как после сушки, так и после прокаливания.
Коллоидные растворы продуктов реакции гидролиза алкокси-
полисилоксанов в спиртовой среде. Растворы алкоксиполисилокса-
нов приготовляют обычно с 10—25%-ной концентрацией SiO2.
Максимальное содержание SiO2 имеют метилоксиполисилоксаны,
которые лучше всего гидролизуются [12]. Однако пары метила
сильно токсичны и опасны для зрения. При определенных усло-
виях можно приготовить этилсиликаты с содержанием 53% SiO2
[13] и бутоооксиполисилоксаны с содержанием 45% SiO2. Наи-
более употребимы полимерные этоксиполисилоксаны с содержа-
нием около 40% SiO2, которые обычно используют в качестве
основного вещества для приготовления жидких связующих.
Эти вещества являются смесями этоксиполисилоксанов, в ко-
торых преобладает додекаэтоксипентасилоксан, теоретическая
формула которого имеет следующий вид:
ОС2Н5
ОС2Н5
Н2С2О—Si О—Si—О
ос2н5
ос2н5
| п = 2 — 31.
ОС2Н5
Si—ОС2Н5
ОС2Н5
Торговые обозначения (названия) таких продуктов — этил-
силикат 40, Si tester OS, Dynasil 40, этилкиликат NT40. Их спирто-
вые растворы дают с водой и соответствующим катализатором
гидролиза очень стабильные жидкие связующие для пылевидного
огнеупорного материала. При гидролитическом расщеплении это-
ксиполисилоксанов (этилсиликата 40) образуются поликремние-
66
---1--1--1-1--1—1—1-1__I__
0 12 3 4 5 б 7 8 9
Р"
Рис. 35. Область стабильности гидроли-
зованных алкооксиполисилоксанов
вне кислоты. Система представляет
'собой спиртовой коллоидный рас-
твор SiO2 (алкозоль). В спиртовом
растворе происходит дегидратация
коллоидных частиц. Такие раство-
ры до известной степени подобны
гидрозолям, в которых SiO2 при-
сутствует в виде коллоидных час-
тиц со значительно гидратирован-
ной поверхностью. Если размер
этих частиц в золях составляет
один миллимикрон, то образуется
гидратированный (силанольный)
слой, соответствующий поликремниевой кислотеSiO2-H2O/n [20].
Эти слои можно измерить [21 ]. Механизм образования гелей в
принципе одинаковый [22]. Они могут образовываться как груп-
пированием частиц коллоидных размеров, так и полимеризацией
молекул поликремниевых кислот. Такие растворы гидролизован-
ных продуктов ведут себя так же, как спиртовые коллоидные
растворы SiO2 (алкозоли) [23].
Растворы, как это следует из их коллоидного характера, ста-
реют и при определенных обстоятельствах желатинизируются. В от-
личие от гидрозолей SiO2 они стабильны в кислой среде. Максимум
их стабильности при pH около 2; минимум— при pH от 5 до 6.
Область стабильности гидролизованных алкооксиполисилокса-
нов и гидрозолей SiO2 представлена на рис. 35 [24 ]. Левая сторона
графика относится к гидролизованным растворам правая — к гид-
розолям SiO2. Из этого графика также ясно, что со снижением pH,
например, как при pH 0,5—1, стабильность раствора также сни-
жается. Гелеобразование при pH более 2 катализируется ионами
ОН", а при pH менее 2 — ионами Н+ и F".
При гелеобразовании происходит превращение золя в гель.
При этом на поверхности частиц огнеупорных материалов обра-
зуется пленка, соединяющая эти частицы в прочный оболочковый
слой. Присутствующие в геле поликремниевые кислоты при сушке
обезвоживаются с образованием аморфного SiO2, который после
прокаливания приобретает кристаллическую форму SiO2.
Приготовление спиртовых жидких свя-
зующих. Схема приготовления связующего и его отверждения:
Этилсиликат 40 + вода + катализатор гидролиза = гидролизован-
ный раствор
(жидкое связующее)
желатинизация (гель)
1
—» дегидратация
аморфный кремнезем
3* 67
Так как этилсиликат 40 не растворяется в воде, гидролиз про-
водят в спиртовой среде в присутствии кислых, реже осовных
(щелочных) катализаторов. Спиртовой средой могут быть метил-
этил-, изопропиловые спирты или ацетон. В виде исключения
гидролиз проводят без органических растворителей при непосред-
ственном действии подкисленной воды.
Обычно используют в качестве катализатора гидролиза этил-
силиката соляную кислоту НС1. Количество соляной кислоты,
скорость добавления воды с кислотой и температура гидролизуе-
мой системы обусловливают характер жидкого связующего.
В сильно кислой среде гидролиз проходит быстро и полно; не
остается никаких этокси-групп и несшитых полимеров, но по-
являются длительно гидратизированные продукты, т. е. гидро-
ксильные группы. Так, при гидролизе в среде соляной кислоты де-
гидратация достигает 86%. В растворе имеются полимерные
молекулы, содержащие четыре группы ОН и семь атомов Si. При
низкой кислотности гидролизуемой среды отношение гидроксиль-
ных групп ОН к атомам Si изменяется и составляет 2 : 7.
Присутствие групп ОН свидетельствует о том, что быстрым рас-
творением молекул дисперсной фазы были заперты внутри боль-
шие трехмерные молекулы, заключенные в полимерные цепочки.
Доказательством этого является то, что если гидролиз проходит
лишь в относительно умеренно кислой среде, т. е. медленно, де-
гидратация происходит практически полно. Снижением кислот-
ности гидролизуемой системы обеспечивается полное прохожде-
ние дегидратации, но реакция гидролиза идет медленно. Одновре-
менно с увеличением pH снижается стабильность системы, и рас-
твор быстро желатинизируется (0,002 моля НС1 на 1 л). При боль-
шей концентрации соляной кислоты желатинизации не наблю-
далось.
По литературным данным, рекомендуется 0,05—0,5%-ная кон-
центрация в связующем. Температура и тип растворителя ока-
зывают второстепенное влияние на скорость и глубину реакции
гидролиза этилсиликата, но ни в коем случае на скорость сушки
и живучесть связующего раствора [23].
Условия гидролиза. Степень гидролиза этилсили-
ката 40 зависит от соотношения количеств его и используемой
воды. По литературным данным, количество воды, используемой
для гидролиза, весьма различно (от 9,5 до 26%). В качестве до-
статочного количества воды для гидролиза этилсиликата 40 счи-
тается 15% по объему. Авторы книги имели большой опыт работы
с 20% (по объему) количеством воды (рассчитано на содержание
этилсиликата). Если использовать воды в большем количестве,
чем нужно для расщепления тяжелых фракций этоксиполисилок-
санов, то возникают золи в смешанной водно-спиртовой среде
(лиозоли). Это практически проявляется в снижении скорости
сушки оболочки, уменьшении ее прочности и в сокращении жи-
вучести связующего.
68
Температура при гидролизе является решающей в отношении
живучести и свойств алкозолей SiO2 и их гидратов, из которых
в основном состоит гидролизованный раствор этилсиликата. Чем
выше температура при гидролизе этилсиликата, тем меньше
время, необходимое для самопроизвольного превращения золя
в гель (время гелеобразования), и при этом снижается живучесть
связующего раствора. Связующий раствор теряет свои свойства
не только при переходе в твердое состояние, а значительно раньше,
при достижении определенной вязкости. Если гидролиз про-
ходит при низкой температуре, самопроизвольного гелеобразо-
вания не происходит и через 500 ч, если гидролиз проходит при
температуре 65° С, гелеобразование наступает через несколько
часов. Поэтому при некоторых запатентованных способах тре-
буется проведение гидролиза этилсиликата 40 при низких тем-
пературах (25—32° С).
Концентрация SiO2, т. е. количество исходного этилсили’
ката 40, в гидролизуемой системе является также важнейшим
фактором при его гидролизе. С повышением концентрации этил’
силиката 40 в гидролизуемой системе возрастает скорость гидро-
лиза и повышается температура гидролизуемого раствора. Уве-
личение скорости реакции объясняется неполной степенью де-
гидратации продуктов полученного связующего раствора.
Как показали исследования, химическая природа образую-
щихся продуктов одинакова при содержании в гидролизуемом рас-
творе 10 или 20% SiO2. Но для получения равноценных продук-
тов необходимо, чтобы гидролиз раствора с 10% SiO2 проходил
значительно дольше, чем при содержании 20% SiO2. Для гидро-
лиза этилсиликата 40 при приготовлении связующих растворов
можно использовать и другие кислоты, кроме соляной, напри-
мер азотную, фосфорную и серную, или органические кислоты,
например молочную кислоту. Хорошие результаты могут быть
получены и с глицероборитовой и манитоборитовой кислотами.
Гидролиз этилсиликата в щелочной среде проходит при ис-
пользовании щелочных катализаторов — модифицированных ами-
нов. К этилсиликатам добавляется небольшое количество (макси-
мально 5%) щелочных катализаторов, таких, как первичные
амины и динамины жирного ряда, например бутиламин, моно-
этаноламин, этилендиамин, пиперидин, циклогексиламин, ди-
циклогексиламин и т. п. После введения спирта и воды начинается
гидролиз, а одновременно и желатинизация. Скорость жела-
тинизации регулируется количеством вводимой воды.
При гидролизе всегда проходят две реакции, т. е. собственно
гидролиз и частично дегидратация образующихся гидратов SiO2.
Эти реакции изучали на примере чистых эфиров ортокремние-
вых кислот, тетраэтил ортосиликатов (тетраэтоксиланов), а не на
этоксиполисилоксанах, хотя можно предположить, что меха-
низмы реакции у чистых эфиров и полисилоксанов будут, веро^
ятно, подобны.
69
Таблица 18. Составы растворов
№ п/п Составляющие Части по массе
1 Силестер OS Этиловый спирт, денатурированный ме- танолом (6% воды) Изопропанол (16% воды) Вода Соляная кислота плотностью 1,18 60 36 4 0,1 60 40 0,1
№ п/п Составляющие Объемные части
2 Силестер О Этанол Изопропанол Вода SiO2 (приблизительно) 35,0 63,4 1,6 15 47,0 48,9 4,1 20 58,9 34,4 6,8 25 35,0 65,0 15 47,0 53,0 20 58,9 38,0 25
3 Этилсиликат Этанол 96% Вода Соляная кислота 18 22 3 0,15
В технической литературе имеется много составов для полу-
чения связующих растворов. Некоторые из них приведены
в табл. 18.
В СССР в качестве исходного материала для получения свя-
зующего этилсиликатного раствора используют два вида этил-
силикатов: этилсиликат, содержащий 30% SiO2, и этилсиликат,
содержащий 40% SiO2.
Гидролиз этил силиката проводится в спиртовой, ацетоновой
среде или в смеси ацетона со спиртом. Наряду с соляной кисло-
той при совмещенном гидролизе используют серную кислоту для
нейтрализации металлического железа в непрокаленном пыле-
видном кварце. Применяют также способ гидролиза этилсиликата
без введения органических растворителей.
Московский автозавод им. Ленинского комсомола (АЗЛК) при-
меняет для гидролиза этилсиликат, содержащий 30,3% SiO2,
смесь спирта и ацетона и соляной кислоты х. Советскими спе-
циалистами разработан интересный способ приготовления свя-
зующего из неполногидролизованного этилсиликата. Этилсили-
кат нагревается в гидролизере, и в него добавляется очень не-
1 С 1975 г. АЗЛК работает на низко кремнеземистом связующем ЗИЛ-ЭФ без
органических растворителей с использованием ЭТС-40. Содержание этилсили-
ката в связующем 25%. (Прим. ред.).
70
'МНОГО Подкислённой воды. В результате реакции гидролиза вы-
деляется спирт, который при нагреве превращается в пар. Пары
спирта улавливаются, конденсируются и вместе с водой вновь по-
даются в гидролизер. Неполный гидролиз этилсиликата проходит
при кипении растворителя.
В ЧССР используют только гидролизованный спиртовой рас-
твор этилсиликата 40. Спиртовой составляющей жидкого свя-
зующего является этанол, денатурированный бензином. В ка-
честве катализатора реакции гидролиза используется хлористый
водород. Концентрация SiO2 в жидком связующем колеблется от
100 до 165 г/л.
Так как связующее, приготовленное гидролизом этилсили-
ката, вследствие укрупнения коллоидных частиц SiO2 стареет,
т. е. изменяет с течением времени свои свойства (например, вяз-
кость, связующие свойства), следует соблюдать следующие усло-
вия:
а) температура хранения гидролизованного раствора должна
быть низкой. Согласно данным работы [26] снижение темпера-
туры при хранении с 30 до 5° С увеличивает живучесть связую-
щего вдвое;
б) концентрация хлороводорода, т. е. катализатора гидролиза,
должна быть в пределах 0,05—0,5% (по объему) на объем связую-
щего ;
в) при изготовлении связующего необходимо тщательно пере-
мешивать раствор. Например, ультразвуковая обработка свя-
зующего магнитостриктором 25 КС — 200 mA в течение 60 с удли-
няет его живучесть при содержании 106 г SiO2 на 1 л связую-
щего почти вдвое;
г) следует использовать предварительно гидролизованный
этилсиликат. При гидролизе необходимо вводить в этилсиликат
только такое количество воды, которое не вызывает расщеггле-
ния тяжелых фракций этоксиполисилоксана.
Оставшуюся часть рассчитанного количества воды вводят в ча-
стично гидролизованный этилсиликат перед непосредственным сме-
шиванием его с пылевидным огнеупором, т. е. приготовлением
суспензии.
Жидкое связующее, приготовленное гидролитическим расщеп-
лением алкоксиполисилоксанов, стало предметом пристального
внимания специалистов, работающих в области литья по выплав-
ляемым моделям. Согласно данным американского патента, ко-
торый защищает способ приготовления связующего раствора [27 ],
оболочки имеют высокую прочность, и объем их при прокали-
вании мало изменяется. Основой является этил полисиликат, ко-
торый имеет точно известный состав полимеров. Этил полисили-
кат гидролизуется при низкой температуре в присутствии кис-
лого гидрозоля с 40—50% SiO2 с величиной частиц 5—50 нм.
Пример. 13,3 г спиртового гидрозоля с pH 9,3 нейтрализуют 0,34 г 37%-
ной серной кислоты и перемешивают в течение 7 мин. После этого вводят 52,3 г
71”
безводного йзойроййлбвого Сйирга й ВнОвВ перемешивают 10 мин. По окончаний
перемешивания в полученный раствор вливают 34,3 г этилполисиликата (41%
SiO2) (и перемешивают еще 15 мин. Охлажденный до нормальной температуры
раствор используют для приготовления суспензии.
В одном из английских патентов ограничивается содержа-
ние НС1 в жидком связующем: 479 г этилсиликата 40 растворяют
124 г этанола, содержащего 7,5 мл НО. При постоянном переме-
шивании очень медленно, в течение 107 мин, вливают в раствор
77 г воды. Температура раствора при гидролизе не должна пре-
вышать 25° С.
В последние годы появился в продаже предварительно гидро-
лизованный этилсиликат. Так, например, в ГДР фирма VEB
Chemiewerk Nuchritz поставляет этилсиликат NV120. Это пред-
варительно гидролизованный этилсиликат NT40, который может
быть использован иногда без предварительной подготовки как
связующее для приготовления суспензии. Состав этилсиликата
NV120, полученного из этилсиликата NT40, следующий: SiO2 до
20% НС1 не более 0,05%. Плотность при 20° С равна 0,910 ±
0,004 г/см3.
Структура
ОСН5 ОС2Н5 он ОС2Н5
и 4 О а и
Si — О—Si—О—Si—О—Si—О
ОС2Н5 ОС2Н5 О ОН
I
НО—Si—ОС2Н5
ОСаН5
Живучесть такого связующего небольшая.
Американская фирма Union Carbide Corporation начала из-
готовлять два типа предварительно гидролизованных связующих,
пригодных для использования в состоянии поставки. Это этил-
силикат Р18 и этилсиликат Р20. В зависимости от требуемой
прочности при приготовлении оболочковой смеси вводят различ-
ное количество воды [28],
Гелеобразование указанных связующих на основе гидролизо-
ванных продуктов этилсиликата 40 может происходить двумя
способами: испарением дисперсной среды (спирта) или. химическим
воздействием специальных реактивов. Второй способ основан на
возможности перевода ранее описанных стабильных состояний
гидролизованного спиртового раствора этоксиполисилоксанов в не-
устойчивое. Применением щелочных веществ, чаще всего газо-
образного аммиака, повышают pH до 5—6. Это неустойчивая об-
ласть для кислых золей, и гидролизованный этилсиликат интен-
сивно превращается в твердую массу (гель). Такой способ от-
72
верждения оболочковой формы по сравнению с воздушной суш-
'кой является более быстрым; в последнее время он получил ши-
рокое распространение.
По данным патентной литературы, можно приготовлять орга-
нозоли и другим способом, минуя гидролитическое расщепление
алкоксиполисилоксанов, например реакцией гидрозоля SiO2
(pH 1,0—3,5) с 2,2 диметилоксипропаном. При этом возникают
коллоидные дисперсии SiO2 в метаноле и в ацетоне [29].
Помимо алкоксиполисилоксанов в литературе приводятся
и другие связующие, используемые в щелочной среде. К ним от-
носятся амикоалкилсиликаты, получаемые воздействием алкила-
минов на чистый эфир ортокремнистой кислоты (тетраэтилорто-
силикат) при повышенной температуре. В качестве алкиламина
применяют диэтаноламин или триэтаноламин. Эти вещества не
гидролизуются, а используются в качестве жидкого связующего
в концентрированном виде или в виде спиртового раствора. Как
только в эти растворы попадает влага, начинается реакция гидро-
лиза, во время которой высвобождается алкиламин — активный
гелеобразователь, и оболочки быстро отвердевают. Практически
воду для отверждения оболочки вводят путем использования
увлажненного материала для обсыпки суспензии. Алкиламин
можно^кже использовать в смеси с этилсиликатом или изопро:
пил силикатом [30].
Гетеросилоксаны. Используют жидкий алюмосилоксан. В
Европе его изготовляет фирма Dynamit-Nobel. Имеющийся
в продаже под названием смешанный алюмокремнистый эфир со-
держит в своей молекуле атомы кремния и алюминия, соединен-'
ные кислородной связью:
_ si—О—А1-
।
I
Остальные валентности уравновешены этоксигруппами. Такое
соединение легко расщепляется водой с образованием коллоид-
ных гидратных соединений обоих элементов. При прокалива-
нии (температура выше 940° С) образуется силикат алюминия
Al2O3.2SiO2 [7]. Алюмокремнистый эфир не гидролизуется, и свя-
зующее на его основе приготовляют простым растворением в без-
водном спирте. Получаемые оболочки на этом связующем имеют
большую прочность.
Органические соединения титана, p-хлорэтооксититанат ис-
пользуют в виде' бензолового раствора. Гидролиз проходит под
воздействием воды, которая поступает из специально увлажнен-
ного обсыпочного материала. Этоксититанат применяют в ка-
честве связующего для изготовления оболочковых форм, в которые
заливают металлы с высокой реакционной способностью (титан
и его сплавы) в вакууме. В такой форме не должно быть свобод-
ного SiO2 не только в наполнительном или присыпочном мате-
73
риалах, но и в самом связующем [32]. Соединения титана об-
щего типа Ti (ORX) 4, например тетраэтилхлортитанат в смеси
с алкиламинами, такими, как моноэтаноламин, диэтаноламин или
триэтаноламин, используют, в частности, в суспензиях для при-
готовления прочных керамических форм [33]. Применяют и дру-
гие соединения титана, например тетраизопропилтитанат или
бутилтитанат.
Органические соединения циркония. К ним относятся соеди-
нения, подобные органическим соединениям титана. Используют
или p-хлорэтоксицирконат, или соединения типа Zr (ORX) 4
(R-алкиленовый радикал с 2 или 3 атомами С; X — галогены).
Соединения получают воздействием этиленоксида или пропилено-
ксида на раствор циркониевого хлорида в четыреххлористом угле-
роде. Используют также цирконовые изопропилаты или бутилаты
(производство фирмы Dynamit-Nobel, ФРГ).
Среди связующих следует назвать гидролизованные в водно-
спиртовой среде этилсиликаты (без введения в них органических
растворителей) и растворы основных нитратов алюминия. Этил-
силикатные связующие без введения органических растворителей
получают при интенсивном перемешивании этилсиликата с под-
кисленной водой для прохождения гидролитического расщепле-
ния алкбксиполисилоксанов.
Некоторые составы:
1) 45% (по объему) этилсиликата 32 смешивают с 55% (по
объему) воды, к которой было добавлено 0,9 г/л концентрирован-
ной серной кислоты и 3,6 г/л концентрированной соляной кислоты.
В связующем должно быть 12—15% SiO2, 0,6—0,8% НС1 и 0,5—
0,7% H2SO4 [34 ] или 20 л воды, 0,8 л НО, 20 л этилсиликата [35 ];
2) 65 кг этилсиликата 40, 0,5 л 2,5%-ной НС1, 14,5 л воды
190—235 мл раствора янтарнокислой соли натрия (катализатор
гидролиза) на 100 мл воды 7,5 г.
После прохождения гидролиза раствор разбавляют 104 л воды.'
Максимальная температура при гидролизе 57° С.
Раствор основного нитрата алюминия A13/OH8NO3 в спирто-
вом растворе используется в СССР [37]. Отверждение связую-
щего происходит под воздействием газообразного аммиака. Во
время прокаливания нитрат алюминия разлагается и образуется
связка из А12О3, которая цементирует зерна огнеупорного металла.
Связующие на основе водных растворов коллоидного кремне-
зема. Гидрозоли SiO2 (водные растворы коллоидного кремнезема)
очень стабильны. Их pH колеблется от 8 до 10; торговые назва-
ния — Syton Р, Syton 2х, Ludox SM40. Первые два материала
производит фирма Monsanto Chemicals Со. Ltd. Последний — аме-
риканский концерн Du Pont, Wilmington, Delaware. Концентра-
ция коллоидной дисперсии в низ 15, 30 и 40% SiO2 соответственно.
Несмотря на то, что гидрозоли поставляются литейным цехам
как готовые связующие, их все же необходимо при изготовлении
суспензии для первого слоя оболочковой формы обработать сма-
74
, чивающим ацетоном. В противном случае суспёнЗия плохо об-
волакивает воскообразные модели, так как гидрозоль их не сма-
чивает. Такими смачивателями могут быть алкилсульфонаты,
эфиры полиэтиленгликоля, гекситолы или сорбитолы [38].
Если при перемешивании раствора коллоидного кремнезема
со смачивателями появляется пена, то применяют соответствую-
щий пеногаситель. Чаще всего используют для этого п-октилал-
коголь (и-октиловый спирт) [25].
По литературным данным, связующее на основе гидрозоля
состоит (мае. ч.) из 100 Syton 2х или Syton Р, 0,5 Lyssapol NX,
1,0 n-октанола.
Растворы коллоидного кремнезема постоянно совершенствуют
для увеличения их связующих свойств. Повышают содержание
в них коллоидных частиц SiO2, увеличивают их дисперсность. Так,
например, гидрозоль Ludox 40 содержит 40% SiO2 в виде колло-
идной дисперсии. Средний размер частиц составляет 7 нм (7 X
X 10"9 м); площадь их поверхности 400 м2 [39].
Связующие растворы коллоидного кремнезема сейчас стали
предметом изучения литейщиками. Предполагается их исполь-
зовать для автоматических быстродействующих устройств. Об
этом свидетельствуют данные патентных сообщений и публикаций
в технической литературе. Так, например, защищен способ при-
готовления связующего для отверждения газообразным аммиаком
[40, 41 ]. Суспензиям для изготовления оболочковых форм, свя-
зующим которых является раствор коллоидального кремнезема,
посвящена специальная литература [42]. Гидрозоли исполь-
зуют для приготовления суспензий с шамотным наполнителем
с быстрым циклом отверждения формы [25 ]. -Отвердителем свя-
зующего может быть аммиак, если в гидрозоль вводится соляная
кислота до получения в системе pH 1—2. Если гидрозоль обрабо-
тать 6—8% (по объему) аммиачной воды плотностью 0,88 г/см3, то
полученное связующее отверждается в короткий срок продувкой
углекислым газом. Отверждение гидрозоля кремнезема можно вы-
звать также замораживанием [43].
Смешанным связующим является гидрозоль кремнезема, в ко-
тором содержится до 40% гуанидинсиликата [44].
Щелочные силикаты (растворы жидкого стекла) используют
как связующие в виде водных растворов. Зерна огнеупорного на-
полнителя формы связываются пленкой гидратных соедине-
ний SiO2. Эти соединения образуются при разложении жидкого
стекла растворами некоторых веществ. Это так называемый мок-
рый процесс. Для отверждения используют водные растворы ам-
монийных золей (такой способ является основой процесса «Inca-
met») или спиртовой раствор фосфорной кислоты [45].
Нормальные и основные октаны алюминия применяют в виде
органических соединений алюминия
[Al (СН3СОО)]3; А1(ОН)-(СН3СОО)2; А1 (ОН)2 (СН3СОО).
75
Их водные растворы используют как связующие для изготовле-
ния керамических форм. Частицы огнеупорного наполнителя свя-
зывает гель гидратов глинозема, который образуется при изме-
нении суспензии за счет введения в обсыпочный материал соот-
ветствующих реактивов.
Связующие для форм, заливаемых металлом с низкой темпе-
ратурой плавления. Эти связующие являются или водными рас-
творами, или суспензиями твердых веществ в воде. Связывание
керамических зерен происходит веществом, образующимся в ре-
зультате реакции связующего с огнеупорным наполнителем со
специальными добавками суспензии или продуктами реакции
связующего с водой. В качестве связующего могут быть исполь-
зованы фосфаты магния, алюминия или цинка. Для литья по вы-
плавляемым моделям чаще всего применяют фосфат магния. Свя-
зующая пленка образуется в результате реакции между фосфа-
том аммония и окисью магния, чаще всего в виде обожженного
магнезита [46], по реакции
MgO + NH4H2PO4 + 5Н2О—MgNH4PO4-6H2O.
После обжига фосфат переходит в пирофосфат, стабильный до
1370° С.
Такие формовочные смеси используют исключительно для из-
готовления прочных форм, пригодных для литья металлов и спла-
вов с низкой температурой плавления. Вместо фосфата аммония
можно применять и раствор кислого фосфата магния.
Для изготовления форм используют гипс CaSO4-1/2Н2О. Вод-
ная суспензия гипса затвердевает через определенное время
с образованием дигидрата кальция. Гипс пригоден в качестве свя-
зующего для изготовления прочных форм, используемых при
литье цветных металлов, особенно алюминия. Формы на гипсо-
вой связке выдерживают максимальную температуру 1200° С.
К ряду алюмокальциевых связующих относится прежде всего
бокситовый или плавленый алюминатный цемент, главной состав-
ляющей которого является алюминат кальция СаО-А12О3. Если
его размешать с водой, то проходит гидролитическая реакция,
освобождающая гидратные окислы кремния и алюминия. С тече-
нием времени окислы переходят в кристаллическую форму алю-
мината и связывают зерна огнеупорного материала в прочное
целое.
Это связующее особенно пригодно для получения жидкопо-
движной массы, которой заливают оболочковую форму в опоке.
Так, например, американская фирма Austenal Microcast Div.
Howmet Corp, изготовляет керамические оболочковые формы, ко-
торые затем устанавливают в опоки и заливают подвижной смесью,
связующим которой служит алюминатный цемент. Такая напол-
нительная смесь состоит из 3—12% алюмината кальция, 20—50%
грубого обожженного шамота и обожженного кианита (остальное)
[6].
76
4.2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ
Характерным признаком литья по выплавляемым моделям яв-
ляется неразъемная форма. Модель, необходимая для получе-
ния формы, одноразовая и обычно удаляется из оболочки выплав-
лением. Формовочные смеси имеют сметанообразную консистенцию
и представляют собой суспензию — смесь жидкой и твердой фаз.
Керамические стержни вставляют в пресс-форму, чаще всего пе-
ред запрессовкой модельного состава. Металл заливают в раска-
ленные формы.
Оболочковые формы состоят из нескольких слоев, имеют низ-
кую теплопроводность, поэтому залитый металл в них очень мед-
ленно затвердевает. Согласно литературным данным соотношение
времени затвердевания металла в разъемной песчаной и оболоч-
ковой керамической форме составляет 1 : 5,7 [48]. Однако сле-
дует отметить, что литьем по выплавляемым моделям можно из-
готовить такие сложные отливки, которые в песчаных формах
вообще получить нельзя. При нанесении слоев суспензии на блок
моделей одновременно формируются полости отливок, вся литни-
ковая система, состоящая из центрального стояка и вспомога-
тельных каналов. Рабочему, который изготовляет оболочковые
формы по выплавляемым моделям, не требуется никаких уст-
ройств для контроля, кроме вискозиметра.
4.2.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ
Изготовление оболочковых форм претерпело ряд прогрес-
сивных изменений. В последнее время повсеместно используется
технология изготовления самонесущих оболочек (керамических
форм). Под этим названием понимают оболочки, которые можно
формовать сыпучим (без связки) наполнителем в опоках или же
прокаливать и заливать без опорного наполнителя. Ранее обо-
лочка с модельным составом формовалась в опоках жидкоподвиж-
ным наполнителем со связкой, и после его отверждения форма
представляла собой монолит, жестко связанный с заключенной
внутри него оболочковой формой.
По сравнению с традиционной технологией точного литья тех-
нология самонесущих оболочек имеет следующие преимущества:
1) экономия формовочных материалов;
2) сокращение трудоемкости;
3) укорочение цикла удаления выплавляемых моделей и про-
каливания форм;
4) обеспечение выбивки отливок из форм;
5) повышение газопроницаемости форм;
6) облегчение технологических операций и транспортировки,
так как масса оболочковых форм значительно меньше монолитных;
7) возможность механизации или автоматизации производства;
8) более быстрое охлаждение и затвердевание металла в обо-
лочковой форме и улучшение структуры металла отливки.
77
Самый обычный способ изготовления самонесущих оболочек —
нанесение оболочек на выплавляемые модели. Технология состоит
из следующих операций [49]: 1) нанесение слоев оболочки;
2) сушка или химическое отверждение оболочки; 3) удаление вы-
плавляемых моделей из керамических оболочек; 4) прокалива-
ние оболочек.
4.2.2. НАНЕСЕНИЕ СЛОЕВ ОБОЛОЧКОВОЙ ФОРМЫ
Нанесение слоя оболочковой формы заключается в погружении
(смачивании) модельных блоков в суспензию, присыпании слоя
суспензии огнеупорным материалом соответствующей зернистости
и сушке каждого слоя. После многократного нанесения суспен-
зии, ее обсыпки и сушки получают оболочку заданной толщины.
Выбор числа слоев зависит от требуемой прочности оболочки,
определяемой принятым технологическим процессом, и от раз-
меров отливок. Обычно число слоев в оболочке бывает от 3 до
10 [50].
Перед нанесением суспензии необходимо удалить с поверх-
ности модельного блока избыток разделительного состава, иначе
первый слой суспензии не будет смачивать модели. В этих местах
отвержденная оболочка будет растрескиваться вследствие напря-
жений или отслаиваться, что приведет к дефектам отливок или
к их браку [50].
Удаляют разделительный состав с поверхности моделей раз-
личными способами в зависимости от его химической природы.
Если при изготовлении моделей пресс-формы смазывают разде-
лительным составом, состоящим из машинного или силиконового
масла, то модельные блоки очищают в бензине, а после сушки
иногда еще и в спирте. Если в разделительный состав входит
смачиватель—поверхностно-активное вещество, то поверхность мо-
дельных блоков не следует специально подготовлять. Для обес-
печения хорошей смачиваемости поверхности моделей на некото-
рых заводах в СССР в суспензию с этилсиликатным связующим
вводят сапонат (синтетическое моющее средство) в количестве
0,01—0,05%.
Приготовление суспензии. Суспензию приготовляют переме-
шиванием точно отмеренных количеств пылевидного огнеупорного
материала с жидким связующим. Приготовленную суспензию
после перемешивания определенное время выстаивают, чтобы
из нее вышел воздух, который был замешен в суспензию вместе
с огнеупорным материалом, и чтобы отдельные частички огне-
упорного материала лучше смочились связующим.
Если жидким связующим являются коллоидно-дисперсионные
продукты гидролиза этоксиполисилоксанов, то при выстаивании
суспензии в ней проходит упомянутая выше реакция дегидрата-
ции. Этот процесс называют созреванием суспензии.
Вторым способом получения суспензии является так называе-
мый совмещенный способ, используемый, в частности, в СССР.
78
Сущность процесса заключается в том, что гидролиз этилсиликата
'проводят в присутствии огнеупорного материала с интенсивным
перемешиванием (число оборотов 2500—3000 1/мин). Соотноше-
ние количества огнеупорной составляющей и объема жидкого свя-
зующего назначают в зависимости от регламентируемой плот-
ности суспензии, рода связующего и типа огнеупорного материала.
Так, например, по литературным данным, для приготовления
соответствующих суспензий требуется больше цирконового ма-
териала, чем силлиманитового. Для гидрозоля SiO2 (смешанные
среды вода—спирт) в работе [53] рекомендуется соотношение
НО кг пылевидного кварца на 40,8 л связующего, а для гидро-
лизованного этилсиликата в спиртоацетоновой среде на 1 кг пыле-
видного кварца 0,45—0,48 л связующего.
Вязкость суспензии бывает различной, и величина ее опреде-
ляется принятой технологией и во многом традициями отдельных
заводов. Это подтверждают и литературные данные [54]. В основ-
ном для мелких и сложных моделей с глубокими пазами, узкими
прорезями, отверстиями, т. е. для моделей со сложными полостями
применяют более жидкую суспензию, чем для моделей простой
конфигурации и больших габаритных размеров.
При ручном нанесении первой, а иногда и второй слой обо-
лочки формируют суспензией с меньшей вязкостью, чем после-
дующие слои. В зависимости от вязкости суспензии подбирают и
зернистость обсыпочного материала. При жидких суспензиях ис-
пользуют мелкий, а при густых крупный обсыпочный материал.
При изготовлении суспензии, связующим которой является вод-
ный раствор коллоидного кремнезема, следует иметь в виду, что
во время выстаивания суспензии происходит смачивание поверх-
ности частиц пылевидного огнеупорного материала и вязкость
суспензии снижается. Снижается также вязкость во время вы-
стаивания суспензий со спиртовыми растворами этилсиликата,
но в меньшей мере. Поэтому такой эффект понижения вязкости
суспензии необходимо учитывать при ее изготовлении.
Нанесение слоев суспензии на блок моделей является наиваж-
нейшей операцией при формировании керамической оболочки,
влияющей на качество отливок. Этой технологической операции
следует уделять исключительное внимание. Одним из основных
требований к качеству суспензии является возможно более дли-
тельное сохранение его постоянных свойств, поэтому работа
с суспензией должна быть максимально простой и оболочки
должны отверждаться быстро. Эти требования связаны со свой-
ствами суспензий.
Суспензии, состоящие из огнеупорного наполнительного мате-
риала коллоидного раствора кремнезема и его гидратов, стареют,
и их свойства изменяются после определенного времени. Практи-
чески это проявляется в том, что получить равномерные по тол-
щине слоев оболочки через некоторое время после приготовле-
ния суспензии становится трудно, прочностные свойства кера-
79
мики (прочность при изгибе) снижаются и увеличивается склон-
ность к растрескиванию формы.
Огнеупорный материал, используемый для суспензии, не дол-
жен содержать вещества, которые приводят к нарушению ста-
бильности золя и вызывают укрупнение коллоидных дисперсий,
кремнезема и их гидратов за счет соединения мельчайших частиц —
дисперсоидов в крупные агрегаты.
Этот процесс агрегатирования можно предотвратить или умень-
шить двумя способами: первый способ — изготовление стабиль-
ного золя с более грубой начальной коллоидной дисперсией без
мельчайших частиц — дисперсоидов. При этом образование ча-
стиц с укрупненными (до критических) размерами будет затруд-
нено из-за отсутствия очень мелких частиц. Второй способ —вве-
дение в суспензию веществ, препятствующих слипанию мельчай-
ших дисперсоидов в более крупные агрегаты.
Первый способ является наиболее эффективным для преду-
преждения старения и увеличения живучести суспензии без вве-
дения защитных веществ, тормозящих агрегатирование частиц.
Этот способ позволяет увеличить живучесть суспензии на 60%,
между тем как наиболее эффективные защитные вещества, вводи-
мые в коллоидную систему, увеличивают ее не более чем на 25%.
Алкозоль с грубой коллоидной дисперсией можно изготовлять
или воздействием на гидролизаты ультразвуковой вибрацией
или использовать кремнийорганические соединения, которые
дают при гидролитическом расщеплении золи с крупными дис-
персоидами. Таким веществом является, например, алкилал-
коксисилоксан, имеющий наряду с мостиками Si—О мостики
Si—С.
Наиболее доступным из них является метилэтоксиполисилок-
сан, имеющий формулу
Н5С9О | СН3121 SiO LC2H5 или
Н2СМСН31С2Н2ОI SiO |„С2Н5.
Если суспензию, полученную смешиванием огнеупорной со-
ставляющей в свежеприготовленном алкозоле кремнезема, ис-
пользуют немедленно, то получаемые оболочки имеют малую
прочность при изгибе, значительно меньше, чем прочность обо-
лочек, полученных из суспензии после ее выдержки (выстаивания).
Этот процесс, как уже было сказано, называется созреванием [56].
Предполагается, что созревание зависит от двух процессов дегид-
ратации продуктов гидролиза этоксиполисилоксанов и равно-
мерного и эффективного смачивания мельчайших частиц огнеупор-
ного наполнителя. Сократить период созревания суспензии можно
различными способами.
1. Приготовлять суспензию таким образом, чтобы былб ин-
тенсивное перемешивание всех составляющих — твердых и жид-
,ких с активным смачиванием и перетиранием. Это способствует
ускорению дегидратации поликремниевых кислот
5юг4+нон= | siO3(OH) г3+он-1;
2 I SiO3 (ОН) |-з = I SiO2O7 |’в+Н2О... ooSi02.
Этот способ используют при гидролизе этилсиликата с приготовле-
нием суспензии, где связующий раствор и огнеупорный мелко-
дисперсный наполнитель перемешиваются при больших числах
оборотов мешалки.
2. Приготовлять суспензию в поле высокой частоты или вво-
дить в суспензию специальный диспергатор, который обеспечивает
ускорение процесса гидратации и улучшает смачивание связую-
щим зерен огнеупорной составляющей. Таким веществом является
ацетон. Испытания в ZPS г. Готвальдов показали, что сокращение
времени созревания огнеупорной суспензии наиболее эффективно
с использованием ультразвука во время ее приготовления. Время,
необходимое для приготовления суспензии, обеспечивающей по-
лучение оболочек с максимальной прочностью при изгибе, сокра-
щается при этом до нескольких минут [57].
3. Использовать для уменьшения седиментации огнеупорные
материалы с относительной низкой плотностью. Если суспензия
остается в покое, то происходит оседание пылевидного огнеупор-
ного материала и вязкость суспензии уменьшается, т. е. суспен-
зия седиментационно неустойчива. Для производства это недо-
пустимо. Скорость седиментации огнеупорного материала в сус-
пензии зависит от относительной плотности огнеупорного мате-
риала, его фракционного состава и вязкости жидкого связую-
щего. Скорость осаждения частиц можно уменьшить повыше-
нием вязкости жидкого связующего или измельчением зерна
огнеупорной составляющей. Однако сильное измельчение пыле-
видного материала и увеличение количества мелких огнеупор-
ных частиц приводит к снижению газопроницаемости оболочки,
к получению специфических литейных пороков на отливках —
неслитин и раковин.
Для поддержания более или менее постоянной вязкости сле-
дует периодически или постоянно перемешивать суспензию ме-
шалками. Повысить стабильность суспензии можно путем введе-
ния в нее определенного количества тонко размолотой глины, као-
лина или бентонита. Количество этих присадок регулируют в за-
висимости от вида огнеупорного материала и природы жидкого
связующего.
Испытания показали, что осаждение частиц пылевидного
кварца в суспензии с этилсиликатным связующим и органическим
растворителем (этиловым спиртом) можно снизить присадками
0,5% бентонита, 5% полиоксипропилентриола или 5% смешанного
полисилоксана. В ацетоновом растворителе, в котором пыле-
видный кварц осаждается быстрее, чем в этиловом спирте, можно
81
достичь седиментационной устойчивости добавкой 3% бентонита
и 5% смешанного полисилоксана. При других пылевидных огне-
упорных материалах с большей относительной плотностью, чем
у пылевидного кварца, указанные добавки оказывают на седимен-
тацию значительно меньшее влияние.
Вязкость суспензии также изменяется из-за повышенного рас-
хода связующего, связанного с его испарением с зеркала суспен-
зии, особенно во время перемешивания, и с пропитыванием жид-
кой фазой ранее нанесенных слоев оболочки при ее формировании.
Уменьшение жидкой фазы суспензии компенсируется добав-
кой связующего. При испарении жидкой фазы суспензии в пер-
вую очередь и в основном улетучивается органический раствори-
тель, поэтому концентрация кремнезема в связующем возрастает.
Можно в принципе добавлять в суспензию не само связующее,
а органический растворитель. Но практически это сделать невоз-
можно, так как нет способа быстрого определения SiO2 в остав-
шемся в суспензии связующем. В суспензиях, связующим в ко-
торых являются коллоидальный кремнезем — гидрозоль SiO2,
возможна корректировка консистенции жидкой фазы добавлением
растворителя. Существует также способ для определения кон-
центрации SiO2 в жидкой фазе суспензии [58].
Нанесение суспензии на блок моделей. Собранные модельные
блоки из воскообразных материалов первоначально выдерживают
на рабочем месте нанесения суспензии для того, чтобы темпера-
тура блока сравнялась с температурой помещения. Затем модель-
ные блоки погружают в суспензию, вязкость которой соответ-
ствует принятой технологии. При погружении модельный блок
одновременно поворачивается и наклоняется так, чтобы суспен-
зия равномерно покрывала все части модельного блока и чтобы
в углах, углублениях и пазах блока не образовались воздушные
карманы и не удерживались воздушные пузырьки. Время вы-
держки модельного блока зависит от его габаритных размеров й
формы. Этого времени должно быть достаточно для того, чтобы
все отверстия и пазы моделей заполнялись суспензией, а воз-
душные пузырьки полностью удалились. После этого модельный
блок извлекают из суспензии и поворачивают на воздухе в раз-
личных направлениях для стекания избытка суспензии и полу-
чения равномерного слоя на всех частях блока.
Время пребывания модельного блока в суспензии и время сте-
кания ее избытка зависит от опыта оператора, который следит
прежде всего за тем, чтобы нанесенный слой суспензии был при- <
близительно одинаковой толщины. Первый слой требует меньшего
времени выдержки в суспензии и ее стекания по сравнению с по-
следующими. Это необходимо для того, чтобы наносимый слой
суспензии полностью смочил предыдущий, а стало быть, хорошо
с ним соединился. Время выдержки второго и последующего
слоев приблизительно можно оценить по прекращению выделения
воздушных пузырьков с предыдущего слоя. Это тот самый воздух,
82
.который вытесняется жидким связующим суспензии с открытых
пор оболочки.
Стекание избытка суспензии со второго и последующего слоев
оболочки продолжается более длительное время, так как для них
используют более густую по сравнению с первым слоем суспен-
зию.
После извлечения из суспензии и стекания ее избытка модель-
ный блок обсыпают огнеупорным материалом соответствующей
зернистости. Чем меньше вязкость суспензии, тем более мелким
должен быть обсыпочный материал. Каждый слой суспензии, об-
сыпанный огнеупором, перед нанесением последующего сушат.
Обсыпка блоков. Зернистость обсыпочного материала. Перво-
начально обсыпали блоки потоком свободно падающего песка.
В настоящее время блоки обсыпают в псевдокипящем слое, т. е.
погружением модельного блока с нанесенным слоем суспензии
в кипящий слой обсыпочного материала. Этот способ обеспечивает
более равномерную обсыпку.
Относительно зернистости обсыпочного материала в техни-
ческой литературе имеется достаточно информации. Рекомендуется
величина зерна от нескольких сотых до нескольких миллиметров
[59]. Подчеркивается важность формы зерна обсыпочного мате-
риала и его относительная плотность. Так, в британском патенте
№ 1023829 от 1964 г. указывается молотый силлиманит, прошед-
ший сквозь сито 40 и оставшийся на сите 80; молохитовая крошка
с размером зерна 0,175—0,25 мм для первого слоя; 0,25—0,5 мм —
для последующих слов [60].
В приведенных работах не приводится наиболее приемлемая
зернистость обсыпочного материала.
Обсыпочный материал должен иметь такой зерновой состав,
чтобы толщина изготовляемых оболочек была равномерной в пре-
делах, удовлетворяющих прочность и газопроницаемость. Колеба-
ния зернового состава обсыпочного материала в производстве
должны быть минимальными. При обсыпке блоков в непрерывном
производстве зернистость постепенно изменяется. При механиче-
ской обсыпке более крупные частицы падают быстрее и захваты-
вают частично с собой мелкие. При обсыпке в кипящем слое обсы-
почный материал разделяется на слои в зависимости от массы
частиц. В верхних слоях кипящего слоя находятся более мелкие
частицы, в нижних — более крупные. Только в том случае, когда
обсыпочный материал состоит из нескольких различных веществ,
а более мелкие зерна имеют большую относительную плотность
(циркон) и более крупные — меньшую относительную плотность
(плавленый кварц), не будет происходить разделения обсыпочного
материала на отдельные фракции при обсыпке кипящим способом.
Испытания показали, что из обсыпочного материала в про-
цессе производства исчезает сначала мелкая фракция. В табл. 19
представлены результаты ситового анализа после многократного
обсыпания поверхности оболочки размером 100 X 25 мм. Вели-
83
Таблица 19. Изменение зернового состава песка при обсыпке блоков
Размер ячейки сита, мм Исходный состав песка, % Доля остатка на ситах, % при числе выполненных обсыпок
20 40 45
1,0 0,0 0,0 0,0 0,0
0,6 0,7 0,95 1,3 4,6
0,4 4,7 5,6 11,4 27,9 11,7 31,2
0,3 16,0 , 18,6
0,2 35,9 43,6 46,5 47,4
0,1 35,3 29,4 11,5 9,95
0,06 5,2 1,8 0,1 0,4)5
Менее 0,06 0,8 0,3 0,1 0,0
1,4 4,4 6,0 6,8 -Г-- 1 - г
1,2 1,0 7,8 1 —
9,5 14,4 — —
0,6 50,8 57,0 — —
0,4 24,2 10,6 — —
0,3 4,2 0,7 — —
Менее 0,3 0,6 0,1 — —
чина зерна кварцевого песка от 0,06 до 1,4 мм. Относительная
вязкость суспензии, выраженная временем истечения ее из во-
ронки Форда с отверстием диаметром 6 мм при температуре 20—
22° С, была равна 40 =t= 2 с для обсыпочного материала с зерном
0,06—0,6 мм; для песка с зерном 0,3—1,4 мм 52—57 с. Концентра-
ция условного кремнезема в связующем в обоих случаях была
равна 108 г/л.
Из табл. 19 следует, что вначале расходуются три фракции
мелких частиц, тогда как содержание крупных частиц увеличи-
вается, причем сумма потерь мелких фракций приблизительно
равна сумме прироста крупных фракций. Если содержание мел-
ких зерен в обсыпочном материале более 10%, то блок обсыпается
преимущественно этими мелкими зернами. Как только содержа-
ние мелких фракций становится меньше 5%, то и его уменьше-
ние во времени существенно замедляется. Это подтверждается про-
изводственными испытаниями при обсыпке песком с широким
интервалом зернистости. Если не заменять песок своевременно, то
обсыпочный материал становится грубее. Чем больше в обсы-
почном песке различных фракций, тем чаще его следует заменять
или регенерировать присадкой убывающей фракции.
При обсыпке в кипящем слое крупная фракция песка не уча-
ствует, она лишь накапливается как отход в нижней части устрой-
ства для псевдокипения. При обсыпке блока падающим потоком
песка кинетическая энергия крупных фракций песка может раз-
рушить слой суспензии на модельном блоке, что особенно 'опасно
на первом слое оболочки.
84
Чтобы обсыпочный слой был равномерным, следует подбирать
обсыпочный материал из трех различных фракций, величину ко-
торых лучше всего подбирать эмпирическим способом. Голланд-
ская фирма Phillips (Eidhoven), например, сортирует огнеупорный
обсыпочный материал на отдельные фракции с определенным раз-
мером зерна, перемешивает их затем в наиболее оптимальном
соотношении [61 ]. Такой способ подготовки обсыпочного мате-
риала требуемой зернистости дорогой и оправдывается только
определенными условиями производства и требованиями к ка-
честву.
4.2.3. ОТВЕРЖДЕНИЕ СЛОЕВ ФОРМЫ
Переход золя в гель под действием химического агента и испа-
рения дисперсионной среды связующего вызывает отверждение
оболочки.
Жидкие связующие, будь то спиртовые растворы продуктов
гидролиза алкоксиполисилоксанов или гидрозоля SiO2, являются
коллоидными растворами, и им присущи все закономерности кол-
лоидов. Коллоидные частицы золей стремятся занять положение,
при котором система обладает наименьшей энергией. При испа-
рении дисперсионной среды коллоидные частицы сближаются,
снижается их электрический потенциал до так называемой кри-
тической величины и золь немедленно превращается в гель [62].
В этом заключается сущность затвердевания связующего при
сушке.
Сушка отдельных слоев, из которых состоит оболочка, яв-
ляется одной из важнейших операций и требует постоянного вни-
мания. В прошлом качественной сушке не уделяем особого вни-
мания, так как многочасовая длительность сушки на воздух от-
дельных слоев (3—4 ч) была вполне достаточна для получения
прочной формы. Развитие способа литья по выплавляемым моде-
лям и его использование в массовом производстве вынуждают
максимально сокращать время сушки. Необходимо подчеркнуть,
что при сушке слоев нельзя допускать больших колебаний тем-
ператур выплавляемых моделей.
На скорость сушки слоев влияют следующие факторы.
1. Природа органического растворителя, в котором было при-
готовлено связующее. Оболочки из суспензий, приготовленных
с метиловым спиртом или ацетоном, сохнут быстрее, чем с эти-
ловым или с изопропиловым спиртом; это согласуется с точками
кипения этих жидкостей.
Вещество ..................Ацетон Метиловый Этиловый Изопропиловый
спирт спирт спирт
Точка кипения, °C ... . 56 65 78 82—85
2. Концентрация условного кремнезема и его гидратов в жид-
ком связующем. Превращение золя в гель, вызываемое сближе-
нием коллоидных частиц SiO2, наступает при увеличении кон-
85
центрации кремнезема после испарения дисперсионной среды.
Поэтому слои суспензии со связующим, имеющиие высокую кон-
центрацию коллоидных дисперсий SiO2 затвердевают за более
короткий промежуток времени, чем огнеупорные суспензии с низ_
кой концентрацией SiO2.
3. Температурные условия в сушильном отделении. Скорость
сушки зависит прежде всего от температуры окружающей среды,
скорости движения потоков воздуха и интенсивности отвода па-
ров дисперсионной среды. Повышенная температура ускоряет
испарение дисперсионной среды и сокращает время сушки обо-
лочки. Например, при повышении температуры с 20 до 27° С
продолжительность сушки сокращается на 70%. При темпера-
туре выше 25° С ухудшаются условия работы на рабочих местах
при ручном нанесении слоев.
В случаях если оболочку сушат при температурах более вы-
соких (при нанесении слоев суспензии), оболочка должна на-
ходиться в сушильной камере только в течение времени, необхо-
димого для испарения дисперсионной среды из связующего. В этом
случае теплота испарения растворителя ограничивает повышение
температуры всего блока и особенно выплавляемых моделей. При
нагреве моделей их расширение превышает расширение керами-
ческого покрытия, что приводит к растрескиванию и даже раз-
рушению формы. На практике при использовании различных по
форме моделей и габаритных размеров блока время испарения
растворителя неодинаково, и трудно установить единый режим
сушки. Поэтому нельзя рекомендовать повышенную температуру
при сушке блоков. При ручном и механизированном способах
формирования оболочки нельзя допускать колебания температур
в рабочем помещении. Наносить на блоки суспензию, обсыпать
их огнеупорным материалом и отверждать слои оболочки следует
при температуре около 25° С.
Все способы, позволяющие ускорять испарение дисперсионной
среды из оболочки, способствуют сокращению времени сушки.
Существенное сокращение времени достигается при сушке в по-
токе воздуха со скоростью движения по крайней мере 180 м/мин.
При умеренно нагретом воздухе (25—27° С) и скорости потока
воздуха около 250 м/мин можно сократить время сушки отдель-
ных слоев до 50—55 с [64].
Сокращение времени сушки оболочек в потоке воздуха с уме-
ренно повышенной температурой использует фирма British En-
gine Со (Англия), являющаяся побочным предприятием фирмы
Rolls-Royce Ltd. Там применяют специальное устройство для
сушки оболочек; температура воздуха 21—23° С, скорость
305 м/мин [65].
Другим способом быстрого удаления паров дисперсионной
среды является вакуумирование пространства сушильной камеры.
При быстром испарении растворителя в вакууме происходит
активное охлаждениек ерамических слоев, что может вызвать де-
86
формацию и растрескивание моделей и оболочек. Поэтому при
сушке в вакууме необходимо строго поддерживать тепловой ре-
жим в камере. Обычно это достигается тем, что через определенные
интервалы времени пространство сушильной камеры через спе-
циальные отверстия разгерметизируется. При разгерметизации
в камере частично поднимается температура. Лучшим и наиболее
технологичным является обогрев всего вакуумированного про-
странства встроенным устройством. Время сушки при этом можно
сократить на 30—40%.
Исследованиями установлено, что сушка в потоке воздуха яв-
ляется более эффективной и более подходящей для условий мас-
сового производства, чем сушка в вакууме. Формы непрерывно
проходят через сушильный тоннель, продуваемый потоком воз-
духа. При вакуумной сушке происходит периодическая загрузка
и выгрузка отвержденных блоков отдельными партиями [66 ], что
нарушает непрерывность производственного цикла.
Недостаток туннельной сушки в потоке воздуха —постоянная
направленность воздушного потока, что не обеспечивает равно-
мерного обдува всех частей блока. Для устранения этого недо-
статка, особенно при сушке форм с особо сложной конфигурацией,
следует увеличить скорость воздушного потока. Сушка в вакууме
рекомендуется для оболочек, которые требуют наиболее полного
удаления растворителя, как, например, после их химического
отверждения.
4. Величина зерна обсыпочного материала. С увеличением
величины зерна обсыпочного огнеупорного материала увеличи-
вается и скорость сушки слоев оболочки. Так, например, слои
оболочки, обсыпанные крупным (0,3—0,6 мм) песком, сохнут
в спокойном воздухе до постоянной массы на 25% быстрее, чем
слои, оасыпанные мелкие песком (0,1—0,3 мм), при тех же усло-
виях сушки. При малой скорости обдувающего воздуха темпера-
тура сушки не должна превышать 30° С, иначе спирт из нижеле-
жащих слоев оболочки будет испаряться слишком быстро. Обра-
зующийся при этом большой объем паров спирта не успевает спо-
койно выйти через поры оболочки, что приводит к ее вспучиванию
и расслоению. Оптимальная температура при воздушной сушке
без движения воздуха составляет 25—27° С. Температура окру-
жающей среды при сушке первых двух слоев оболочки не должна
изменяться более чем на ±1,6° С, а при сушке последующих слоев
на =^2° С. При более высокой температуре возникает опасность
нагрева выплавляемых моделей, их размягчения, увеличения
в объеме с последующим разрушением оболочки.
4.2.4. ХИМИЧЕСКОЕ ОТВЕРЖДЕНИЕ СЛОЕВ ОБОЛОЧКИ
Если в качестве связующего для изготовления оболочек ис-
пользуют гидролизованный раствор этилсиликата с органическим
растворителем, то оболочки можно ускоренно высушивать хи-
87
1
мическим отверждением. Ускоряющие химические агенты из-
меняют pH связующего раствора, переводя его в область pH 5—6,
в которой происходит его быстрое огеливание.
Операцию химического отверждения производят в следующей
последовательности. Наносят на блок моделей слой суспензиии
обсыпают его зернистым огнеупором. Обсыпанный блок первона-
чально подсушивают на воздухе, а затем помещают на короткое
время в среду газообразного аммиака. После выдержки блок про-
ветривают (или обдувают потоком воздуха, или устанавливают
в вакуумную камеру). Далее модельный блок снова погружают
в суспензию и операции формирования второго и последующего
слоев оболочки повторяют до получения формы требуемой тол-
щины. Длительность сушки оболочковой формы составляет 3—
8 ч в зависимости от величины модельного блока и числа слоев
оболочки.
При этом способе не только сокращается время, необходимое :
для образования оболочки, но и обеспечивается более низкий
расход связующего. При воздушной сушке отдельных слоев всегда
испаряется органический растворитель, а при нанесении нового
слоя в предыдущий просохший слой впитывается связующее, и
так столько раз, сколько наносится слоев. При химическом от-
верждении новый слой наносят на еще непросохший предыдущий
слой, так что в него связующее не впитывается. Этот способ быстрого
изготовления оболочек лег в основу автоматизации операций фор-
мирования оболочек. Например, автомат В/О Лицензинторг,
Москва (изготовляемый в СССР), действующий на описанном прин-
ципе, позволяет изготовлять 500 000 форм в год и обеспечивает
выпуск 2500 т отливок. Английский автомат 'фирмы GEC Elliot
работает на этом же принципе [67]. i
В последнее время наметилась общая тенденция к созданию
связующих и суспензий на их основе, которые обеспечивали бы
быстрое отверждение оболочковой формы с помощью химических
способов, в частности обработкой аммиаком. Два патента англий-
ской фирмы Monsanto Chemical Ltd. [68] защищают гидро-
золь SiO2, обработанный соляной кислотой или гидролизованным
этилсиликатом в спиртовой среде. Эти связующие содержат от
30 до 10% SiO2, имеют pH суспензии в пределах 1,5—5,0 и спо-
собны отверждаться аммиаком. Предварительная подсушка воз-
духом сокращается до 50 мин. Подсушенная оболочка обрабаты-
вается в камере воздушно-аммиачной средой (объемная концен-
трация NH3 0,05—5,0%) в течение 1 мин, а затем обдувается в те- ч
чение 2 мин воздухом. Оболочка состоит из восьми слоев. Огне-
упорным материалом является силлиманит [69].
Эта же фирма разработала новую технологию литья по выплав-
ляемым моделям, которая позволяет сократить время, необходи-
мое для отверждения одного слоя, до 8 мин; первый слой форми-
руется суспензией со связующим гидрозолем Syton «2х», осталь-
ные — со связующим алкозолем Silester 25. Для первого слоя
88
. в качестве наполнителя рекомендуют использовать пылевидный
циркон. Способ отверждения указан выше. Вторые и последую-
щие слои суспензии со связующим — алкозолем Silester 25 под-
сушивают кратковременно (5 мин) на воздухе, затем отверждают
аммиаком, обдувают воздухом и т. д.
Этой технологии предшествовал способ, разработанный ан-
глийской фирмой Rolls-Royce [70]. На выплавляемую модель на-
носят первый слой суспензии, состоящий из водного раствора
силиката натрия и огнеупорного материала, последующие слои—
суспензии на связующем — гидролизованном этоксиполисилок-
сане.
По лицензии Monsanto работают многие фирмы, например,
в Англии фирма Rolls-Royce, в Канаде фирма Canadian Marconi
и во Франции [71 ].
Описанную комбинацию связующих используют для улучше-
ния качества поверхности отливок. Оболочки же, отвержденные
аммиаком, имеют меньшую прочность, чем оболочки, высушенные
на воздухе, приблизительно на 55%.
На Московском ЗИЛе оболочковую форму изготовляют из
суспензии, состоящей из кристаллического пылевидного кварца
и гидролизованного раствора этилсиликата с растворителем аце-
тоном. Слой суспензии на блоке сушат на воздухе при 23 ± 2° С
и влажностью 57—62% в течение 30 мин. Затем блок проходит
аммиачную сушку (20 мин) и продувается воздухом в течение
10 мин. Таким образом получают четыре слоя оболочки. Послед-
ний (пятый) слой наносят из суспензии, состоящей из жидкого
стекла и кристаллического пылевидного кварца [72] *.
Недостатком отверждения оболочек аммиаком, кроме сниже-
ния прочности и пониженного сопротивления оболочки размыву
заливаемым металлом, является токсичность паров аммиака.
Газообразный аммиак легче воздуха и легко диффундирует в ра-
бочую атмосферу. Допускаемое количество его паров на рабочих
местах в ЧССР составляет 40 мг/м3, в аварийных случаях 80 мг/м3
[73].
Для ускорения гелеобразования связующего можно исполь-
зовать и кислые вещества, например углекислый газ (патент ан-
глийской фирмы Monsanto Chemical Company). Другими геле-
образующими реагентами являются жидкости, в которые погру-
жают оболочковую форму, например, раствор аммониевого октана,
нейтрализованный оптовой кислотой [74].
Гелеобразующие катализаторы (диэтилентриамин или унде-
циламин) можно ввести в суспензии путем увлажнения ими об-
сыпочного материала. В обсыпочный материал катализатор можно
1 В цехе точного литья ЗИЛа в настоящее время используют суспензию
с депрессорами испарения (автоматическая линия) и суспензию на связующем
ЗИЛ-ЭФ без органических растворителей (механизированная линия). На обеих
линиях применяется воздушная (без аммиака) сушка оболочек. (Прим. ред.).
89
ввести и в порошкообразном виде, например, углекислый аммо-
ний, комплексные соли фтористых кислот, а по данным советской
литературы, также и шлак, получаемый при производстве ферро-
хрома [75] (в виде кальциевого ортосиликата). По данным ука-
занного источника, время сушки сокращается до 10—15 мин.
Химическое отверждение оболочек возможно при одно-
временном применении двух суспензий разной химической при-
роды. В этом случае последовательное нанесение слоев суспензий
способствует их взаимному отверждению. Это могут быть сус-
пензии, из которых одна содержит в качестве связующего кислые
гидролизованные, а вторая — щелочные гидролизованные этокси-
поликсилоксаны. Можно также использовать в суспензии для
первого слоя связующее с кислым гидролизованным этоксиполи-
силоксаном со спиртовым растворителем, а для второго слоя
гидрозоль SiO2 в смеси с аммиачной водой. Кислые продукты и
спирт вызывают гелеобразование гидрозоля. В свою очередь
щелочные продукты гидролиза способствуют затвердеванию этил-
силикатного связующего из-за перехода его в неустойчивую об-
ласть с pH 5—6 [76].
Слои оболочки можно также отверждать попеременным погру-
жением в суспензии, из которых одна имеет в качестве связующего
подкисленный спиртовый раствор гетеросилоксана (например,
Dynasil Si—Al, изготовляемый фирмой Dynamit-Nobel), а другая
гидрозоль SiO2. Этот способ позволяет наносить слои суспензии
через 8 мин.
Способ взаимного отверждения поочередно нанесенных слоев
лежит в основе способа Colal, созданного фирмой Du Pont (США).
Используются два водных связующих — Colal F и Colal М. Пер-
вое представляет собой среднекислый водный золь SiO2 и А12О3,
а второе — среднещелочной гидрозоль. Интервал между отдель-
ными погружениями 5—10 мин. Оболочки имеют достаточную проч-,
ность при пяти—семи слоях. По данным фирмы, этот способ осо-
бенно пригоден для автоматического нанесения слоев [7].
Стремление к сокращению цикла производства оболочек ка-
сается не только процесса сушки, но и самого процесса нанесе-
ния суспензии на модельный блок. Так, например, при помощи
электрофореза можно изготовить достаточно толстую оболочку за
одну или несколько минут, что является наиболее выгодным,
чем длительная затрата времени при традиционной технике полу-
чения оболочковой формы с подсушкой каждого слоя. Результаты
формирования оболочки электрофорезом с различными сортами
суспензии отмечены как удовлетворительные [78].
4.2.5. УДАЛЕНИЕ МОДЕЛЬНОГО СОСТАВА ИЗ ФОРМ
После нанесения последнего слоя и полной сушки оболочки
из нее необходимо удалить модельный состав. z
Выплавление при высокой температуре. Формы с модельным
составом загружают в печь, нагретую до температуры не ниже
90
750° С. Проводят режим обработки при температуре 900—1100° С
'(если объединяют выплавление модельного состава из оболочек
с их прокаливанием [79]. Модельные блоки с нанесенной оболоч-
кой устанавливают в печи литниковой чашей вниз, и модельный
состав вытекает в подставленную емкость. Потери модельного со-
става при его выплавлении 10—15%. Под действием теплового
удара модельный состав, контактирующий с оболочковой формой,
быстро нагревается и расплавляется. Возникает зазор, заполнен-
ный жидким модельным составом, который предохраняет обо-
лочку от распирания и разрыва нагреваемыми и расширяющимися
моделями. Выплавление и прокаливание длится 15—25 мин. Глав-
ным недостатком этого способа является частичное ухудшение
качества выплавляемого модельного состава и возможность обра-
зования взрывоопасной атмосферы [80].
Выплавление при низкой температуре. В работе [81] описы-
вается выплавление моделей в расплавленном модельном составе
того же состава, что и модели, нагретом до температуры в 2 раза
выше, чем температура его плавления. Выплавление происходит
в течение 10—15 мин. Быстро образующаяся прослойка расплав-
ленного модельного состава между стенкой оболочки и моделями
предохраняет форму от разрушения. Такие же преимущества
имеет выплавление моделей в ваннах из низкоплавких сплавов,
например из сплава олово + свинец + висмут.
Наиболее часто используют выплавление в кипящей воде. Мо-
дельный блок с оболочкой, погруженный в кипящую воду, быстро
прогревается; при этом происходит преимущественное оплавление
модельного состава у стенок оболочки и в литниковой чаше.
Выплавляемый модельный состав всплывает на поверхность водя-
ной ванны. Выплавление продолжается 10—20 мин в зависимости
от конфигурации моделей и габаритных размеров и сложности
модельного блока. Преимущество удаления моделей в кипящей
воде состоит в том, что оболочка пропитывается лишь незначи-
тельным количеством расплавленного модельного состава. Кроме
того, уменьшается опасность разрыва оболочек. Вода, пропитав-
шая оболочку, начинает оплавлять слои модельного состава,
контактирующие с оболочкой. Возникает зазор, предохраняющий
оболочку от нарастающего давления моделей. При выплавлении
в воде литниковые чаши модельных блоков должны быть обра-
щены вниз, чтобы предотвратить засор оболочки обсыпочным ма-
териалом с последнего слоя. Спустя некоторое время целесооб-
разно повернуть блок литниковой чашей вверх.
Если блоки погружать в воду, температура которой ниже точки
плавления модельного состава, то поверхностный слой моделей
не оплавится и оболочка разорвется от расширения моделей.
Выплавление в автоклаве. В настоящее время в большинстве
случаев переходят от выплавления моделей в воде к выплавлению
в насыщенных водных парах (в автоклавах). При этом способе
происходит резкий тепловой удар на поверхности моделей в обо-
91
лочке, который тем интенсивнее, чем выше температура паров.
Поскольку температура пара зависит от его давления, то на прак-
тике используют устройства, которые работают при давлении
от 0,3 до 0,6 МПа и с температурой пара от 135 до 165° С. При ма-
лых размерах блока достаточно давления 0,05 МПа. При медлен-
ном нагреве блока оболочка разрушается, поэтому автоклав дол-
жен быть оборудован устройством, обеспечивающим загрузку бло-
ков, герметизацию и повышение давления в рабочей камере в мак-
симально короткий промежуток времени. По нашим исследова-
ниям, повышение давления до 0,30 МПа должно происходить за
время меньше 1 мин; это ограничение по времени является очень
важным для автоклавов больших размеров. Время выплавки при
этом составляет 5—25 мин.
Преимущество этого способа удаления моделей [82]: малые
потери модельного состава, сокращение растрескивания оболочек,
возможность использования блоков с более тонкими оболочками,
а также лучшее качество поверхности отливок.
Выплавление моделей в вакууме [83 ] является одним из наи-
лучших способов, улучшающих качество отливок.
Выплавление диэлектрическим нагревом. Оболочки с моделями
увлажняют водой и помещают в поле высокой частоты. Влажная
оболочка быстро прогревается, модельный состав расплавляется
около оболочек, образуется зазор, заполненный жидким модель-
ным составом, который позволяет моделям расширяться без рас-
трескивания оболочек [84].
Выплавление горячим воздухом. Поток горячего воздуха на-
правляют в центр (по оси) стояка модельного блока с оболочкой;
он проплавляет сначала отверстие и меньше нагревает модели.
При этом образуются полые выплавляемые модели, расплавив-
шиеся изнутри. Таким образом оболочки предохраняются от рас-
трескивания при расширении моделей.
4.2.6. ПРОКАЛИВАНИЕ ОБОЛОЧЕК
При прокаливании аморфная форма связующего слоя SiO2 пе-
реводится в кристаллическую, из оболочки удаляются все лету-
чие вещества, в том числе остатки модельного состава. Темпера-
тура прокаливания обычно бывает выше 800 °C (900—1080° С).
Максимальная температура, до которой нагревают оболочку, за-
висит от типа используемых печей.
В ЧССР для прокаливания оболочек используют электриче-
ские печи сопротивления; температура прокаливания колеблется
в пределах 900—980° С. Минимальная температура 800° С уста-
новлена на основании кривых дифференциального термического
анализа керамической оболочки, изготовленной из продуктов гид-
ролиза алкоксиполисилоксанов в спирте и пылевидного кварца.
Эти кривые показывают, что при температуре 800° С все реакции
в связующем материале закончены и никаких превращений в твер-
дой фазе суспензий не происходит [86].
92
Режим прокаливания оболочек устанавливают в зависимости
от свойств керамической формы. Оболочки из материалов с низ-
ким коэффициентом термического расширения или из материалов,
которые при нагреве не претерпевают кристаллографических пре-
вращений, хорошо выносят тепловые удары. К таким материалам
относятся циркон, стабилизированный окисел циркония и плав-
леный кварц. Оболочки, изготовленные из этих материалов, если
они достаточно высушены, можно загружать в печь, нагретую до
максимальной температуры, без опасности повреждений.
Для оболочек же, изготовленных из кристаллического кварца,
требуется постепенный равномерный прогрев, особенно в области
первого кристаллографического превращения кварца (575° С). Это
очень важно для крупногабаритных блоков с толстыми сечениями
оболочки и сплошной конфигурацией отливок. Большой коэффи-
циент термического расширения кварца вызывает деформацию и
разрушение оболочковых форм. При быстром нагреве температура
наружных слоев оболочки выше внутренних. При этом слои мо-
гут отслаиваться, растрескиваться [87], и вся оболочка в целом
имеет низкую прочность на изгиб.
Максимальную температуру в печи, при которой загружаются
оболочки на основе кристаллического кварца (300—400° С), на-
значают в зависимости от размера рабочего пространства печи и ее
тепловой мощности. Скорость нагревания блоков должна обес-
печивать плавный прогрев формы по всему сечению оболочки.
Обычно скорость нагрева около 5° С/мин или 150—300° С в час.
Если форму устанавливают в нагретую печь, то первоначально
следует выравнивать температуру печи и формы, а затем повышать
температуру с ранее указанной скоростью. При температуре,
близкой к 575° С, происходят объемные превращения в кварце,
поэтому необходимо при данной температуре выдержать формы
не менее 30 мин, чтобы в оболочках не возникали деформации или
трещины. Дальнейший нагрев ведут с постоянной скоростью до
конечной температуры, при которой оболочки выдерживают 60—
80 мин для окончательного прогрева и выравнивания температур.
В оболочках, отверждаемых сушкой на воздухе, может оста-
ваться много влаги. При интенсивном прокаливании образующиеся
пары воды разупрочняют форму. Если оболочки сырые, то следует
изменить режим прокаливания. Форму сначала нагревают до
100° С и выдерживают при этой температуре 20—30 мин для окон-
чательного высушивания. После этого форму прокаливают по
приведенному выше режиму.
4.2.7. ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ СПОСОБОВ
ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ
Для совершенствования производства керамических форм раз-
рабатывают новые способы, направленные прежде всего на сни-
жение производственных расходов и улучшение качества форм
и отливок.
93
Согласно английскому патенту [88] для суспензии и обсыпоч-
ного материала можно использовать тонко размолотый вольфрам,
тантал и другие тугоплавкие металлы. В качестве связующего
рекомендуются коллоидные растворы окислов металлов III и
IV групп периодической системы элементов и органические соеди-
нения.
Другой английский патент [89] рекомендует армированные
оболочки. В последний слой суспензии вводят огнеупорный волок-
нистый материал с низкой теплопроводностью и большой пори-
стостью. Это может быть асбест, волокнистое стекло или мине-
ральная синтетическая вата под торговым названием Refrasil.
Суспензия наносится на блок моделей пульверизацией.
При литье титана и его сплавов, отличающихся высокой реак-
ционной активностью, нельзя использовать описанные выше кера-
мические формы. Титан и его сплавы реагируют с материалом та-
ких форм, и тем сильнее, чем массивнее отливка. Поверхность
отливки получается шероховатой с большим количеством микро-
дефектов, которые являются зародышами будущих трещин [90].
Рекомендуется заливать такие сплавы в графитовые формы [91]
со связующими синтетическими смолами. Перед заливкой формы
прокаливают в аргоновой атмосфере для^коксования синтетиче-
ских связующих [92].
Чтобы использовать для металлов с высокой реакционной
активностью оболочковые формы из традиционных керамических
материалов, что экономически нецелесообразно, следует специ-
ально подготовить рабочую лицевую поверхность оболочки, со-
прикасающуюся с этим металлом. Для этого форму, изготовлен-
ную из обычных керамических материалов, нагревают в угле-
водородной атмосфере (0,13—1,3 кПа) до 700—1200° С. При этом
происходит пиролитическая диссоциация углеводородов и вы-
деляющийся углерод осаждается на стенках формы, создавая
плотный слой графита [93].
| Примером технологического процесса, направленного на уско-
рение операции формирования оболочки и снижение производ-
ственных расходов при изготовлении тяжелых отливок, является
усовершенствованный способ «Plycast». Связующее суспензии со-
стоит из гидрозоля кремнезема с добавкой аммиака, и для его
отверждения используют атмосферу углекислого газа [94]. Вы-
плавляемые модели припаивают на стояк (специальной конструк-
ции), на который нанесена гофрированная бумага. На бумаге за-
креплены специальные плитки, к которым припаиваются модели.
Весь стояк покрыт модельным составом. Собранный модельный
блок в горизонтальном положении помещают в камеру, где уста-
новлена емкость с суспензией. Камера герметизирована и на-
ходится под вакуумом. Стояк, вращающийся с частотой 5 об/мин,
погружается на 45 с в суспензию. Затем давление в камере вырав-
нивается, стояк с моделями, покрытыми слоем суспензии, извле-
кается из нее и начинает вращаться с частотой 50—75 об/мин.
94
Во время вращения с моделей удаляется избыточное количество
суспензии. Затем модельный блок с нанесенным слоем в горизон-
тальном положении погружается в кипящий слой огнеупорного
материала.
Весь цикл повторяется 6 раз; затем из блока вынимают стояк
с бумагой, сырую форму просушивают и после прокаливания
при температуре 985—1080° С подают на заливку. Перед залив-
кой в форму вставляют керамический стержень, образующий по-
лый цилиндрический стояк с литниковой чашей [95].
Другим примером оригинальной технологии является процесс
Intrishell, разработанный фирмой Precision Metalsmiths Inc. Ele-
vacans. На модельные блоки наносится суспензия в особом уст-
ройстве (разработка фирмы) при пониженном давлении. Связую-
щее в суспензии состоит из гидрозоля кремнезема. Этот способ
позволяет наносить слои суспензии спокойно, без завихрений,
а следовательно, и без дефектов на выплавляемых моделях с уз-
кими и глубокими пазами, отверстиями и сложными полостями
[96].
В последнее время стал известен скоростной процесс «Incamet
Rapid Shell», при помощи которого одна оболочка изготовляется
за две минуты. Оболочковая форма имеет высокую прочность [97 ].
Этот способ внедрен в производство английской фирмой Marave
Works of Incamet Ltd., Douglas, Lanark.
Постоянному совершенствованию и развитию способов изготов-
ления оболочковых форм уделяется большое внимание, так как
новые разработанные жаропрочные сплавы для деталей, эксплуа-
тирующихся при высоких температурах, и современные способы
выплавки и заливки этих сплавов требуют абсолютно надежных
керамических оболочек. Эти оболочки заливают при высоких тем-
пературах с медленным регулируемым охлаждением в вакууме.
Масса отливок растет, требования к качеству повышаются.
Это очень трудная задача, решением которой занимаются специ-
альные организации. Так, например, концерн Du Pont (США)
создал исследовательский отдел, где разрабатываются новые свя-
зующие, изучаются различные способы формирования оболочек и
параметров отверждения связующих. В том же отделе проводятся
исследовательские работы по изучению технологических пара-
метров суспензии (вязкость, текучесть) и влияние их на свойства
оболочковых форм (равномерность, толщина оболочки, прочность)
[39]. Важное место в этих исследованиях занимает разработка
надежных методов контроля операций нанесения суспензии и ее
отверждения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. King Е. J. Lectures on the scientific basis of medicine 2, 1952—1963, s.
108—136.
2. Anonym. Investment casting trends, Gas Turbine, XI/XII, 1966, s 1120.
3. Engineers guide to structural ceramics, Materials—Engineering XI, 1970,
Vol. 72, 5, s. 38—45.
95
4. Nicole I is E. H., Riviezzo A. Use ot silicon carbide for making ceramic
shells, Foundry Trade Journal, 19.5.1966, s. 681—686.
5. Salmang H., Scholze H. Die physikalischen und chemischen Grundlagen
der Keramik. Berlin—Heidelberg, Springer—Verlag 1968, s. 71.
6. Feagin R. C., Bebbington D. S. Mould and crucible refractories for the in-
vestment casting industry, Foundry Trade Journal, July 2, 1964., s. 15—26.
7. Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie. 8 Auflage, Silicium, Teil B,
System Nr. 15, Weinheim, Verlag Chemie, 1959, s. 551, 552.
8. Houston С. M. The use of alumina ceramics in engineering. Prednaska na
dnech britskeho strojjrenstvi v Praze, 24.10.— 27.10.1966, Royal Worcester
industrial ceramic Ltd.
9. Francouzsky patent 1298755 z roku 1961.
10. Francouzsky patent 1326386 z roku 1962.
11. Fishmann J. L. Techniques and binders for investment casting, Ceramic
Age IX, 1967, s. 26.
12. Colligan C. A., Phipps 0., Pari lie D. Modern Casting, 1956, Vol. 47,
6, s. 134—143.
13. Sladkova M. V., Cumakov V. A. Antonov A. K. Obolockovije formy iz
zirkona i dvuokisi titana dlja litja po vyplavljajemym modeljam, Litejnoje
proizvodstvo, 1964. 8, s. 1—3.
14. Davies S. Lost wax casting cuts cost boots quality, Canadian Machinery
and Metalworking VIII, 1968, s. 58.
15. Fisman J. L. Technigues and binders for investment casting, Ceramic
Age 10, 1967, s. 28.
16. Bidwell H. T. Investment casting. The Machinery Publishing Co., Ltd.,
London N. W. 1, 1969, s. 43.
17. Shigeyoki Somiya, Tetsuro Tani, Takesi Hayshi. Chromium oxide im-
pregnated refractories, Taikabotsu, 21, 1968, 137, s. 259—269.
18. Dittrich W., Krings W. Ein neues und billigeres Kieselsaureprodukt zur
Bindung von Formsand, Giesserei, 49, 1962, Heft 4, s. 89—90.
19. Dogson D. D. Monsanto Chemical Ltd., Britsky patent 722425, 1951.
20. Carman P. C. Trans. Farady Soc., Vol. 36, 1940, s. 964—973.
21. Dahlin L. M. Colloidal silica systems for investment shells, Precision
Metal Molding, 1969, s. 81—83.
22. filer R. K. Journal physik., Vol. 56, 1952, s. 680—682.
23. Doskar J. akolektiv. Presne Liti do keramickych forem, Praha, SNTL, 1961.
24. I Iler R. K. The colloid chemistry of silica and silicates. Cornel Univ.
Press, New Joue, 1955, s. 45.
25. Shepherd J., Lewis N. S. Ethyl silicate and colloidal silica as bonding
agents for ceramic shell molds, Foundry Trade Journal, 2.11.1961. s. 550—552, 553.
26. Evans J. J. Silica binders for invesment casting, Foundry Trade Journal,
3.9.1959, s. 114.
27. Patent USA 3576652.
28. Anonym. Ready—to—use investment binders, Foundry, XI, 1971, s.
104—112.
29. Patent USA 3004921, 1961.
30. Britsky patent 1009717, 1962.
31. Dittrich W., Hauck G. Silicium—Aluminium—Ester, ein neiier Binder
fur Feingiessformen, Giesserei, 1965, Heft 10; s. 319—320.
32. Emblem H. G. Use of organometalie compounds in investment casting.
Foundry Trade Journal, October 1962, 417—422.
33. Francouzsky' patent 1365207 z r. 1963.
34. Ivanov V. N., Zareckaja G. H. Litejnoje proizvodstvo, 1965, 4, s. 25—37.
35. Semenenko A. B., Vasliljev M. J., Alexejev J. P. Prigotovlenije ogneupor-
noj suspensii bez rastvorjenija etilsilikata dlja litja po vyplavljajemym modeljam,
Masinostroenije, XI—XII, 1965, s. 63—64.
36. Ziegler C. N., Lamaire L. V. A non solvent process for produstion of ethyl-
silicate binder for investment molds. Precision Metal Molding, VI, 1961, s. 31—32 .
96
37. Matusevic I. S., Krestovnikov A. N., Sklennik J. I., Wendrich M. S.
'Osnovnyje azotistyje soli aluminija как obrasujucije materialy dlja izgotovlenija
bezkremn zemnych form, Litejnoje proizvodstvo, IV, 1966, s. 1 —3.
38. Britsky patent 1085584 (Monsanto Chemicals Ltd).
39. Lefer H. Bessere Formstoffe zur Herstellung von Schalenformen fiir das
Feingiessverfahren, Giesserei, 57, 1960, Heft 9, s. 242—243.
40. Britsky patent 1023829 z r. 1966
41. Britiky patent 1004278 z r. 1965.
42. Dahlin L. H. Colloidal silica systems for investment shells, Precision
Metal, January 1969, s. 81—83.
43. Phelpo E. H. Low temperature formation of investment Molds, Modern
Casting, Vol. 54, 1968, 2, s. 80—82.
44. Patent USA 3597248.
45. Anonym. A lost wax every 60 seconds? New techniques may extend scope
of precision casting, Foundry Trade Journal, I, 1970, s. Ill—115.
46. Bidwell H. T. Investment casting. The Machinery Publishing Co., Ltd.,
London N. W. 1, 1969, s. 41—42.
47. Lawrence W. C. Precision casting mold materials. Modern Casting, VIII,
1960, s. 111.
48. Poulsen S. C. Machinery, V, 1960, s. 1092.
49. Davis H. Investment Casting. The british foundryman, IV, 1964,
s. 166,178.
Beer W. O. Modern Investment casting. Foundry Trade Journal, 4.7.1963, s.
15—24.
50. Donaldson E. G. Current practice in investment casting. Metal Indu-
stry, 1963, s. 360—367.
51. Butterwick В. H., Margetts S. Statistical investigation of certain factors
affecting quality of investment casting, Foundry Trade Journal II, 1969, s. 516.
v 52. Berezina V. I., Subina T. N. Sovmescennyj sposobgidrolizaetilsilikata,
Litejnoje proizvodstvo, 1963, 1, s. 38.
53. Semenenko A. A., Vasiljev M. J., Alexejev J. P. Masinostrojenie,
XI—XII, 1965, s. 66.
54. Bidwell H. T. Investment casting. The Machinery Publishing, London,
N. W. 1, r. 1968, s. 40.
55. Gmelin's Handbuch der anorganischen Chemie, 8. Aufl., Teil C, Wein-
heim, Verlag Chemie, 1958, s. 303—305.
56. Doskar J., Gabriel J. Formstoffe zum Schalenformen fiir das Feingiess-
verfahren. Giesserei, Jrg. 53, Heft 9, s. 277—278.
57. Ceskoslovensky patent 123859.
58. Dahlin L. M. Colloidal silica systems for investment shells, Precision
Metal Molding, leden 1969, s. 82.
59. Shepherd J., Lewis N. S. Ethylsilicate and Colloidal silica as bonding
agents for ceramic shell molds, Foundry Trade Journal, 2.11.1961, s. 552.
60. Anonym. A lost wax every 60 seconds? Foundry Trade Journal, January
1970, s. 112.
61. Buysman P., Meerkamp van Embden H. J. Investments, Foundry Trade
Jourrial, January 3, 1963, s. 15—22.
62. Doskar^J. akolektiv. О povaze kapalnych koloidu, adsorpci, el./dvojvrstve,
stabilite lyofobm'ch solu, stavove zmeny solu atd. Presne liti do keramickych
forem, SNTL 1961, s. 96—106.
63. Nishigori T. Effect fo mould during flash micro crass in ceramic shell
moulds during flash dewaxing. Prednaska na 14. konferenci pfesn^ch slevacu
ve dnech 4.10—7.10. 1971.
64. Beer W. O., Mitton J. R. Drying of investment shell moulds, Foundry
Trade Journal, 7.2.1973, s. 365—373.
65. Anonym. Meeh, and Product, Engine, 1969, Vol, 115, 2968, s. 534.
66. Halsey Y. Drying of ceramic shell moulds, Foundry Trade Journal, 30.5.
1968, s. 901—920.
4 И. Дошкарж и др. 97
67. Patent USA 3602288 z 31.8.1971.
68. Britsky patent 1023829, 1965 a 1004278, 1966.
69. Ceramic shell moulding, Mass., Prod., Vol. 46, 1970, 7. s. 50—52.
70. Britsky patent 823970.
71. Premium quality investment casting, Precision Metal, VI, 1970, s.
50—53.
72. Zprava ze sluzebni cesty pracovniku Kdynskych strojiren, 1971, s. 3 a 4.
73. Marhold V. Preh led prumyslove toxikologie. Praha, Statni zdravotnicke
nakladatelstvi 1964.
74. Francouzsky' patent 1391543, 1964.
75. Pemogoroj O. W., Wastin J. P. Vestnik vyssich ucebnich zavedenij,
Cernaja metalurgia, 1, 1960, s. 47—51.
76. Britsky patent 725318.
77. Anonym. New process shortens investing time, Foundry, Aprill 1972,
s. 29.
78. Anonym. Investing mold by elektrophoresis, Foundry, Vol. 99, 8, VIII,
1971, s. 27.
79. Britsky patent 839910.
Poulsen S. C. Advanced technioues for investment casting, Machinery, 27.11.
1963, s. 1200—1208, 1.1.1964, s. 4—111, 22.1.1964, s. 193—196.
80. Donaldson E. C. Current practice in investment casting, Metal Industry,
14. 3. 1963, s. 360—362.
81. Britsky patent 933304, 1962.
Patent NSR 119795, tf. 31c/B 22, 1962.
82. Beer W. O. Modern investment castings, Foundry Trade Journal, 4.7.
1963, s. 15—25.
83. ' Anonym. Autoclave speeds dewaxing of investment casting molds. Pre-
cision Metal Molding, 1964, 7, s. 57.
84. Cs. patent c.
85. Zprava ZPS Gottwaldov о studijni ceste v SSSR ve dnech 4.5. — 23.
5.1960.
86. Lawrence W. C. Precision casting molds materials. Modern Casting,
VIII, 1960, s. 109—118.
87. Nishigori T. H. Effect of mold materials on micro cast in ceramic shell
moulds during flash dewaxing. Prednaska na 14. konferenci Evropskeho sdruZeni
presneho liti ve dnech 4.10. —7.10.1961.
88. Britsky patent 1234575.
89. Britsky patent 1093895.
90. Anonym. Prazisionsgiessverfahren zur Herstellung von Titanformguss,
Industrie—Anzeiger, Essen, 93, 1971, 30, s. 645—648.
91. Celjadinov L. M., Anikijev A. M., Rott J. N. Grafitovije formy dlja litija
titana po vyplavljajemym modeljam, Litejnloje proizvodstvo, 1969, 3, s . 1—4.
92. Britsky patent 834864.
93. DAS 1 257 364 (1965), americka priorita 1964.
94. Hoffstadt P. J. Herstellung und Anwendungsmoglichkeiten von Feinguss
ftir Werkzeugmaschinen, Techn. Zentralblatt, prakt. Metallbearbeitung, 56, 1962,
10, s. 600—603.
95. Watts С. H. New concept for the investment casting process, Foundry
Trade Journal, V, 1966, s. 667—670.
96. Anonym. Self forming core increases casting design freedom, Foundry,
V, 1963, s. 164—171.
97. Prednaska A. Dunlopa na 13. Mezinarodnf konferenci Evropske asociace
v^robcu pfesn^ch odlitku ve dnech 4.10.—8.10.1970 v Curychu, Sv^carsko.
Глава 5
ИЗГОТОВЛЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ
Получать заготовки литьем по выплавляемым моделям с уз-
кими длинными отверстиями и глубокими пазами трудно. Соот-
ношения между диаметром и длиной отверстия, а также глубина
пазов и других полостей должны быть такими, чтобы обеспечить
получение качественной керамической формы. При нанесении
слоя оболочки глубокие и узкие части моделей с трудом запол-
няются суспензией, и полученный слой практически невозможно
обсыпать огнеупорным материалом. Суспензия, скопившаяся в от-
верстиях и пазах, отверждается очень долго из-за трудности уда-
ления продуктов испарения.
Отверстия и пазы в отливках, получаемых в таких формах,
обычно усеяны металлическими наростами, или, если оболочка
недостаточно просушена, отливка получается бракованной из-за
полного разрушения оболочковой формы.
Этих недостатков можно избежать, применяя вставляемые ке-
рамические стержни.
По данным технической литературы,, указанные недостатки
можно устранить путем нанесения слоев суспензии под вакуумом;
в этом случае, как указано в работе [1], необходимость в при-
менении вставляемых керамических стержней снизится наполо-
вину. Процесс Intrishell обеспечивает надежное нанесение сус-
пензии на выплавляемые модели с пазами и отверстиями шириной
или диаметром до 0,8 мм при значительной длине.
Нанесение слоев суспензии под вакуумом позволяет заполнить
любые узкие отверстия и пазы, но при этом не устраняются труд-
ности, связанные с последующей сушкой слоев оболочки.
Длинный керамический стержень должен быть не только тща-
тельно просушен, но и обладать прочностью, т. е. должен обес-
печивать динамический и статический напор заливаемого металла
и длительное термическое воздействие без разрушения. Чем
больше прочность на изгиб у материала стержня, тем длиннее
может быть сам стержень.
Суспензия, используемая в процессе Intrishell, содержит в ка-
честве жидкого связующего гидрозоль кремнезема. Если таким
связующим является Ludox SM40 с очень мелкой коллоидной
дисперсией кремнезема, то прочность совершенно сухих стерж-
4* 99
Таблица 20. Характеристика способов изготовления стержней
Способы Минималь- ный диаметр отверстий, мм Максималь- ная глубина отверстия, мм Минималь- ная ширина паза, мм Шерохо- ватость поверхности, мкм
Традиционный способ нанесения суспензии на блок моделей [3] ... 1,25—1,5 4 2,5 2,2—3,0
Нанесение слоев суспен- зии в вакууме .... 0,8 Любая 0,8 2,0—3,0
Применение вставляе- мых керамических стерж- ней 0,5 » 0,5 1,0—1,2
ней, полученных послойным нанесением суспензии, всегда ниже
(3,2—3,8 МПа) по сравнению с прочностью вставляемых керами-
ческих стержней (20 МПа).
Преимущества вставляемых керамических стержней. По сравне-
нию со стержнями, получаемыми нанесением слоев, вставляемые
керамические стержни имеют более точные размеры, обеспечивают
более качественную поверхность в полостях, отверстиях и пазах
отливок; стержни поддаются обработке, шлифованию, устойчивы
против эрозии жидким металлом, газопроницаемы, хорошо про-
тивостоят тепловым ударам и имеют высокую прочность на изгиб.
Вставляемые керамические стержни позволяют получать та-
кие полости, отверстия и пазы в отливках, которые механической
обработкой невозможно получить вообще [2]. Так, например,
можно получить отливки с ломаными сквозными каналами или
проходным отверстием с внутренним расширением или проход-
ными отверстиями с внутренними витками и т. п.
Эта новая технология расширяет возможности литья по сравне-
нию с обычной технологией литья по выплавляемым моделям и
с процессом Intrishell (табл. 20).
Приведенные в таблице величины относятся к сплавам железа.
И хотя во многих случаях можно получать стержни при нанесе-
нии слоев на выплавляемые модели, тем не менее в этих случаях
выгоднее использовать вставляемые керамические стержни. При
этом сокращается производственный процесс, так как не увели-
чивается время сушки.
При использовании вставляемых керамических стержней про-
изводство точных отливок более надежно. Строгий контроль го-
товых стержней позволяет исключать из дальнейшего производ-
ственного цикла бракованные стержни. Точное положение и ка-
чество стержней, вложенных в модели, у сложных отливок кон-
тролируется рентгеном. Выплавляемые модели с неправильно уло-
женными стержнями или перекошенными во время запрессовки
100
Рис, 36. Вставляемые карамические стержни
отбраковываются [4]. Тем самым снижается количество бракован-
ных отливок по причине пороков полостей, пазов и отверстий.
Преимущества керамических стержней и их значение при
производстве очень сложных и уникальных точных отливок
отмечаются в многочисленных технических публикациях 15,
6, 7].
Вставляемые керамические стержни широко используют при
производстве точных отливок для авиационных двигателей. Так,
например, английской фирмой Doulton был изготовлен при по-
мощи вставляемых стержней ряд сложных отливок для сверхзву-
кового самолета Конкорд. За эти достижения фирма была награ-
ждена английской королевой знаком почетного внимания «Queens
Award to Industry» (Королевская премия индустрии) [8].
На рис. 36, а, б представлены некоторые формы вставляемых
стержней, которые изготовляет английская фирма Sherwood Re-
fractories (Cleveland Ohio, США). На рис. 36, а изображены от-
ливка и стержень турбинной лопатки реактивного самолета. Во
время эксплуатации лопатка должна охлаждаться, и поэтому в ее
теле выполнены 23 канавки; стенки полой лопатки опираются на
три тонкие прямоугольные подставки; канавки на стержне имеют
ширину 0,5 мм.
Деталь, представленная на рис. 36, б, изготовлена при помощи
вставляемого стержня, который оформляет 24 тонких лопатки
толщиной 0,96 мм и шириной 0,38 мм. Лопатки расположены от-
носительно сложной конструкции профилированного полого вала
под углом 41° 15'. Допускаемое отклонение лопаток от номиналь-
ного положения ±0,25 мм на сторону.
На рис. 37, а—в показаны примеры керамических стержней
для получения сложных полостей в отливках ответственного на-
значения. Наибольшим потребителем и изготовителем керамиче-
ских стержней является авиационная промышленность, произ-
101
Рис. 37. Примеры отливок, изготовленных с керамическими стержнями
водящая турбины внутреннего сгорания. Там, где точные отливки
производятся большими сериями, некоторые фирмы специализи-
руются на производстве готовых керамических стержней (для нужд
литейных цехов). Стержни для заказчиков поставляются из ма-
териалов со следующими свойствами [9]: содержание А12О3 менее
1%, пористость 30,5%, плотность 3 кг/дм3, коэффициент тепло-
проводности (от 0 до 1100° С) 2-Ю"6 К"1; прочность при изгибе
17,5 МПа (17,5 Н/мм2).
Стержни не вступают во взаимодействие при обжиге с мате-
риалом оболочек, а при заливке — с высоколегированными спла-
вами даже при литье в вакууме. Они термостойки, не деформи-
руются и не повреждаются от тепловых ударов при 1650° С. Ми-
нимальная шероховатость поверхности отливок при использова-
нии керамических стержней до 100 RMS позволяет выдерживать
заданные размеры в пределах ±0,125 мм. Повторной прокалива-
ние не изменяет качество стержней, и их объем практически по-
стоянен при всех температурах заливки. При нагреве он увели-
чивается следующим образом:.
°C.................. 871 927 982 1031 1093
%.................+0,12+0,18+0,21+0,23+0,23
Эти стержни быстро удаляют из отливок химическим спосо-
бом (выщелачиванием), а простые — дробеструйной обработкой.
Английская фирма Marder Foundry Supplies PTY Ltd. Port
Melbourne изготовляет готовые стержни с торговым названием
Sintox ПО] со следующими свойствами: нормальный производ-
ственный допуск ±0,6 или 0,25% для всех размеров, допуск, до-
стигаемый обработкой стержней, ±0,120 мм, прочность при из-
гибе 20 МПа (Н/мм2).
102
Материал стержней инертен ко всем видам заливаемых спла-
вов и термоустойчив.
Керамические стержни SPK [11] изготовляют в ФРГ из смеси
глинозема и кремнезема; они имеют следующие свойства: пори-
стость 25%, прочность в горячем состоянии 20 МПа (Н/мм2), ста-
бильность размеров при 1600° С: достигаемая точность для номи-
нального размера (до 20 мм) ±0,1 мм, для размеров >20 мм ±
± 0,5 мм.
Стержни выщелачиваются из отливок в 30%-ном растворе ед-
кого натра при температуре 80° С.
Другие изготовители или литейные цехи сообщают о следующих
допусках на керамические стержни: Doulton Industrial Porce-
lains (Англия) ±0,25% [12], Precision Ceramics, Inc. (США)
±0,5 [13], Austenal (США) для необработанных стержней
±1,0.
По данным проспектов различных изготовителей готовых стерж-
ней, вставляемые керамические стержни должны обладать прежде
всего следующими свойствами [14]:
1) материал стержней должен быть инертным по отношению
к форме и заливаемому металлу и не должен выделять газы при за-
полнении металлом форм; <
2) стержни должны противостоять тепловым ударам при за-
полнении формы металлом и иметь определенную размерную ста-
бильность;
3) стержни должны иметь соответствующую форму и чистоту
поверхности, чтобы полость отливки выполнялась с заданной точ-
ностью и с качественной поверхностью;
4) стержни должны легко и просто удаляться из отливок.
Эти свойства обеспечиваются как материалом, так и техноло-
гией изготовления стержней.
5.1. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ
Керамические стержни Sherwood, состоящие преимущественно
из кремнезема, содержат очень мало глинозема. Стержни, приме-
няемые в СССР, имеют подобный состав и содержат 85% кремне-
зема и 15% глинозема [15].
В патентной и технической литературе приводятся другие со-
ставы, часто значительно отличающиеся друг от друга. Так, на-
пример, английская фирма Doulton and Со. Ltd. (Лондон) запатен-
товала следующий состав для стержней: 70—30% окислов Ва, Са,
Mg, Sr или Al; 30—70% окисла Ti [16]. Материалом для стерж-
ней Sintox является частично спеченный глинозем [11]. Другой
английский патент [17 ] защищает состав смеси для керамических
стержней, %: 2,5 бентонита, 10,0 шамота, 12,5 гипса, 25 кремне-
зема, 6,25 молохита, 0,125 соды, 0,125 силиката натрия.
10з
Английский патент [18] защищает смеси из кварцевого стекла
с жидким стекдом. По данным работы [19], циркон также можно
применять для изготовления керамических стержней.
5.2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ
Керамические стержни изготовляют различными способами
[20], например сухим или полусухим прессованием, прессованием
под высоким давлением, прессованием под максимально высоким
давлением и при большой скорости (прессование взрывом) [21 ],
изостатическим прессованием [22, 23], изостатическим горячим
прессованием, литьем [24], центробежным литьем [25], вибра-
ционным уплотнением [26], шприцеванием под давлением (за-
прессовкой) [25] и в некоторых случаях (при изготовлении тру-
бочек из кварцевого стекла) вытяжкой [27].
Согласно литературным данным [28] керамические стержни
изготовляют почти всеми способами, которые используются для
изготовления керамики в других отраслях промышленности (вы-
давливанием, трамбовкой, литьем и т. п.).
Выбор технологии изготовления стержней определяется глав-
ным образом формой стержней и их требуемым количеством.
Изготовление стержней надувкой, или выстреливанием. В ра-
боте [18] приведена смесь для изготовления стержней, состоящая
из кварцевого песка и жидкого силиката натрия. Сначала стержни
отверждают углекислым газом, затем отвержденные стержни про-
питывают гидролизованным раствором этилсиликата 40 в спирто-
вой среде и окончательно высушивают. Согласно данным другого
источника [19] стержни изготовляют подобным способом, но
вместо кварцевого песка используют цирконовый.
Надувкой, или выстреливанием, можно изготовлять мелкие
стержни простой формы с низкой размерной точностью.
Изготовление стержней запрессовкой [29, 30]. Состав для
стержней состоит из молотого огнеупорного материала и пласти-
ческих связующих. Смесь размешивается в смесителе с подогре-
вом при помощи паровой рубашки. После охлаждения отвердев-
шую массу измельчают, вакуумируют и выдавливают шприц-ма-
шиной. После охлаждения массу разламывают на гранулы, при-
годные для заполнения запрессовывающих станков. Запрессован-
ные гранулы некоторое время охлаждаются в пресс-форме, после
чего стержень отправляют на тепловую обработку для удаления
из них пластификаторов. Стержень медленно с тщательным со-
блюдением режима нагревают до температуры около 320° С в те-
чение трех суток в зависимости от величины и формы изделия.
Огнеупорная смесь при этом способе изготовления имеет частицы
величиной максимум 0,1 мкм. Органическое связующее, точнее,
пластификатор, имеет точку плавления до 200° С при давлении
пара 133 Па (1 торр). Пластификаторами могут быть нафталин,
камфара или парадихлорбензен, которые применяют в количестве
104
18—32% [38]. После удаления этого связующего стержни при не-
обходимости обрабатывают, зачищают и обжигают при соответ-
ствующей температуре в зависимости от состава смеси (обычно
при 1200° С). После обжига стержни шлифуют и полируют.
Запрессовкой можно получать и тонкостенные стержни со стен-
ками толщиной 0,2—9,5 мм независимо от сложности формы. Про-
изводительность от 20 до 200 запрессовок.
Так как стержни после запрессовки не всегда прочные, то их
прокаливают в профилированных сушителях или укладывают на
песчаную постель, например из корунда. Последним способом из-
готовляют стержни в научно-исследовательском институте кера-
мических смесей (Градец Краловы) с точностью =±=1%. Стержни
с узкими размерными допусками получают обработкой предвари-
тельно или окончательно обожженных стержней. Шлифованием
добиваются размерной точности в пределах до 0,02 мм с чистотой
поверхности 1—1,2 мкм.
Изготовление стержней прессованием. Сухие или полусухие
смеси прессуют чаще всего на обычных прессах или прессах с изо-
статическим прессованием при давлении 20—150 МПа. Формы
изготовляют из спеченных карбидов вольфрама. Стержневую прес-
суемую смесь, которая состоит из огнеупорной составляющей
связующего и смазки, засыпают в пресс-форму в виде гранул.
В качестве связующего и смазки используют воски, поливинило-
вый спирт, стеарины, полиэтиленпарафин, декстрины и т. п.
Сухое прессование считается (по данным технической темпера-
туры) наиболее эффективным и производительным способом формо-
образования огнеупорных материалов [33]. Полусухое прессова-
ние отличается от сухого тем, что прессуемая смесь содержит 5—
25% жидкости; давление запрессовки в пределах 3,5—17,5 МПа.
Такое относительно низкое давление позволяет использовать пресс-
формы из закаленной стали. Процесс прессования полусухих
масс легко механизируется.
При изостатическом прессовании давление равномерно рас-
пределено на все части прессуемых стержневых смесей. Поэтому
пресс-формы можно изготовлять из эластичных материалов, на-
пример резины. Этот способ изготовления стержней еще только
развивается и его трудно механизировать.
Для получения окончательной формы стержни обычно обра-
батывают. Температуру обжига стержней принимают в зависимости
от состава стержневой смеси, требований к стержням в пределах
850—1780° С [34]. Чтобы при обжиге не происходило больших
объемных изменений и чтобы стержни легко удалялись из отли-
вок выщелачиванием, их обжигают при температуре 1200—1250° С
[35]. Последующую отработку, например полирование, обычно
производят после предварительного спекания. Сухое прессова-
ние позволяет получать без дополнительной обработки цилиндри-
ческие стерженьки диаметром 1,3—4,0 мм с размерной точностью
±0,025 мм [36]. К сожалению, этот способ пригоден только для
105
стержней простой формы. Более сложные стержни можно изго-
товлять обработкой предварительно обожженных стержневых заго-
товок. При прессовании полусухих смесей точность стержней ниже.
Изготовление стержней литьем. Суспензии огнеупорных мате-
риалов в воде смешивают с веществами, увеличивающими жидко-
подвижность суспензии и позволяющими заливать их в гипсовые
формы. Эти вещества — жидкое стекло, ортофосфаты, хлорид
алюминия и т. п. Требуемая величина pH выдерживается при
помощи соляной кислоты или кислого углекислого аммония. Этот
способ изготовления стержней запатентован как способ RAM.
Смесь (консистенции глины для гончарного круга) вводится в стер-
жневые гипсовые ящики и периодически подпрессовывается. Стерж-
невые гипсовые ящики вставляют в стальные обечайки и выпол-
няют в них отверстия вставленными хлопчатобумажными проб-
ками. При прессовании выдавливаемая из стержневой массы.вода
через эти пробки удаляется наружу и обезвоженная стержневая
смесь затвердевает в гипсовом стержневом ящике.
Таким способом экономически целесообразно изготовлять лишь
простые стержни. Для сложных стержней требуются дорогие стер-
жневые ящики с выталкивателями, чтобы можно было извлекать
стержни без повреждений. Смесь после заполнения ею стержне?
вого ящика можно вакуумировать с целью предупреждения обра-
зования в ней воздушных пузырей.
Стержни можно изготовлять также литьем в металлических
или в пластмассовых стержневых ящиках. Если связующим
в стержневой смеси является алкозоль гидролитических продук-
тов этилсиликата 40, то концентрация в связующем должна быть
более 20%. В качестве гелеобразователя — катализатора при-
годен алюминат кальция в количестве до 10% от массы огнеупор-
ного материала. Необработанные стержни имеют точность
±=0,75% и большую газопроницаемость (пористость около 25%).
Если же связующим является гидрозоль кремнезема, то наиболее
технологичным гелеобразующим катализатором является неболь-
шая присадка амина, например., диэтилентриамина (0,05% от ко-
личества используемого огнеупорного материала). Отверждения
смеси можно достичь ее замораживанием при низких (до 6° С) тем-
пературах. Способ пригоден для изготовления простых стержней
малыми сериями. Его используют литейные цехи точных отливок.
Изготовление стержней виброуплотнением. Этот способ изго-
товления стержней подобен прессованию. Наибольшее уплотнение
стержневой смеси достигается при частоте 2,5—4,0 кГц. Согласно
патенту [38] керамические стержни получают заливкой стержневой
суспензии из огнеупорных материалов с гидролизованным этилси-
ликатом в выплавляемые модели, служащие своеобразными стерж-
невыми ящиками. Затем модели с залитой керамической массой
подвергают вибрации. После затвердевания получается стержень.
Изготовление стержней выдавливанием. Этим способом изго-
готовляют в основном стержни цилиндрической формы. По лите-
106
• ратурным данным, этот способ использует фирма Austenal (США).
К выдавливаемым, точнее, вытягиваемым стержням относят
также трубочки из кварцевого стекла. Их используют в качестве
стержней при получении отверстий диаметром 0,5—2,5 мм. Эти
трубочки могут быть изогнутыми и соединенными (пайкой или
сваркой) в сложнейшие стержни для получения искривленных и
лабиринтных каналов в отливках. Их удаляют из отливок до-
статочно легко выщелачиванием в расплавленном едком натре.
Такие стержни применяют преимущественно в авиационной про-
мышленности [39].
Трубочки из аморфного кварцевого стекла изготовляет го-
сударственное предприятие Kavalier Sazava (ЧССР).
Преимущества применения вставляемых керамических стерж-
ней обеспечиваются не только их свойствами, высокой размерной
точностью и хорошей чистотой поверхности, но и опытом их при-
менения при формовке.
5.3. ПРИМЕНЕНИЕ ВСТАВЛЯЕМЫХ
КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ
Стержни со знаками вставляют в соответственно подготовлен-
ную пресс-форму для получения выплавляемой модели и запрес-
совывают модельным составом. На этой операции стержень может
деформироваться или сломаться, поэтому состояние и располо-
жение в модели запрессованных стержней, как было ранее ука-
зано, контролируется рентгеном. Чтобы не было смещения и де-
формаций стержней при запрессовке модельным составом, необ-
ходимо правильно выполнять знаковые части стержней и пресс-
форм, учитывать направление движения модельного состава в
в пресс-форме во время его запрессовки. Длинные стержни и
стержни, установленные перпендикулярно потоку модельного со-
става, особенно легко изгибаются или ломаются от удара. У стерж-
ней, закрепляемых с двух сторон, такая опасность меньше. Встав-
ляемые керамические стержни удаляют из отливок либо механи-
ческим путем, либо химическим выщелачиванием в расплаве
едкого натра или в разбавленной плавиковой кислоте [40].
Керамические стержни пригодны для изготовления особо слож-
ных отливок, у которых выполнить внутренние полости каким-
либо другим способом невозможно. Широкое применение кера-
мических стержней ограничивается производственными труд-
ностями, связанными с высокими требованиями, которые предъ-
являются к качеству таких стержней.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Anonym. Self Forming Core Increases Casting Design Freedom. Foundry,
May 1963, s 166.
2. Anonym. The Design Advantages of Preformed Ceramic Cores. Precision
Metal Molding, May 1964, s. 69—71; tei Prospekt firmy Sherwood Refractories,
Cleveland, Ohio 4112, USA.
107
3. Propagacni bro^urky firem. Arwood, Hitchiner, Napier Cast.
4. Anonym. Feinguss mit vorgefertigten keramischen Kernen. Wissen und Pra-
xis. Sonderteil und Betrieb, Juni 1968, s. 168—170.
5. Anonym. Ceramic Cores Increases Yield of Investment Castings 200%.
Precision Metal Molding, Vol. 23, 1965, 6, s. 51.
6. Anonym. The Design Advantages of Preformed Ceramic Cores. Precision
Metal Molding, Vol. 22, 5, 1964.
7. Webb J. Preformed Ceramic Cores Permit Greater Design Complecity Iron
Age Magazine, 1965, s. 83—85.
8. Anonym. Royal Doultons «Ceramic Holes» Wins Queen’s Industrial Award.
Foundry Trade Journal, 25, 1968, s. 7—8.
9. Webb J. Machine Design, 41, 1969, 5, s. 130—133.
10. Anonym. Ceramic Core Material for Investment Castings. Casting, February
1966, s. 33.
12. Briscoe E. M., Rose Ko Ronca E. Foundry Trade Journal, Vol. 122, 1967,
2630, s. 511—521.
13. Reklama firmy Precision Ceramics Inc. USA v Technical Literature File
PPM, 1967, s. 16.
14. Nickel E. C. Jahresiibersicht Feinguss. Giesserei, 51 Jahrg., 1964, Vol.
23, s. 731.
15. Karcev A. P. Litejnoje Proizvodstvo, 3, 1963, s. 1—2.
16. Britsky patent 1013937.
17. Britsky patent 678035.
18. Brytsky patent 803476
19. Wawer N. Foundry Trade Journal, 108, 1962, s. 431—436.
20. Taylor H. D. Forming Alumina Ceramics. Ceramic Age, July 1963, s. 68.
21. Carlson R. J., Porembua S. W., Simons С. C. Explosive Compactocal
of Ceramic Materials. N. M. Ceram Society Bull., Vol. 45, 1966, 3, s. 266—270.
22. Papen E. J. Berichte der deutsch. keramischen Gesellshaft, 44, 1967, 3,
s. 82—89.
23. Lohrengel H. Berichte der deutsch. keramischen Gesellschaft, 44, 1967,
s. 80—93.
24. Patent USA 2584110.
25. Taylor H. D. Injection Molding Intricate Ceramic. Amer. Ceram. Soc.,
45, 1956, 9, s. 768—770. Patent USA 2694245.
26. £ivanovic B., Rittic H. H. Keram. Ztg. Jhrg., 28, 1966, s. 822—824.
27. Patent USA 3041599.
28. Feagin R. C., Bebbington D. J. Mold and Crucible Refractories for the
Investment Castings Industry. Foundry Trade Journal, July 2, 1964, str. 20.
29, Anonym. Injection Molding High Alumina Component^T Ceramic Age,
Vol. 78, 1962, sesit 2, s. 30—32.
30. Taylor H. D. Forming Alumina. Ceramics Age, July 1962, s. 76. Patent
USA 2694245.
31. Patent USA 3234308.
32. Karcev A. P. Litejnoje proizvodstvo, 1963, c. 7/8, s. 1—2.
33. Taylor H. D. Forming Alumina Ceramics. Ceramic. Age, July 1963, s. 73.
Patent USA 2261689.
34. Patent USA 2630327.
35. Britsky patent 686246.
36. Benecki W. T., Control of the Dry—Pressing Process. The American
Ceramic Society Bulletin, Vol. 45, 1966, 5, s. 535.
37. Patent USA 2584110.
38. Priysky patent 926120.
39. Anonym Supersonic Flight—a Challenge to Founders. Foundry Trade Jour-
nal, 30. 1. 1969, s. 186—200.
40. Bidwell. Investment Casting. The Machinery Publishing Co. Ltd., Lon-
don, 1969, str. 55.
Глава 6
ЛИТЬЕ В КЕРАМИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
ПО ПОСТОЯННОЙ МОДЕЛИ
Особенностью этого способа является применение разъемной
керамической формы, изготовляемой по постоянной модели. На
постоянную модель, которая во время изготовления не уничто-
жается и может быть использована для изготовления любого
количества форм, наливают жидкоподвижную формовочную
смесь — суспензию, состоящую из огнеупорного материала и
жидкого связующего. К суспензии добавляют определенное коли-
чество гелеобразующего агента, который вызывает отверждение
связующего суспензии. Затвердевшую форму снимают с модели.
Таким образом изготовляют две полуформы и необходимые
стержни. Отдельные части формы собирают в целую форму, кото-
рую подготовляют к заливке.
К такому способу относятся известный Шоу-процесс [1]
и Уникаст-процесс [2]. Шоу-процесс был запатентован раньше
Уникаст-процесса. По данным технической литературы, Шоу-
процесс был создан в 1938 г. [1]. Поэтому в техническом мире
более известен Шоу-процесс, а не Уникаст-процесс.
Способ, сочетающий литье по выплавляемым моделям и Шоу-
процесс, называется Керамкаст-процессом (Ceramcast) [3].
По этому способу оболочковые формы изготовляют с помощью
тонкостенных разъемных моделей [2] из искусственного каучука,
а литниковую систему из выплавляемых или выжигаемых составов.
Керамическую оболочку получают так же, как при изготовлении
их по способу литья по выплавляемым моделям. Из керамических
половин, разделенных как при Кронинг-процессе, эластичные
модели вытягивают, а литниковую систему в зависимости от ис-
пользуемого материала или выплавляют или выжигают.
При необходимости стержни можно изготовить следующим
образом: в стержневой ящик заливают суспензию, а затем ее вы-
ливают. На рабочей поверхности стержневого ящика остается
слой суспензии, который обсыпают огнеупорным материалом.
Неприлипший огнеупорный материал высыпают из стержневого
ящика при его опрокидывании. Такое чередование операций по-
вторяют несколько раз до получения стержня требуемой толщины.
Дальнейшая обработка (отделка) форм осуществляется так же,
как при способе литья по выплавляемым моделям.
109
Качество поверхности и размерная точность отливок, изго-
товленных по способу Керамкаст, занимают промежуточное поло-
жение между отливками, полученными оболочковым способом
(Кронинг-процесс), и литьем по выплавляемым моделям. Мате-
риал для изготовления постоянных моделей по Шоу-процессу и
Керамкаст-процессу одинаковый. Металлические и разъемные
модели изготовляют обычно механической обработкой из алюми-
ниевых сплавов, стали, медных сплавов или из древесины. Модели
из гипса, эпоксидной смолы или из силиконового каучука полу-
чают методом литья. .
В качестве наиболее приемлемых материалов для моделей
следует считать сплавы алюминия, эпоксидные смолы или другие
обрабатываемые пластмассы. Часто при изготовлении моделей
способы литья комбинируют с механической обработкой. Так,
например, если отливают по постоянной модели штампы или
вставку в штамп, которые обычно в промышленно развитых стра-
нах являются одними из основных типов отливок, получаемых
Шоу-процессом [47], то в качестве модели используют штампо-
ванную деталь. Штампованную деталь заливают гипсом или
пластмассой и по полученной форме после ее исправления и до-
водки отливают модель для керамической формы. Аналогично
поступают и с мастер-моделью штампа [5], которую изготовляют
механической обработкой; из гипса отливают мастер-модель,
а по ней собственно модель из эпоксидной смолы.
6.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ
Как уже было указано, для изготовления форм по постоянным
моделям применяют жидкоподвижную формовочную смесь. Для
ее изготовления можно использовать те же огнеупорные мате-
риалы, что и для изготовления форм по выплавляемым моделям.
К этим материалам предъявляются те же требования по огнеупор-
ности, тепловому расширению и химической нейтральности по
отношению к заливаемому металлу. В последнее время приме-
няют также синтетические (плавленые и дробленые) огнеупорные
материалы, например циркон, муллит, оксиь циркония AZ-5
(48% А12О3, 15% SiO2, 0,1% Fe2O3, 0,2% TiO2, 35% ZrO2, 1,4%
R2O, 0,3% остальные элементы) и хромовую руду [6]. Чаще
используют циркон [7] или его смеси с молохитом (цирконовый
и молохитовый пески).
В качестве жидкого связующего (по способу Шоу) применяют
с самого начала гидролизованный алкоксиполисилоксан. Реже
используют другие связующие, например водный раствор сили-
ката натрия с катализатором — частично дегидратизированным
сульфатом кальция [8] или соединения титана —тетр абетах лор -
этоксид титана с катализатором —дихтаноламином [9]. Наилуч-
шим и широко применяемым связующим остается гидролизован-
ный этоксиполисилоксан [7]. Для Уникаст-процесса помимо этил-
110
силикатов применяют также гидрозоль кремнезема и фосфатные
связующие (10]. Катализатором этилсиликатных связующих и
гидрозолей кремнезема служат вещества с pH > 7 (амины, осно-
вные карбонаты магния, кислый карбонат натрия и т. п.).
Суспензии приготовляют смешиванием огнеупорного мате-
риала и жидкого связующего. Гелеобразующие катализаторы
вводят в смесь непосредственно перед заливкой суспензии в мо-
дельную оснастку.
Изготовление форм по Шоу-процессу [11] механизировано
[12]. Формы изготовляют запрессовыванием (впрыскиванием)
суспензии в модельную оснастку. Чтобы обеспечить высокое ка-
чество форм и избежать дефектов при их изготовлении, применяют
два типа суспензий. Однако суспензия состоит из гидролизован-
ного раствора этилсиликата и огнеупорного твердого наполнителя
с соответствующей зернистостью; другая содержит полярный
органический растворитель, тот же огнеупорный материал и геле-
образующий агент [13]. Обе суспензии смешивают непосредст-
венно перед загрузкой в специальную машину типа шприц-
машины. Так, например, согласно французскому патенту [14]
одна суспензия содержит циркон и гидролизованный этилсиликат
40, другая — циркон, спирт (изопропанол) и водный раствор
аммониевого карбоната в качестве катализатора. Обе суспензии
смешивают в шаровой мельнице.
При механизированном изготовлении форм по Шоу-процессу
поступают следующим образом [15]: обе суспензии приготовляют
в двух самостоятельных смесителях. По мере необходимости обе
суспензии смешивают и передают или к ручному формовочному
станку, или на автомат для изготовления форм и смесь суспензий
впрыскивают в формы. Если форма имеет исключительно сложную
форму, то перед отверждением суспензию в форме вакуумируют,
чтобы удалить из нее газовые включения. После отверждения
суспензии форма снимается с модели на специальном пневмо-
гидравлическом устройстве. Из формы выделяют пары спирта,
которые поджигают. Наружная поверхность формы быстро нагре-
вается и окончательно отверждается.
Интенсивная сушка от теплоты сгорающих паров спирта при-
водит к растрескиванию всей формы. Сетка трещин очень тонкая.
При этом не происходит деформации и усадки форм. Внутри форма
может иметь большие трещины, которые не только не являются
пороками, а, наоборот, повышают газопроницаемость формы.
Способ быстрого удаления спирта из поверхностных слоев
формы защищен рядом патентов. Например, в английском па-
тенте [16] для быстрого удаления спирта из формы рекомендуется
использовать нагрев инфракрасными лучами. Сетка мелких тре-
щин, которыми покрыты наружные слои формы, способствует
получению крупных отливок с качественной поверхностью и без
трещин. Форма с микротрещинами очень податлива и во время
затвердевания отливки не препятствует усадке металла, и в от-
111
ливке не возникают большие напряжения. Для выжигания спирта
из мелких форм применяют горелки, а большие формы обжи-
гают в печи. После охлаждения формы подготовляют к заливке.
При Шоу-процессе используют четыре типа форм: цельно-
керамические (моноформы), облицованные (двухслойные формы),
оболочковые и оболочковые облицованные формы.
Цельнокерамические формы, изготовление которых уже было
ранее описано, используют только для мелких отливок. Приме-
нение таких форм для крупных отливок сдерживается большим
расходом дорогостоящих формовочных материалов.
Облицованные формы используют для экономии дорогостоя-
щих формовочных материалов. Тонкий облицовочный слой, не-
посредственно соприкасающийся с металлом, изготовляют из
высококачественных огнеупоров со связующими — гидролизо-
ванным раствором этилсиликата. Основную (большую по массе)
часть формы составляет наполнительная смесь шамота и жидкого
стекла, отверждаемого углекислым газом. Изготовление облицо-
ванных форм механизировано. На встряхивающем столе на про-
межуточной модели уплотняется шамотная смесь на жидком
стекле. Полученная форма транспортируется на позицию про-
дувки углекислым газом, где она отверждается за 15 с. Затем
пневмогидравлическим устройством извлекается форма, с модель-
ной оснастки снимается промежуточная модель, и форма вновь
устанавливается на модельную оснастку. Так как промежуточная
модель больше основной модели, то между ней и формой обра-
зуется зазор. В образовавшийся зазор запрессовывается из
шприц-машины суспензия. Для изготовления облицованных кера-
мических форм расход формовочных материалов в 10 раз меньше,
чем при изготовлении цельно керамических форм.
Оболочковые формы изготовляют из суспензии, которую за-
ливают или впрыскивают в зазор между собственно моделью
и промежуточной моделью, размер которого определяет толщину
оболочки. Такие оболочки можно применять для отливок массой
не более 9 кг.
Облицованные оболочковые формы получают запрессовкой
или заливкой формовочной массой в зазор между опорным слоем
и собственной моделью. Такие формы используют для изготовле-
ния большого числа одинаковых отливок. Опорный слой, который
только приблизительно повторяет форму отливки, изготовляют из
чугуна или из другого дешевого материала.
Механизация изготовления форм, удешевление форм за счет
введения регенерации формовочной массы расширили возмож-
ности этого способа. Его используют для получения не только
литых штампов, но и многих других отливок [17а]: формообра-
зующих деталей для прессования пластмасс [18], металлических
форм и пресс-форм для литья под давлением [19], отливок авиа-
ционной, автомобильной и электротехнической промышленности,
деталей режущего инструмента [20].
112
Способ Уникаст отличается от Шоу-процесса операцией от-
верждения формы. При Шоу-процессе гелеобразование связующего
резко прекращают дегидратационным нагревом формы (поджи-
гают пары спирта, выделяющиеся из формы). В Уникаст-процессе
гелеобразование связующего ведут медленно, скорость его регу-
лируется химическим взаимодействием между связующим и рас-
твором гелеобразования. Для этого формы с тонкими стенками
обрызгивают раствором гелеобразователя. Для массивных стенок
требуется более активная химическая проработка, и поэтому такие
формы погружают в раствор гелеобразователя.
Торможение процессов отверждения формы, т. е. мягкое
нарастание прочности предупреждает образование грубых тре-
щин в керамике и обеспечивает хорошую поверхностную проч-
ность (малоосыпаемая форма). Процессы, ведущие к гелеобразо-
ванию, продолжаются и в сформировавшемся геле. Это было доказа-
но вискозиметрическими исследованиями изменения консистенции
и фотометрическими замерами прозрачности [21 ]. Конденсационные
процессы связаны с увеличением объема как в золях, так и в ге-
лях, и их можно исследовать дилатометрически [22]. Форму мож-
но сушить обычным способом, например, при 260° С в сушиле.
Процесс запатентован фирмой Unicast Development Corporation
(Нью-Йорк) (точный состав стабилизирующего раствора не опубли-
кован). В Уникаст-процессе используется гелеобразующий катали-
затор, который обеспечивает затвердевание формы за 2—4 мин.
При изготовлении исключительно точных (с качественной
поверхностью) внутренних полостей, пазов и отверстий приме-
няют песчаные формы, в которые вставляют стержни, изготовлен-
ные Уникаст-процессом.
Этим способом можно получать отливки массой от 28 до 7000 кг.
Верхнего предела по массе отливок практически не существует.
По литературным данным, в 1960 г. в Японии фирма Toyo-KoGyo
изготовила Шоу-процессом матрицу массой 2823 кг [23].
Минимальная толщина стенок малых размеров у отливок из
стали, серого и высокопрочного чугуна 1,6 мм. Шероховатость
поверхности в пределах 2—3 мкм.
Допуск на длину 75 мм в среднем ±0,03 мм/см, на длину от
75 до 150 мм в среднем ±0,05 мм/см. У крупных и массивных
отливок (массой 226—362 кг) достигается точность ±0,1 мм/см.
Эти данные приводит фирма Awnet-Shaw в своем проспекте. Они
соответствуют допускам на размеры, достигаемым способом литья по
выплавляемым моделям на отливках точных геометрических форм.
На отливках с профилированными участками достигаемые от-
клонения, измеренные на равных длинах, но в разных местах
отливок, отличаются друг от друга; это является следствием
общей деформации отливки. Так, например, согласно данным
работы [24] на отливке «пуансон» на длине 811 мм были опре-
делены отклонения в пределах от 0 до 1 мм; в других частях от-
ливок на длине от 800 до 850 мм отклонения колебались от 0,0
113
до ±0,5 мм. На отливках «матрица» [21 ] на длине 1180 мм откло-
нения составили +0,4 до 1,5 мм; на длине 2067 мм отклонение
+ 1,2 мм, а на длине 860 мм отклонение +0,6 мм.
Из опыта завода ZPS, г. Готвальдов (ЧССР) размерные откло-
нения колебались на литых формах для прессования резиновой
обуви в следующих пределах: на длине 350 мм от —0,2 до —1,0 мм;
на другой части отливки были отклонения от +0,2 до +1,7 мм,
а на длине 358 мм, также в другой части отливки, отклонения
составили от —0,2 до —0,5 мм. Отливка была выполнена по по-
стоянной модели в облицованной форме. Модельная масса со-
стояла из цирконового порошка (Zirkosil 200) и молохитового
песка (30/80); в качестве жидкого связующего использовали ги-
дролизованный этилсиликат (NT40), в качестве гелеобразующего
катализатора —циклогексиламин. Наполнительная, смесь со-
стояла из жидкого стекла и искусственного корунда Вк 36; отвер-
дитель — углекислый газ.
В Англии [25 ] при Шоу-процессе достигаются следующие
допуски на размеры:
Размер, мм . . , До 100 100—300 300—600 Более 600
Допуск, мм . . . ±0,075 ±0,250 ±0,500 ±1,000
Данные литературных источников о способе Уникаст различны.
В проспекте фирмы Unicast Development Corporation сообщается,
что точность при этом способе такая же, как при литье по выплав-
ляемым моделям.
Описанный способ изготовления облицованных форм из двух
смесей по постоянной модели достаточно экономичен, обеспечивает
короткий интервал гелеобразования, сокращение общего произ-
водственного цикла и отсутствие осаждения грубых частиц огне-
упорного материала из суспензии. Такой же результат дости-
гается при использовании более медленно действующих гелеоб-
разующих реактивов, таких, как основной карбонат магния,
и при комбинации двух типов огнеупорного материала в формо-
вочной смеси — мелких частиц с наибольшей удельной плотностью
и крупных частиц с наименьшей удельной плотностью.
Литьем в керамические формы по постоянной модели можно
изготовлять отливки практически из всех металлов и сплавов
(корррозионно-стойких сталей, инструментальных и высокоугле-
родистых сталей, серого и белого чугунов, медных, магниевых
и алюминиевых сплавов, урана и металлов с высокой реакционной
способностью).
6.2. ПОЛУЧЕНИЕ ТОЧНЫХ ОТЛИВОК
ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ, МАГНИЕВЫХ И МЕДНЫХ
СПЛАВОВ ПО ПОСТОЯННОЙ МОДЕЛИ
В гипсовых формах изготовляют отливки только определенной
массы. Особо сложные отливки получают в оболочковых керами-
ческих формах. Согласно сообщениям некоторых специализирован-
114
ных фирм (Canadion—Marconi, Sterling Metals Limited, Munetto)
керамические формы более выгодны для отливок, имеющих очень
большую разностенность [26 ].
Преимущества гипсовых форм для литья алюминиевых спла-
• вов приводятся в работах [27—34].
Гипсовые формовочные смеси. Связующим в этих смесях яв-
ляется гипс, качеству которого придается большое значение
[35]. Для гипсовых форм пригоден только такой гипс, который
при затвердевании не дает усадку. Гипсовые формовочные смеси
имеют следующий ориентировочный состав, %: 30—100 гипса,
5—40 асбеста, 19—30 талька, 5—80 кварцевой муки, 0—10 гон-
чарной глины, 33 молотого кирпича, 0—50 кварцевого песка,
70 кристобалита, 0—1,5 извести, 0—5 портландцемента, 0,25—
3,0 бромистого аммония.
Гипсовые формовочные смеси замешивают на воде до сметано-
образного состояния в следующих соотношениях компонентов:
0,35 ч. воды на 1 ч. смеси. Отдельные присадки в гипсовые смеси
влияют на их свойства следующим образом: молотый асбест повы-
шает пористость; если асбест используют в волокнистой форме,
то улучшаются механические свойства формы. Молотый асбест
должен иметь соответствующую зернистость. Кварцевая мука
снижает объемные изменения гипсовой смеси во время затверде-
вания, прокаливания и охлаждения формы. Тальк и кварцевый
песок, как инертные наполнители, компенсируют объемные изме-
нения. Известь и цемент стабилизируют объемные изменения
формы. Бромистый аммоний при обжиге форм разлагается на
газообразные вещества и способствует повышению газопрони-
цаемости форм.
Помимо указанных присадок вводят также много других,
применяемых значительно реже: борную кислоту в количестве
от 1 до 2% и буру 0,35—0,5%, способствующих быстрому отверж-
дению смеси [36]. Жидкое стекло повышает прочность и сопро-
тивление форм против истирания [37]. Альгинат натрия в ко-
личестве 0,1—0,5%, карбонат натрия (0,1—0,5%), формалин
регулируют скорость отверждения [38 ]. Алюминат кальция в коли-
честве 2,5—12% и окись цинка замедляют отверждение и при-
дают формам большую прочность. В качестве присадки для повы-
шения прочности форм используют также добавки окислов алю-
миния, железа и т. п.
Гипсовые формы должны иметь следующие основные свойства:
достаточную прочность и сопротивление истиранию; достаточную
газопроницаемость; возможно наименьшие объемные изменения.
Перечисленные свойства обеспечиваются составом смеси и
способом ее приготовления. Наибольшее влияние на свойства
смеси (помимо ее состава) оказывает вязкость гипсовой массы,
определяемой соотношением сухих компонентов и воды. В резуль-
тате исследований авторов оказалось, что количество воды на
1 кг формовочной смеси не должно превышать 0,8 л, иначе формы
115
будут иметь низкую прочность, высокую газопроницаемость и при
сушке большую усадку; наилучшим является соотношение 0,45 —
0,55 л воды на 1 кг смеси. При меньших количествах воды гипсовая
смесь очень густая и заливать ею сложные модели трудно; в та-
кую смесь замешивается много воздушных пузырьков. Если
соотношение приближается к 0,8 л воды на 1 кг смеси, то отверж-
дение смеси резко замедляется и она даже через 48 ч остается
мягкой. Это относится к гипсовой смеси, состоящей из 50% гипса
«Rocasso», 30% асбестовой крошки и 20% кварцевой муки.
На свойства гипсовых форм еще влияют температура и время
перемешивания формовочной смеси. Для указанной гипсовой
смеси лучше всего применять воду с температурой 50—52° С;
при этой температуре формы имеют максимальную прочность,
сопротивление истиранию, газопроницаемость и постоянство объ-
ема. Время перемешивания гипсовой смеси не должно превышать
3 мин. Более быстрое или более длительное перемешивание при-
водит к усадке гипсовых форм.
Несмотря на то, что гипсовые формы имеют в составе смеси
вещества для повышения газопроницаемости, все же ее величина
недостаточна, и поэтому получаются отливки с дефектами, на-
пример неслитинами.
Газопроницаемость можно повысить тремя способами:
1) присадкой в формовочную смесь таких веществ, которые
после отверждения и нагрева формы газифицируются и удаляются
из нее и за счет этого повышают газопроницаемость. Чаще всего
для этих целей используют хлорид или бромид аммония;
2) нагревом в автоклаве (способ Antioch). При нагреве во
влажной атмосфере при температуре 90° С гипс (дигидрат кальция)
переходит в полугидрат [39], так как при этой температуре ди-
гидрат является неустойчивой формой сульфата кальция. Вода,
выделившаяся при разложении дигидрата кальция^ растворяет
полугидраты до насыщения. Так как растворимость полугйдратов
с увеличением температуры снижается, то в автюклаве поддержи-
вается низкое давление (от 0,07 до 0,2 МПа) После выдержки
(6 ч) формы в автоклаве ее охлаждают во влажной атмосфере.
Поверхность формы охлаждается быстрее, чем внутренняя ее часть,
поэтому в наружных слоях формы выделяются мелкие кристаллы
дигидрата, а во внутренних частях формы — крупные. В такой
форме с мелкозернистым поверхностным слоем и пористой вну-
тренней частью газопроницаемость существенно выше;
3) вспениванием смеси (способ Gypsum Hydroperm). Сущность
способа в том, что в гипсовые смеси добавляют вспениватель.
В смесь вводят вещества, например, карбонат и разбавленную
кислоту [40] или перекись водорода и аммиачную воду. Между
ними при перемешивании смеси идут реакции с выделением боль-
шого объема газа. Можно вводить в гипсовую смесь органические
пенообразователи, которые при перемешивании захватывают воз*
дух и хорошо его стабилизируют во всем объеме. Отвердевшая
116
гипсовая форма насыщена мелкими газовоздушными пузырьками,
что увеличивает газопроницаемость формы; условно назовем этот
способ механическим вспениванием. Для каждого из этих способов
существует своя технология.
В первом случае газопроницаемость повышается только после
нагрева до температуры, при которой из формы практически уда-
лена вся вода (и свободная, и связанная). При нагреве в авто-
клаве и при механическом вспенивании формовочной массы пори-
стость образуется в тот момент, когда в форме имеется вся вода,
как химически связанная, так и свободная.
Формы, у которых газопроницаемость повышают по первому
способу, содержат в исходной гипсовой смеси вещества, которые
образуют пористость тотчас после затвердевания массы. Это
необходимо для того, чтобы облегчить отвод водяных паров при
последующей термообработке. Механически удаляется вода при
температуре 85—96° С. Сушить форму следует осторожно, так
как пористость весьма невелика и при образовании больших
объемов водяного пара может произойти ее повреждение. Мини-
мальное время нагрева до указанной температуры составляет 8 ч.
Затем следует нагрев до 200—220° С, при котором удаляется
большая часть связанной воды. Скорость нагрева 50°С/ч. При
этой температуре формы выдерживают до 12 ч. Затем следует
нагрев до 380° С с той же скоростью, чтобы разложить аммоние-
вые соли. Выдержка при этой температуре 5 ч. Далее формы
охлаждают при 100° С их извлекают из печи и подготовляют
к заливке.
При изготовлении гипсовых форм, подлежащих нагреву в авто-
клаве или вспениванием, в смесь не вводят присадки, повышаю-
щие газопроницаемость, такие, как асбест, стеклянная вата.
Они в данном случае излишни. Более того, при их использовании
увеличивается шероховатость поверхности форм. В период тепло-
вой обработки гипсовой формы она становится достаточно газо-
проницаемой для удаления влаги. Именно в этот период удаляется
свободная и дигйдратная вода. Пол у гидратная вода удаляется во
время заливки металла в форму. Образующиеся пары благодаря
высокой газопроницаемости формы удаляются через стенки без
какого-либо повреждения формы.
Таким образом, тепловая обработка форм при нагреве в авто-
клаве или при вспенивании очень проста, и сами формы не так
чувствительны к скорости нагрева. Тепловую обработку форм про-
водят при низких температурах, находящихся между эндотерми-
ческими пиками, обусловленными потерей дигидратной и полу-
гидратной воды. При нормальных условиях эта температура
находится в пределах 180—225° С [41]. В диапазоне этих темпера-
тур формы (в зависимости от их величины) выдерживают 10—
18 ч. После охлаждения формы подготовляют к заливке.
Сравнительные испытания всех трех описанных способов, про-
веденные предприятием ZPS г. Готвальдов (ЧССР), показали, что
117
Таблица 21. Допуски на размеры, мм
Длина, MM Номиналь- ный допуск Более жесткий допуск
До 12 ±0,20 ±0,08
» 25 ±0,25 ±0,15
» 50 ±0,35 ±0,20
» 100 ±0,50 ±0,30
газопроницаемость форм была в
пределах 48—52 J. N. Р. Одина-
ковыми были также качество
поверхности отливок и плот-
ность металла непосредственно
под литейной коркой.
Вспенивание форм требует
точного выдерживания техно-
логических параметров: давле-
ния, температуры и времени
пребывания в автоклаве.
Для повышения газопроницаемости за счет разложения аммо-
ниевых солей необходима медленная и осторожная тепловая обра-
ботка форм. Объемную стабильность таких форм можно повысить
присадкой 1 % сульфата алюминия A12(SO4)3. Обработку гипсовых
форм в автоклаве применяют в серийном производстве, а меха-
ническое вспенивание—в единичном.
Если необходимо иметь только определенную часть отливки
с особо качественной поверхностью и жесткими допусками на
размер, используют комбинированную форму. В песчаную форму
вставляют или гипсовый стержень, или часть гипсовой формы.
Максимальная масса отливок из алюминиевых сплавов, кото-
рые можно получать в гипсовых формах, составляет 10—160 кг.
Минимальная толщина стенки 1,5 мм, в особых случаях 0,55 —
1,0 мм. В табл. 21 даны допуски на размеры.
Шероховатость поверхности в пределах от 60 до 80 RMS.
Теплопроводность гипсовых форм относится к теплопроводности
обычных песчаных форм как 0,65 : 1,0, что необходимо учитывать,
в частности, при литье свинцовистых бронз. Содержание свинца
в таких бронзах должно быть не более 2,5%, а содержание угле-
рода максимум 7%; при более высоком содержании свинца при
охлаждении происходит его ликвация.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Osborn-Shaw Process. Machinery, 2. October, Vol. 81, 1952, s. 54. Shaw
Ceramic Mould Casting Techniques, Engineer, London, 12. 10. 1962, 5568, s. 648—
650.
2. Greenwood R. E. Ceramic Molding by the Unicast Process. Creative Ma-
nufacturing Seminars С. M. 67—537.
3. Marshall H. J. Das Ceramcast Verfahren, Giesserei, Jhrg. 50, 1963, 21,
s. 661—664.
4. Stutzman G. Precision Cast Forging Dies, Precision Metal Molding, cerven
1965, s. 52—54 nebo Muro, T.: Die Making for the Automobile Industry by the
Shaw—Process, Foundry Trade Journal, 1961, 2034, s. 148—152, nebo Gaucheron,
N.: Quelques Applications de Moulage de Precision a la Fabrication de Matrices
d'estampage Forge Boulonerie, 1966, 5, s. 25—28.
5. Wick Ch. L. Forging Dies Precision Casting Pays Off, Machinery (USA),
1965, 2, s. 108—111.
6. Menzel A. Fachausschussfeinguss, Giesserei 59, 1972, c. 9, s. 301.
7. Anonym. Shaw Ceramic Mould Casting Techniques, Engineer, London, 1962,
5568, s. 648—650.
118
г 8. Britsky patent 821112.
9. Britsky patent 1006357.
10. Greenwood R. Unicast Ceramic Mold Process, La Fonderie Beige, rocnik
35, 1965, Г .2, s. 59.
11. Awnet—Shaw Plainview, New York.
12. Poulsen S. C. Developments in the Mechanisation of the Shaw—Process,
Machinery, 17. 1. 1962, s. 92.
13. Patent USA 3232771 z r. 1962.
14. Francouzsky patent 1353435 z r. 1963.
15. Propagacni prospekt firmy Awnet—Shaw, Division of British Indust-
ries Corporation, Commercial Street, Engineer Hill, Plainview, L. I. N. Y.
1 16. Britsky patent 741381 z r. 1953.
/ 17. Welch G. 0. Composite Shaw—Process Moulds, Foundry Trade Journal,
3, 1960, s. 261—263..
17 a. Muro T., Nino H. Making of die Casting Dies by the Shaw—Process,
Modern Casting, September 1965, s. 140—160.
18. Lebre H. Fabrication Economique des Moules pour PInjection des Matieres
astiques, Pensez—Plastique, 1960, 206/207, s. 79—82.
19. Booth M. L. Mould and Dies by Shaw—Casting, Precision Casting, 201,
— 16.
20. Brinsmead K. Gli untensili da tablio prodotti per fusione danno inizio
ad una nuova era nei metodi di produzione degli untensili, Macchine, 1968,
s. 541V-551.
21. bbecke V. Biochem. Zeit, 304. 1940, s. 165—176.
22. ymann E. Trans. Faraday Soc., 32, 1936, s. 462—473.
Freundlich H. T. Phys. Chem., 41. 1937, s. 901—910.
Tourey A. R. Z. Anorg. Chem., 240. 1939, s. 200—216.
23. Anonym. Making for the Automobile Industry by the Shaw—Process,
Foundry Trade Journal, 2, 1961, s. 149—152.
24. Lesniak—Lech L., Bozek E. Metoda Shawa i jej zastosovanie przy pro-
dukcji tlocznikow, Mechanik, 1970, c. 6., s. 315.
25. Hayward L. Shaw—Process and Patternmaking, Brit. Master Pattern-
making, Brit. Master Patternmaker, 1968, 25, s. 2—4, 6, 8.
26. Beer W. O. Premium Quality Investment Casting, Precision Metal, 1970,
s. 50—53.
27. Anonym. New Methods of Producing Three—Dimensional Plaster Molds,
Machinery, 1948, s. 144—149.
28. Plaster Mold Castings by Brigge. Prospekt firmy Brigge Manufacturing
Company. Non Ferrous Casting Division, Cleveland—Ohio.
• 29. Bolz R. W.z Plaster—Molds Casting, Machine Design, XII, 1959, Vol.
21. 12, s. 141—145.
30. Chase H. Plaster Molds for Casting Intricate Aluminium poruque Con-
venter Parts, Iron, Age, Vol. 161, 148, cast 7, s. 60—68.
31. Johanson E. S. Modern Casting, 1962, 2, s. 117—121.
32. C. Me. Combe. Precision—Casting Foundry at William Milit. Limited
Foundry Trade Journal, 4. 7. 1966, s. 475—478.
33. Rochier M. Fonderie, 274, 1969, s. 26—34.
34. Valenta F. Hohleiter fur die Electroindustrie hergestellt nach dem Fein-
giessverfahren, Giesserei, 57, 20, 1970, s. 36—64.
35. Gypsum Aline, 1954, 15, s. 687—696.
36. Pendleton A. H., Wade L. Foundry Trade Journal, 9, 10, 1968, s. 328.
37. Francouzsky" patent 1034407.
38. Francouzsky patent 1213336.
39. Fischer H. C. The Setting of Gypsum Plaster, A. S. T. M. Bulletin, XI, 1959.
40. Patent NDR 24798.
41. West R. R., Suton W. J. Thermography of Gypsum. Journal of the Ame-
rican Ceramic Society, Vol. 5, s. 221—224.
Глава 7
СПЛАВЫ И ИХ ТЕРМООБРАБОТКА
7.1. СПЛАВЫ ДЛЯ ОТЛИВОК, ПОЛУЧАЕМЫХ
ЛИТЬЕМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Литье по выплавляемым моделям для производства маши-
ностроительных деталей практически используют во всех отраслях
промышленности. Это стало возможным потому, что для точных
отливок, иногда и с затруднениями, можно применять всевозмож-
ные сплавы с такими свойствами, которые являются наиболее вы-
годными для эксплуатации.
Использование керамических огнеупорных форм, не реаги-
рующих с заливаемыми металлами и сплавами, и применением
вакуумного способа плавки и заливки металла позволяет отливать
заготовки из очень реакционноактивных металлов, таких, как
титан и его сплавы [1, 2]. При этом можно достичь такого каче-
ства поверхности и размерной точности, что во многих случаях
достаточно лишь одной финишной операции —полирования.
Так, например, получают литые матрицы из кобальтового сплава
для изготовления сверл прошивкой [3], материал которых об-
рабатывается только шлифованием.
При литье по выплавляемым моделям можно использовать
очень нетехнологичные сплавы, например, сплавы с плохой жидко-
текучестью [4], а также такие сплавы, из которых кроме как
литьем невозможно получить заготовки (эти сплавы не куются,
не обрабатываются, но представляют в техническом отношении
очень важные материалы).
Литье по выплавляемым моделям является единственным тех-
нологическим способом, который представляет конструкторам
наиболее широкие возможности при выборе материалов для той
или иной конструкции [5]. Поэтому увеличивается число новых
металлов и сплавов, предназначенных для литья по выплавляе-
мым моделям. Согласно литературным данным [6] с 1962 г. основ-
ными сплавами для литья по выплавляемым моделям являлись
нелегированные, низкоуглеродистые, аустенитные, мартенситные,
коррозионно-стойкие инструментальные стали, сплавы кобальта,
никеля, меди и алюминия. С 1969 г. ассортимент сталей еще
более расширился за счет сталей специального назначения,
магниевых сплавов [7], высокопрочных чугунов, легированных
чугунов и сплавов титана [8].
120
С увеличением числа разрабатываемых и используемых спла-
вов возникают трудности у изготовителей, так как повышаются
требования к организации работы в плавильных и очистных
отделениях. Иногда затруднения возникают при недостаточной
проверке пригодности сплава для литья по выплавляемым моде-
* лям, что вызывает материальные потери.
В промышленно развитых странах издаются нормы и стандарты
[5, 9, 10, И] на материалы, пригодные и рекомендуемые для
точных отливок, изготовляемых по выплавляемым моделям.
В большинстве случаев это относится прежде всего к сплавам
железа (стали), которые широко используются в качестве мате-
риалов для точных отливок. Применение единого сплава в одном
цехе упрощает организацию производства и повышает экономику
литейных цехов.
В начале развития промышленного способа литья по выплав-
ляемым моделям отливали практически только те детали, которые
ранее изготовляли, например, ковкой, сваркой или механиче-
ской обработкой. Для точных отливок использовали тот же ме-
талл, из которого изготовляли исходную деталь, без учета того,
имеет этот металл пригодные литейные свойства или нет. У куз-
нецов, например, имеются свои специфические требования к свой-
ствам используемых сталей, отличающиеся от требований литей-
щиков. Кузнецов и прокатчиков интересует прежде всего то, чтобы
сталь имела хорошую формуемость в нагретом состоянии, т. е.
чтобы она хорошо ковалась или прокатывалась. Требования
к свойствам, которые предъявляют к стали изготовители точных
отливок, — это прежде всего хорошие литейные свойства при
наименьшем поверхностном обезуглероживании, т. е. свойства,
которые для металлургов и кузнецов имеют второстепенное зна-
чение.
Неровная поверхность слитка перед прокаткой обрабатывается;
и тем самым устраняется обезуглероженный слой с поверхности
заготовки. Образование большей или меньшей усадочной рако-
вины в верхней^ части слитка не сказывается на качестве прока-
танного металла, так как перед прокаткой прибыль удаляется.
Слиток при охлаждении не испытывает больших напряжений от
сопротивления усадке металла. Согласно этим требованиям при
разработке кованых и литых сталей подбирают их химический
состав.
При изготовлении точных отливок литейные свойства и глу-
бина обезуглероживания имеют первостепенное и решающее зна-
чение для экономики изготовления изделия. Пластические свой-
ства стали в горячем состоянии при этом литейщиков не инте-
ресуют.
Главными литейными свойствами стали являются: 1) жидко-
текучесть, т. е. способность расплавленного металла качественно
заполнять форму; 2) склонность к образованию усадочных рако-
вин; 3) склонность к образованию трещин.
121
Если сталь имеет плохие литейные свойства, то при литье
в нормальных условиях, т. е. без использования специальных
приемов, отливки получатся бракованными. При недостаточной
жидкотекучести стали отливки полностью не заливаются или на
них образуются неслитины. При хорошей жидкотекучести, но
сильной склонности к образованию усадочных раковин или тре-
щин отливка может быть внешне почти безупречной, но с не-
удовлетворительной внутренней плотностью. Она будет иметь
концентрированные или рассредоточенные усадочные раковины
или трещины.
Значение наименьшей склонности к обезуглероживанию стали
выражается в том, что точные отливки изготовляют с очень ма-
лыми припусками, т. е. с минимальными финишными операциями.
Если отливку со значительной глубиной обезуглероженного
слоя термически обработать (например, улучшить), то качество
термообработки будет неудовлетворительным. Поверхностный обез-
углероженный слой имеет меньшую прочность, чем центральная
часть, и общая прочность детали при переменной нагруз^ке будет
значительно ниже. При снятии обезуглероженного слой7 механи-
ческой обработкой теряется преимущество литья по выплавляе-
мым моделям, а вместе с ним и экономичность изготовления. Для
изготовителей точных отливок приемлема такая ста^ль, которая
имеет не только хорошую прочность, но и хорошее литейные
свойства.
Хорошие литейные свойства сталей уже давно в технических
публикациях отмечались как важнейшие свойства [13]. В работе
[14], например, рекомендуется применять материалы с хорошими
литейными свойствами, даже если в этом случае требуется, на-
пример, заменять нелегированные стали легированными с высо-
кой прочностью. Для отливок, подвергающихся цементации, ре-
комендуется использовать легированные стали, которые более
стабильно сохраняют свои размеры при закалке. Коррозионно-
стойкие стали с плохими литейными свойствами следует заменять
сателлитами и т. п. Рекомендуя использовать более дорогие сплавы,
автор работы [14] исходит из того, что в большинстве случаев
их высокая прочность позволит уменьшить толщины стенок, т. е.
облегчить отливку. В этих случаях повышенная стоимость мате-
риала компенсируется его меньшим расходом, и конечное удорожа-
ние отливки будет очень незначительным.
Целесообразность применения высококачественных сталей,
которые удовлетворяют как конструкторов, так и изготовителей
точных отливок, подтверждается созданием в промышленно раз-
витых странах сталей новых марок специально для точных отли-
вок. К ним относятся, например, стали, которые должны заменить
сталь с 13% Сг. Эту сталь со специальными свойствами исполь-
зуют для деталей, работающих при температуре около 600° С
(детали паровых турбин). Однако она имеет плохие литейные
свойства. Отливки из нее склонны к образованию трещин при
122
охлаждении и имеют плохое качество поверхности. Поэтому
свойства этой стали улучшают присадкой 1,2—3% Мо.
Были разработаны новые стали: сталь, которая содержит
наряду с хромом кобальт, молибден, вольфрам и никель; сталь
с присадкой кобальта, молибдена и ванадия; полуаустенитные
* отверждаемые стали 17-4РН, А М56425-5РН, АМ355 и т. п. [14].
Для литья в вакууме созданы сплавы Nimocast 713VA, РЕ 10
[15]. Для улучшения литейных свойств легированных и нелеги-
рованных сталей, предназначенных для литья по выплавляемым
моделям, в США созданы стали с присадкой 1—2% Си [16].
Специально для литья по выплавляемым моделям был разработан
высокопрочный сплав Maraging, содержащий никель, кобальт,
молибден, титан, циркон и бор [17]. Известно, что легированные
стали имеют лучшие литейные свойства, чем нелегированные.
Литейные свойства этих сталей повышаются с увеличением в них
содержания углерода, однако следует помнить, что при содержа-
нии углерода в стали более 0,6% растет склонность отливок
к обезуглероживанию [18].
Один из крупнейших коммерческих литейных цехов США,
изготовляющий точные отливки (фирма Hitchiner Manufacturing
Со Inc., Milford), провел специальное исследование литейных
свойств сталей [10]. Из этих сплавов отливали детали относи-
тельно простой формы. Литейные свойства определяли по вели-
чине жидкотекучести, склонности сплава к образованию внутрен-
них раковин и трещин. Отливки из исследуемых сплавов сравни-
вали с отливками, изготовленным из следующих трех сплавов,
имеющих исключительно высокие литейные свойства:
1) коррозионно-стойкая сталь, содержащая, %: 0,15С, l,0Si,
l,5Mn, 9,0Ni, 19Сг;
2) бериллиевая бронза, содержащая, %: 0,5Ni, 2,1 Be, осталь-
ное Си;
3) алюминиевый сплав, содержащий, %: 6,5—7,5 Si, 0,3 Мп,
0,2 Си, 0,5 Fe, 0,2—0,4 Mg, 0,3 Zr, 0,2 Ti, остальное Al.
В результате было определено влияние отдельных элементов
на литейные свойства сталей, отливаемых в горячие керамические
формы.
Кремний. В стали с 0,1 и 0,5% Мп кремний не влияет на
жидкотекучесть при его содержании от 0,5 до 2,5%, если повы-
шается содержание углерода. При содержании кремния до 1,8%
усадка уменьшается и не увеличивается склонность металла
к образованию трещин. Можно считать наиболее оптимальным
содержание кремния 0,5—1,5%. Именно в этом диапазоне сталь
обладает хорошими литейными свойствами.
Углерод. В углеродистых сталях повышение содержания
углерода до 0,35% не изменяет жидкотекучести. Склонность
к образованию трещин возрастает с содержанием углерода более
0,25%. Склонность к образованию усадочных раковин снижается
при содержании углерода выше 0,3%; резкое снижение склонности
123
к образованию усадочных раковин наступает, при содержании
углерода выше 0,5% *.
Литейные свойства сталей с 0,3% С, легированных хромом
(1,0%) и молибденом (0,25%), такие же, как углеродистой стали,
содержащей 0,45% С. Примерно одинаковые литейные свойства
(усадки) у легированных сталей с 1,8% Ni, 0,65% Сг и 0,25% Мо
и углеродистых сталей с 0,2—0,25% С. Жидкотекучесть легирован-
ных сталей лучше, склонность к трещинообразованию меньше
по сравнению с углеродистыми сталями [12]. Отмечается, что
сложные отливки следует изготовлять из сплавов с гарантирован-
ными литейными свойствами. В данной работе не приводятся
данные об условиях испытаний образцов и о способах оценки
результатов испытаний.
Ниже приводятся данные исследований о влиянии отдельных
элементов на литейные свойства стали, проведенные на заводе ZPS
г. Готвальдов (ЧССР). При этих испытаниях классификационными
признаками были жидкотекучесть и склонность к образованию
трещин и усадочных раковин. Жидкотекучесть определяли по
несколько видоизмененной пробе В. Walker [19]. Склонность
к образованию усадочных раковин проверяли на эксперимен-
тальной пробе Gikel [20], устойчивость материала к образованию
трещин — на пробах по BS 3146 от 1961 г. (Англия). Большинство
испытаний проводили при постоянных условиях, чтобы исключить
влияние других технологических параметров — температуры ме-
талла, скорости заполнения формы, температуры формы и т. п.
Испытания были дополнены определением глубины обезугле-
роживания по CSN 420449. Влияние отдельных элементов на
литейные свойства стали проявилось следующим образом.
Углерод не изменяет жидкотекучесть и усадку углеродистых
сталей при его содержании до 0,3%; при содержании углерода
до 0,25% не выявилась склонность к образованию трещин. При
низком содержании углерода даже присадка 1% Si не изменяет
жидкотекучести, но с повышением содержания кремния увеличи-
вается склонность к образованию трещин. Только у стали с со-
держанием углерода более 0,4% улучшается жидкотекучесть при-
садкой кремния, при этом увеличивается и усадка.
Присадка меди в количестве до 1,75% не влияет на жидко-
текучесть ни у углеродистых, ни у сталей легированных хромом,
молибденом и ванадием.
\Низкоуглеродистые хромомарганцовистые стали имеют пло-
хую жидкотекучесть, большую усадку и сильную склонность
к трещинообразованию. Присадкой хрома к нелегированной стали
с 0,4% С улучшается жидкотекучесть, но при той же склонности
к образованию трещин. Стали с низким содержанием хрома, ни-
келя и молибдена имеют очень хорошие литейные свойства, так
же как и никель-молибденовые стали. Хромованадиевые стали при
содержании 0>4% С имеют приблизительно одинаковую жидкоте-
кучесть с хромомолибденовыми и хромоникелевыми сталями.
124
Хромоникель-молибденованадиевые стали имеют очень хорошие
литейные свойства при низкой склонности к образованию трещин.
Хорошую жидкотекучесть при содержании углерода более
0,4% имеют кремнемарганцовистые стали, которые, однако,
имеют повышенную склонность к образованию усадочных рако-
вин, что полностью согласуется с данными работы [12]. Наимень-
шее обезуглероживание имели хромомолибеднованадиевые и хро-
мованадиевые стали, хромистые, кремнистые, кремниймарганцо-
вистые и нелегированные стали с содержанием углерода до 0,5%.
Максимальная глубина обезуглероживания была у отливок из
марганцовистой стали. Максимальное обезуглероживание на от-
дельных частях отливки составляло 0,6 мм, а по всей поверх-
ности до 0,3 мм. В общем можно констатировать, что легированные
стали имеют лучшие литейные свойства и точнее отражают детали
поверхности формы по сравнению с углеродистыми; они имеют
также меньшее поверхностное обезуглероживание.
Экономичность литья по выплавляемым моделям связана не
только с использованием сталей, которые гарантируют удовлетво-
рительные литейные свойства, но также и с технологичностью
металлургического процесса плавки. Прочность и стойкость отли-
вок из стали зависят не только от их химического состава, но
также и от правильно проведенных процессов плавки. Заметное
влияние на механические свойства стали оказывает степень раскис-
ления стали и способ раскислительного процесса и ведения плавки.
Степень и способ раскисления имеют прямое влияние на внутрен-
нюю чистоту (плстность) металла, на форму и распределение не-
металлических включений и, как следствие, на склонность к об-
разованию трещин [21].
) Щихта и ведение плавки являются решающими в отношении
содержания газов в металле и степени пористости отливок. Было
доказано, что в отливках пористость вызывается не только усад-
кой, но и растворением в стали газов [22]. Пористость суще-
1 ственно снижает прочность стали. В работе [23] показано, что
на колебание свойств перлитных сталей влияют металлургические
факторы при плавке, процесс ввода составляющих элементов
сплава, способ раскисления и нагрева стали перед выпуском и т. п.
Химический состав стали во многом определяет процесс ведения
плавки и ее металлургическую обработку. Например, для сталей,
в составе которых содержатся элементы с повышенным сродством
к кислороду, требуется сложная металлургическая обработка.
В расплавленном металле при высоком содержании кислорода,
1 как, например, у хромомарганцовистых сталей, бывает большое
количество окисных пленок. Из такого загрязненного металла
получить отливки с плотной структурой весьма трудно. В сталях
? же, легированных хромом, молибденом и никелем, окисные пленки
не образуются.
Стали, легированные никелем, имеют при неблагоприятном
ведении плавки склонность к повышенному растворению газов,
125
в результате отливки получаются раковинами. Эти стали очень
чувствительны к содержанию серы, поэтому ее содержание должно
быть минимальным (не более 0,03%). При более высоком содержа-
нии серы никелевые стали склонны к образованию трещин. Хро-
моникелевые стали имеют в литом состоянии вследствие повы-
шенной первичной кристаллической сегрегации склонность к об-
разованию дендритной структуры и трещин (волосовин) на гра-
ницах зерен. Это можно избежать при тщательном ведении плавки.
Подобное наблюдается и в сталях, содержащих алюминий
и титан. Эти стали (до определенного содержания указанных
элементов) вообще нельзя лить без применения вакуумной тех-
ники.
Имея в виду использование и расширение литья по выплав-
ляемым моделям в будущем, необходимо учитывать кроме литей-
ных свойств и способ ведения плавки сплавов и их металлургиче-
скую обработку.
Для точных отливок можно использовать материалы, улучшен-
ные до высокой прочности, которые обеспечат при переменной
нагрузке удовлетворительную усталостную прочность. Прочность
отливок зависит также и от термической обработки. Стойкость
машиностроительных деталей, подвергнутых переменному на-
гружению, зависит от усталостной прочности материала, которая
в свою очередь зависит от остаточных напряжений в отливках,
возникающих после закалки. Если эти напряжения будут боль-
шими, то после определенного времени эксплуатации эти* детали
выйдут из строя. Отливки, работающие при переменной нагрузке,
следует изготовлять из стали такого состава, которая позволяет
проводить термообработку для достижения минимального уровня
избыточных внутренних напряжений. Этому условию удовлетво-
ряют прежде всего стали, которые не имеют склонности к так
называемой отпускной хрупкости. Под отпускной хрупкостью
понимают чувствительность стали к способу охлаждения с тем-
пературы отпуска без потери ударной вязкости.
Склонны к отпускной хрупкости марганцовистые стали с со-
держанием марганца более 1,5%, хромомарганцовистые, хромо-
ванадиевые, хромоникелевые и хромоникель-ванадиевые. Хорошо
противостоят отпускной хрупкости нелегированные углеродистые
стали и стали, легированные вольфрамом и особенно молибденом.
Молибден в этом отношении очень эффективен. В марганцовистых,
хромистых, хромоникелевых сталях достаточно его содержания
0,2—0,5%, чтобы предотвратить хрупкость при медленном охлаж-
дении стали в печи после отпуска.
К преимуществам термообработки легированной стали следует
отнести также устойчивость отливок к деформации при нагреве
и охлаждении. Детали из углеродистых нелегированных сталей
деформируются при термообрабоке во много раз сильнее, чем
легированные стали, закаливаемые в масле или на воздухе. Среди
последних деформируются меньше стали, легированные элемен-
126
тами, снижающими температуру закалки (положение точки Ас3).
Поэтому стали, легированные никелем, имеют после закалки мень-
шую деформацию. Вследствие деформации отливок из углеро-
дистой стали после термообработки часто приходится прибегать
к рихтовке. Для этого требуются иногда дорогие приспособления.
Такая рихтовка формы отливок часто не достигает своей цели.
Во время эксплуатации отрихтованная деталь может вновь де-
формироваться и принять форму, бывшую для правки.
Стремление изготовлять точные отливки с такими же механи-
ческими и динамическими характеристиками, как и у деталей,
полученных ковкой или прокаткой металла, заставляет прибегать
к специальным способам термообработки, например к изотерми-
ческой закалке [24].
Этот краткий обзор достаточен для получения основных све-
дений о химическом составе стали, имеющей удовлетворительные
свойства для точных отливок, получаемых литьем по выплавляе-
мым моделям.
Другими факторами, которыми нельзя пренебрегать, являются
обрабатываемость сталей и их стоимость. На обрабатываемость
стали обращают особое внимание в тех случаях, когда в точных
отливках необходимо сверлить дополнительно отверстия или на-
резать резьбу. В работе [8] дана таблица индексов обрабатывае-
мости различных сплавов. Согласно этой классификации неле-
гированные стали со средним содержанием углерода (0,2—0,5%)
имеют обрабатываемость на 50% лучше, чем некоторые низколе-
гированные стали.
В нормали и стандарты внесены некоторые углеродистые и
нелегированные стали, хотя, как уже было ранее указано, они
по ряду факторов не вполне пригодны для литья по выплавляе-
мым моделям.
Сравнение свойств сталей, отлитых в горячих керамических
формах с прокатанными или коваными сталями. Металл, залитый
в раскаленные керамические оболочковые формы, охлаждается
в них значительно медленнее, чем, например, в холодных песча-
ных формах. Этим и объясняется возникновение грубой структуры,
особенно в толстых сечениях отливки, полученной точным литьем.
Вообще считается, что такие отливки вследствие медленного
охлаждения в раскаленной форме не имеют напряжений [25, 26].
В их структуре первичные кристаллы недеформированы. Мате-
риал точных отливок при высоких температурах при одинаковом
химическом составе имеет более высокий предел текучести, чем
материал после деформирующей обработки в нагретом состоянии
(26 ]. Литая структура менее пригодна для отливок с повышенным
Динамическим нагружением [27].
Прочность при растяжении и предел текучести литого мате-
риала, и материала, деформируемого в нагретом состоянии, при
одном и том же химическом составе одинаковы. Относительное
удлинение и ударная вязкость литого материала ниже по сравне-
127
нию с материалом, деформированным в нагретом состоянии в на-
правлении деформации, но выше по сравнению с образцами,
вырезанными поперек направления деформации [28].
Для всех литых материалов характерно, а следовательно,
и для сталей то же, что с увеличением толщины стенок механиче-
ские свойства снижаются. Это влияние толщины стенок отливок
на механические свойства было определено количественно [29].
У сталей наблюдается относительно меньшее снижение относи-
тельного сужения, ударной вязкости и предела текучести с уве-
личением толщины стенок отливок [30, 31 ]. Влияние скорости
охлаждения литой стали на ее структуру изучали советские
исследователи [32].
Снижение прочностных свойств с увеличением толщины сте-
нок отливок относится также и к чугуну [33 ] и к цветным сплавам.
7-2- РЕКОМЕНДУЕМЫЕ СТАЛИ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК
ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
7.2.1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЛИТЫЕ СТАЛИ
В Англии используют конструкционные стали, химический
состав которых приведен в табл. 22. Из них изготовляют отливки,
эксплуатирующиеся при нормальных условиях. Для этих сталей
стандарт BS 3146 регламентирует механические свойства и дает
рекомендации по применению (см. табл. 23). Кроме сталей, при-
веденных для литья по выплавляемым моделям (в первой части
английского стандарта BS 3146), используют стали, предназначен-
ные и для литья в песчано-глинистые формы, например, по BS
1459 или BS 1617 (см. табл. 24).
В табл. 25 приведены марки сталей США, используемых для
отливок, работающих в условиях нормальных нагрузок.
В работе [19] рекомендуются углеродистые и низколегирован-
ные стали; с низким содержанием углерода (не более 0,2% С):
SAE 1020, 8620, 4620, 8615, 8720; со средним содержанием угле-
рода (0,2—0,5% С): SAE 8630, 4330, 4130, 4140, 6150 и одна марка
стали с высоким содержанием углерода (более 0,5%) — SAE 52100.
В США для оценки качества отливок решающим фактором
являются прежде всего механические свойства, а потому допу-
скаются определенные отклонения по химическому составу [19].
По этой причине у большинства рекомендуемых сталей не при-
водятся механические свойства. Только указано, что предел
прочности при растяжении у литых низколегированных сталей
после термообработки должен быть в пределах 490—1400 Н/мм2,
Для деталей высокой прочности рекомендуется сталь SAE 4140
или SAE 4150; для деталей, работающих при ударной нагрузке,
сталь SAE 4130.
128
Таблица 22. Химический состав, % углеродистых сталей
для точных отливок по британскому стандарту
Марка стали по BS 3146 с Si Мп Сг Ni Мо р S
не б олее
CLA1
А До 0,25 0,6 1,0 0 0 0 0,04 0,04
В » 0,35 0,6 1,0 0 0 0 0,04 0,04
С CLA2 » 0,45 0,6 1,0 0 0 0 0,04 0,04
А 0,18— 0,25 До 0,05 1,2— 1,7 0 — 0,04 0,04
В 0,25—0,3 0,05 1,2- 1,7 0 — — —
CLA3 0,35— 0,45 0,3—0,6 0,5— 0,8 0,9— 1,15 До 0,4 0,2—0,4 0,04 0,04
CLA6 0,15— 0,25 0,2—0,5 0,5— 1,0 0 » 0,4 0,2—0,4 0,04 0,04
CLA7 До 0,25 До 0,75 0,3— 0,6 2,5— 3,5 » 0,4 0,35—0,6 0,04 0,04
CLA8 0,35— 0,45 » 0,6 0,5— 0,8 До 0,25 » 0,4 До 0,25 0,04 0,04
CLA9 0,1—0,18 0,25—0,6 0,6— 1,0 До 0,3 » 0,4 » 0,25 0,05 0,05
CLA10 0,1—0,18 0,25—0,6 0,3— 0,6 » 0,3 2,75—3,5 » 0,25 0,05 0,05
CLA11 0,2—0,3 0,25— 0,75 0,3— 0,6 2,93— 5 До 0,4 0,4—0,7 0,045 0,045
CLA12
А+ В 0,45— 0,55 До 0,75 0,5— 1,0 0,8— 1,2 » 0,4 До 0,15 0,05 0,05
С 0,55— 0,65 До 0,75 0,5— 1,0 0,8— 1,5 » 0,4 0,2—0,4 0,05 0,05
В работе [19] подчеркивается преимущество изготовления
отливок из низколегированных сталей с низким содержанием
углерода перед углеродистыми сталями (т. е. рекомендуется сталь
SAE 8620 вместо стали SAE 1020) и рекомендуются хромомолибде-
; новые стали вместо углеродистых сталей, содержащих 0,4—
0,5% С. Механические свойства рекомендуемых сталей для точ-
|ных отливок приведены в табл. 26 и 27, величины механических
свойств сталей и области их применения взяты из каталогов двух
ведущих американских фирм.
I Фирма Hitchiner Manufacturing Со; Inc. Milford, New Hamp-
shire рекомендует стали, приведенные в табл. 26.
Стали Nitralloy 135 и 3120, приведенные в табл. 26 и 27, имеют
? химические составы, указанные в табл. 28 [35].
i В ФРГ для точных отливок используют преимущественно
* улучшенные и цементированные стали по DIN 17006 [5]. Эти
। стали (табл. 29) применяют для производства точных отливок не
только в ФРГ, а также в^Австрии (фирма Gebriider Bohler A. G.)
и в Швейцарии (Gebriider Sulzer, Winterthur).
би. Дошкарж и др. 129
130
Q Q cannon ъ -X Г г4 Р Р Р Q о овз . >> > > > > > > сх? > Г Г £ со >Г~ п го ND — О U14^ qo bO ~ Марка стали по BS 3146
я ОТ SotSotSotSot^OT^OT ui т1 ro t-i д д д ( п> ОТ о ФОТ jsL1 J—i го нД ОТ п> ОТ ОТ д ОТ д ОТ ||^ -<1 Л <т>л>л>л>п>п>л>л>а>п> ® Oqq q <? л> 8 лГ<? лГ S о Об СЛ S । Q0-»q2 1 q Я? & fn ? m > i* - «"* S'? g<? g<? S'? S'? g? § S5? §8? g?§?g? д > °> S со 2 - to
III s | 1 Й S 8 S ft g ? 9 о о о о о О Ong NDgNDgbog: О? g . g g? g? g? 2н 2 - Ь9
SC ? i! СЦ м4 нн brH мн I I _ •— “ ro —' го — Л q a> _ Ф о Ф o> Ф o> 1 1 О Ю 00 ОСЛ00О^1ЮП>2 * 5 S о ° ® — Д i— « 5 кп S кл & NO? СЛ ? СЛ ? О? to? б, %
NO 4^ ND ND ND •— •— 4^ to ND ND ND III > «Г > 5° >> 5*3 • *- & -A S ill 111 СЛ СП O> O) СЛ 00 00 4^ Тот o> о 0D ll r Oo QH» Дж/см1
'«r S E ®ОТ>отаидпнфЗаДота^отаддо « —i о a j=i а от д от д г^от е »=* о -^- s<- s, н нч Ф Д Д А О ® Q О ^5 Д О ОТ ОТ' Ф О йэ ОТ"1 ОТ CD ОТ Ф ’ОТ О А 7 <ф «ОТ Д ОТ* А 1д CD *ОТ Z? *~ч <п Е 2 *ОТ^ S ? И 2 я о w о де о 2 w 2 Ф. отз ОТ 2 д аз о/ — ? ._. ? rr> от Sti н O'o л> к ОТ д д д id 5 S s=~ to ОТ ti co E к д ^Егот £ от td д д д ir ? Д Е S Д«ОТ Д <-;-♦ ОТ ой^пм^ДШК W - . 2 О о £з S Д 2 ►»-» JzJfD А ж 2 го от я 5 2 от „ 2 ” отя’^ОТжОТеЗ'т3о‘< 2 2 С 5 24 ®С*Е 2 ? Е<т>л>сг®еяот д ° ►ей л. СС м — О bi 1 п—« 03 О *ди О хт\ Й и-3 Дс Д (V £г* SC м W <ТЗ Ф ?*} S 1»|в. -s 5 *2а с § сЛ о« * 8 i s s si ^-зВ /Л-h sHS’hf g|gE £ = £-§§gsgSs‘^i*|paH« •§&§ fOsSe a ss3s«il s§B>i sf|i ijq^5«ga ^isli ii- p|^§s »зНИ “3»а® 33 «o§ aS-§ 3n^s-sl§ “S^s«q *|* = g E От о о &» G д s £ E £ А от я от о ОТ д й т • М от й от я П м Й о Я 2 so «с о Едд а ° д geWK s £е 2 * §с сг 8 . д ® g д > ’rJw‘< ы 0 * *< n д оЗ^отот^ Хот « м so А Д А ЯеОТЯОТы Е А о О Д 5 <^> Р О * Д £ » £2® ОТЙ^ о^ До Дж я от о от О g от от § Дл? о отеЕ " Ж®д7? Ож?°отд~ от® geja g ® д о а ® а 2'2 ОТ от от ° ОТ ж д д Е А а д х s q Д <2 о от а -а, .ОТ о о от 'ОТ ж от а д д го «от До от а ОТ от ® 2 5х от <т> s Q о о >j я д со £ яд яям ж о 2 -S го от w н о д*< д ja от а д д от ю й Е со ок ® S от 2 от а от ь о от о а д ОТ от от й g w Д Е от го д по g £ о я ? Дотд® р О ОТ _ 2 (Т> SOTQ 2 2 Е’ЗяОоот еЗ® отн хотсдОТ Отн х^ оА^^ОТот ' я« т О ? о я Оте . .«?? х»? а? 3 Г 00 ?Т ?ая?5?> 2 Применение
Таблица 24. Химический состав, %, некоторых низколегированных литых сталей по британскому стандарту
i Марка стали по с /V у ««ww’-r ж -Г—«» Мп Si Сг Ni Мо р 1 S
не С юлее
EN33 0,1—0,15 0,3—0,6 0,1—0,3 0,0—0,3 2,75—3,5 0,04 0,03
EN23 0,24—0,35 0,3—0,06 0,1—0,3 0,5—1,0 2,75—3,5 0,65 0,04 0,03
EN25 0,27—0,35 0,5—0,7 0,1—0,35 0,5—0,8 2,3—2,8 0,4—0,7 0,04 0,03
EN8 0,35—0,45 0,7—1,1 0,1—0,35 _ 0,04 0,04
EN36 0,12—0,18 а,3—0,6 0,1—0,3 0,1-1,1 3,0—3,5 0,1—0,25 0,04 0,03
Таблица 25. Углеродистые стали по американским стандартам
3 Марка стали по SAE Химический состав, % Механические свойства после улучшения
С Мп Si Сг Ni Мо V %’ Н/ммг аг Н/ммг 6. %
1010 0,08—0,13 0,3—0,6 — — ' —• — —-
1015 0,13—0,18 0,30—0,60 — ОГ7
1020 0,15—0,25 0,3—0,6 0,6—1,0 — — •—— 550 360 37
1030 0,25—0,35 0,6—1,0 1,0 1 ' — — "1
1045 0,43—0,50 0,60—0,90 — — —— "1 “ 1
1050 0,45—0,55 0,6—1,0 1,0 — — —— 1 ' “ 1
1060 0,55—0,65 0,60—0,90 — — •—— " 1 "1
3120 0,17—0,22 0,6—0,8 0,2—0,35 0,55—0,75 1,10—1,4 •—— ——
8620 0,15—0,25 0,65—0,95 0,2—0,8 0,4—0,6 0,4—0,7 0,15—0,25 773,4 597,6 18
4140 0,35—0,45 6,7—1,05 0,2—0,8 0,8—1,1 0,15—0,25 1103,9 597,6
4130 0,25—0,35 0,4—0,8 1,0—1,5 0,8—1,1 0,15—0,25
4330 0,28—0,35 0,6—1,0 0,5—1,0 0,6—1,0 1,65—2,0 0,3—0,45 —
4340 0,38—0,45 0,6—1,0 0,5—1,0 0,85—1,0 1,65—2,0 0,3—0,5
4620 0,15—0,25 0,4—0,7 0,8 1,65—2,0 0,2—0,3 —
6150 0,45—0,55 0,4—0,7 0,8 0,8—1,0 — 0,15—0,3
8615 0,11—0,17 0,65—1,0 1,0 0,35—0,65 0,35—0,75 0,15—0,3
8630 0,25—0,35 0,6—0,95 1,00 0,35—0,65 0,35—0,75 0,15—0,3 —
8720 0,18—0,23 0,7—0,9 1,00 0,4—0,6 0,4—0,7 0,2—0,3
32100 0,95—1,1 0,25—0,55 0,8 1,3—1,6 —
Таблица 26. Механические свойства сталей, приведенных в табл. 25
Марка стали по SAE Механические свойства Применение
ав> Н/мма ат, Н/мм2 в. %
1010 * 350 210 30 Для деталей с высокой магнитной прони- цаемостью
1015* 350 210 25 Цементованная сталь с высокой ударной вязкостью; рекомендуется поверхностная
пламенная закалка
1030 * 450 280 25 Для средненагруженных деталей
1045 * 520 280 20 Для поверхностной индукционной закалки
980 660 7
1050* 630 * 310 14 Для деталей с хорошей прочностью и вы-
1060* 700* 56 16 носливостью
4130 560 * 42 18 Для конструкционных сильно нагружен-
1400** 1190 6 ных деталей, стойких к усталости; стали
750** 600 18 свариваемые
4140 630 * 420 17 Для деталей с высокой твердостью и со-
1550 ** 1400 4 противлением к усталости
1260 ** 1080 9
1080 ** 940 10
840 ** 700 14
770 ** 630 17
4340 630 490 15 Для деталей высокой прочности и твер-
1550 1430 4 дости при высоком сопротивлении ударам
1260 1120 6 максимальная ударная вязкость
850 630 16
6150 700* 420 12 Для деталей с высокой прочностью и твер-
1550** 1430 4 достью при большом сопротивлении к уста-
1260 ** 1 1 он 6 лости (максимальная ударная вязкость на
112U образцах с надрезом)
850 ** 630 16
6150 700 * 420 12 Для деталей с высокой прочностью и твер-
1600** 1470 2 достью, а также стойкостью против уста-
770 ** 630 10 лости
8630а 560* 420 18 Для деталей со значительной твердостью
1400** 1180 6 и стойкостью против усталости
750 ** 600 18
Нитраллой 700* 310 12 Азотируемая сталь
135 980—1000 880 8
* Материал нормализован и отожжен.
Материал подвергнут улучшению.
132
Таблица 27. Механические свойства сталей, приведенных в табл. 25
? m-v
Марка стали по SAE Механические свойства Примечание
Н/мм’ от, Н/мм8 б. %
1020 420 * 210 24 Цементованная сталь для газовой или порошковой цементации
1040 560* 280 16 Имеет большой предел прочности, сопро’ ти в лен не к усталости и хорошую обра- батываемость
3120 500* 280 20 Специальная цементованная сталь для деталей с высокой твердостью поверх- ности, с большой прочностью сердцевины и большой ударной вязкостью
4130 1050** 870 9 Закаливаемая сталь для деталей высокой прочности и сопротивлением усталости; хорошо сваривается
4140 1250 ** 1120 6 Имеет высокую прочность и твердость; высокое сопротивление усталости
4340 1250 ** 1120 6 Имеет максимальную прочность и удар- ную .вязкость (образцы с надрезом)
6150 1330 ** 1260 2 Имеет хорошую прочность и сопротивле- ние усталости
8620 500* 280 20 Хорошо цементованная сталь для дета- лей, подверженных трению, максимальная прочность сердцевины
8630 560* 280 17 6 Для мелких деталей сложной конфигура- ции, требующих термообработки и сварки
* Материал нормализован и отожжен.
♦♦ Материал подвергнут улучшению.
Таблица 28. Химический состав, %,
двух рекомендуемых низколегированных американских сталей
Сталь С Мп Si сг Ni Мо Р + s, не более А1
Нитраллой 135 0,1—0,25 0,5 0,3 1,15 0,2 0,04 1,15
SAE3120 0,15—0,25 0,8 0,3 0,65 1,25 «ММ 0,04 । *'
133
Таблица 29. Некоторые стали по DIN.
Тип сталей Номер мате- риала Марка по DIN Химический состав, %
С Cr Mo Ni V
0562 GS838 0,15 - - -
Цементованы ые 5622. .. 5919 ..EN15._. 15CrNi6 0,15 0,15 1,5 1 . . 1,5 1,5 -
5752 14NiCrl4 0,15 0,8 — 3,5 —
0619 GS-45 0,25 - . - - -
Улучшенные 0726 GS-60 0,45 « - 1 "
7225 42CrMo4 0,42 1,0 0,2 — —
Азотируемые 6582 8519 34CrNiMo6 31CrMoV9 0,34 0,3 1,5 2,3 0,2 0,15 1,5 0,1
Стали, приведенные в табл. 30, использует фирма Sulzer [4].
В соответствии с широким развитием литья по выплавляемым
моделям в машиностроении в СССР были введены стали (табл. 31)
для производства точных отливок [36]. В табл. 32 приведены
конструкционные легированные стали, используемые в СССР.
В табл. 33 указана термообработка сталей, представленных
в табл. 32. В табл. 34 приведены стали для точного литья, исполь-
зуемые в ГДР согласно стандарту ГДР TGL 14415 группы 293
от 1969 г.
. В ЧССР имеется небольшой выбор сталей для точных отливок.
Было предложено для стандартизации восемь марок сталей в ка-
честве литейных конструкционных сталей, нагружаемых при
нормальных рабочих условиях. Эти марки стали удовлетворили
основные требования конструкторов.
Химические составы, механические свойства и рекомендуемые
области применения сталей даны в табл. 35—42.
Таблица 30. Некоторые литейные стали,
используемые фирмой Gebruder Sul zer - -
Марка стали по DIN 17200 Химический состав, %’ .(средние, величины). Механические свойства после улучшения
С Si Мп Сг Ni Мо V %’ Н/мм2 ат’ Н/мм2 б, %
GS-46,^ 0,15 0,45 0,65 - - .. - - 450—600 230 20
GS-52,6 0,23 0,45 0,65 - II» 520—670 260 18
GS-62,6 0,39 0,45 0,65' 1 600—750 350 - 15
GS-15GrNi6 0,14 0,45 0,5 1,5 1,5 — «1» 700—900 500 18
GS-42CrMo4 0,42 0,45 0.65' 1,0 0,2 11 700—1200 700—800 14—18
GS-50CrV4 0,51 0Л5 0,75 1,0 — — 0,15 700—1300 500—800 7—15
134
Таблица 31. Конструкционные литейные нелегированные стали, применяемые в СССР
Темпе- ратура заливки, °C 1 о 1 о 1 о 1 о- О СО О CD О со О СО О Ю СО Ю СО СО юю Tf < Ю —1 Tf ' I 1500— . 1580 .
,035—0,030%. Физические свойства Коэффи- циент теплопро- водности, |кал/см.с - град| 0,125 (20° С) 0,095 (15° С) 0,095 (20° С) 0,Q85 (20° С) О О 00 о о
ы должно быть максимум 0 t СССР - Коэффициент линейного расширения, 1/град ^guuuu».ииии О СО ° о о о <->о о о о । 0-0 О О. I о о о о 1 О СО « СО СО СО < S8 1 1 1 1Й 1 I 1.1 . <ОсЗо ЮЮЮ ООО ю ю о Q Q ® ® СО J-j СО «О СО СО дX। । । i^i । । । . .ОООО .ОООО * «—« 1 »—' 1 СО М1 СО СО М1 ч СО ▼—4 т-Ч
а и сер п ф 3 3 о к к ф 3 S ' Л ей QH’ Дж/см2 о о ю о ”Ф СО СЧ -Kt< со
Л о •О* о о •е <и я я н о « о л о * ч© ю о ю о СЧ —н см сч
CL С •» S <и я я о «О сч сч со о ю
Л а си - <и о и я 3 к я ь 1 “ ' ' егированные литейные стал <и я Я я л X си <гт, 1 Н/мм2 ООО о о ю о о ю . со о - со 1200
S сч 3 « S , ° X ООО о ю ю о о СО СО О 00 1500
и Л си л 8 X СО СО 1© СО о о" о о 1 00
ных деталей с чо о4^ РЗ Л н о. 1 -Ч со 1 оо 1 о °о~о'> о о tl о4^
ч 3 ж ж о о о »я я я Мп 1 о I со 1 оо 1 со О о —< —< —< 0,9— 1,2
я л Я >> си л о ж Д ж 2 н и Ф Я я 3 я X со 1 сч 1 OJ 1 г> I «э“- е>°ооо° о 0,5— , 0,8
очень f . . i Таблица 32. Коне О; 1 1© 1 1© 1 00 1 -н Ю^ЮтЬСО^ J. . «о-^О’-о 5° ООО ° 0,2— 1 0,3
-♦ Для Марка стали. 1 * . Л --< i=: t Н X . и X X О О со Ю ”Ф со X X сч
135
Таблица 33. Термообработка, рекомендуемая для сталей,
приведенных в табл. 32
Марка стали Термообработка
40ХЛ Закалка с температуры 850° С в масле, отпуск при 600—650° С
40ГЛ Нормализация при 860—880° С, отпуск при 500—600° С
16ХГТЛ Закалка с температуры 890—910° С в масле, отпуск при 160° С
35ХГСЛ Закалка с температуры 870—880° С в масле, отпуск при 630— 670° С
27ХНГЛ Закалка с температуры 890° С в масле, отпуск при 220° С
Примечание. Содержание фосфора и серы допускается (максимально) 0,04%,
меди 0,3%. В стали 40ГЛ возможно максимальное содержание серы 0,035%. Встали
16ХГТЛ может быть 0,06—0,12 титана и 0,2% молибдена.
Таблица 34. Некоторые стали, используемые в ГДР
Марка стали Химический состав, % Механические свойства Состояние ч
С Si Мп Сг %’ Н/мм2 в, %
GS16MnCr54 0,14— 0,20 0,3- 0,5 1,0- 1,3 0,8— 1,1 Не ме- нее 800 Не ме- нее 1 После цемен- тации, закале- на, отпущена
GS45 GS40 0,2— 0,3 0,3— 0,5 0,4— 0,8 — 50 12 После норма- лизации
Сг4 0,35— 0,45 0,2— 0,4 0,5— 0,8 0,8— 1,1 650 4,0 После улуч- шения
136
Таблица 35. Углеродистая сталь для литья по выплавляемым моделям
(выплавляется в электропечах). Обозначение ON 422602 JK 1622
Группа материалов по &N 420006 Общего назначения
* Сорт отходов по &N 420030 002
Химический состав (ана- лиз плавки), % До 0,4— 0,2— 0,18 С 0,8 Мп 0,5 Si 0,04 Р 0,04 S 0,07 Р -+ + s
Дополнительно вводи- мые элементы Сг не более 0,25
Дополнительные техни- ческие сведения о стали &N 421251
Обозначение материала и состояния 422602.1 422602.4
Состояние После нормализации После закалки и отпуска *
Минимальный предел текучести, Н/мм2 245 373
Предел прочности при растяжении, Н/мм2 Не менее 290 Не менее 638
Минимальное относи- тельное удлинение, % 21 6
Минимальное относи- тельное сужение, % 49 10
Минимальная ударная вязкость (образцы с над- резом R3), Дж/см2 34,3
Твердость: НВ HRC HV 130 Не менее 192 62 ** 770**
Свариваемость Хорошая
• Величины механических свойств сердцевины достигаются после закалки с тем-
пеРатуры, соответствующей температуре закалки цементуемого слоя.
Твердость цементованного и закаленного слоя без отпуска. Величины механи-
ческих свойств относятся к образцам, изготовленным из опытных блоков по CSN 421251-
1,37
Продолжение табл. 35
Рекомендуемые температуры термообработки
Вид термообработки Температура, °C Охлаждение
Нормализация . Полный отжиг Цементация: в порошках в солевой ванне ..... в газовой среде .... . Закалка . Отпуск 900—920 680—720 860—880 900—920 910—930 780—800 180—220 Спокойное на воздухе В печи В воде, тонкие стенки — в масле Спокойное на воздухе
Свойства, которые не являются предметом испытаний при приемке: плот-
ность при 20° С, равная 7,86 кг/дм3, линейная усадка при затвердевании 2,2—
2,35%.
Характеристика стали и области ее применения. Пригодна для отливки
деталей с толщиной стенки от 5 мм и более, предназначенных для цементации,
с высокой стойкостью против истирания при средней прочности и максимальной
вязкости сердцевины; также для деталей, дополнительно деформируемых в хо-
лодном состоянии, или для деталей, в которых сверлятся отверстия или наре-
зается резьба. Из этой стали изготовляют малые слабо нагруженные консоли,
зубчатые колеса, детали счетных и швейных машин, простые и сложные рычаги,
зубчатые сегменты, вилки, коромысла, валики коромысел, захваты, ролики,
детали приспособлений и тому подобные машиностроительные детали.
Таблица 36: Кремнистая сталь для литья по выплавляемым моделям
(выплавляется в электропечах). Обозначение ON 422819 JK 1622
Группа материалов по CSN 420006 Общего назначения
Сорт отходов по CSN 420030 002
Химический состав (ана- лиз плавки), % С Мп Si Р S P+S
не более
0,45—0,55 0,60—0,90 0,50—0,90 0,04 0,04 0,07
Дополнительные техни- ческие сведения CSN 421251
Обозначение материала и состояния 422819.1 422819.4 422819.4 422819.6 422819.7
138
Продолжение табл. 36
Состояние После норма- лизации После по- верхностной закалки После закалки ' 1 г После улуч- шения После - УЛуЧ- , шений .
Минимальный предел текучести, Н/мм2 345 — — 490 ' 640'
Предел прочности при растяжении, Н/мм2 Не бо- лее 785 — —- 730—880 930—1080
Минимальное относи- тельное удлинение, % 12 — — 14 8
Минимальное относи- тельное сужение, % — — — 'Г —— «.*4. Ж.'
Наименьшая ударная вязкость (образцы с над- резом R3), Дж/см2 — — i 49 34,3
Твердость: НВ HRC Не бо- лее 225 55± 5 40 ± 5 223—269 285—331
Свариваемость ... - Плохая -
Примечание. Механические свойства относятся к образцам, изготовленным
из опытных блоков по CSN 421251.
Рекомендуемые температуры термообработки.
Вид термообработки Темпер атура, °C Охлаждение
Нормализация Полный отжиг Закалка . . . . . . . . . Улучшение Поверхностная закалка отпу- ском Закалка с отпуском ..... 840—860 680—720 830—860 500—600 180—220 300—450 Спокойное на воздухе ' Медленное в печи : В масле На воздухе То же
Свойства, которые не являются предметом испытаний при приемке: плот-
ность при 20° С, равная 7,80 кг/дм3; линейная усадка при затвердевании 2,0—
2,1%; общая толщина обезуглероженного слоя после литья 0,5 мм.
Характеристика стали и области ее применения. Пригодна для отливки
деталей, у которых после улучшения требуется средняя величина предела проч-
ности и предела текучести и которые могут иметь поверхностную или местную
закалку. Сталь отличается хорошей жидкотекучестью. Из этой стали изготов-
ляют сложные отливки с минимальной толщиной стенки 2 мм, например про-
фильные сложные опрокидывающие или. поворотные консоли, малые рабочие
колеса насосов и компрессоров, скобы микрометров, подвески, рычаги, балан-
сиры и другие некрупные машиностроительные детали.
139
Таблица 37. Хромоникельмолибденовая сталь для литья по выплавляемым
моделям (выплавляется в электропечах). Обозначение ON 422853 JK 1622
Группа материалов по &N 420030 Общего назначения
Сорт отходов по CSN 420030 046
Химический состав (анализ плавки), % С Мп Si Сг Мо Ni р S р + + S
не более
До 0,18 0,5— 0,9 До 0,6 0,5— 0,8 0,2— 0,35 0,5— 0,7 0,04 0,03 0,06
Дополнительные технические сведе- ния о стали CSN 421251
Обозначение мате- риала и состояния 422853.3 422853.4
Состояние После полного отжига После закалки
Минимальный пре- дел текучести, Н/мм2 — 590
Пр едел пр очн ости при растяжении, Н/мм2 Не более 590 Не менее 880
Минимальное отно- сительное удлине- ние, % — 7 .
Минимальное отно- сительное суже- ние, % 25
Минимальная удар- ная вязкость (об- разцы с надрезом R3), Дж/см2 49
Твердость: НВ HRC HV Не более 170 269 62 770
Свариваемость Плохая
140
Продолжение табл. 37
Рекомендуемые температуры термообработки
Вид термообработки Температура, °C Охлаждение
Нормализация Полный отжиг Цементация: в порошке в солевой ванне в газовой среде 1-я закалка 2-я закалка Отпуск 880—900 680—720 860—880 900—920 910—930 860 800—820 180—220 На воздухе В печи в течение 4 ч В масле или солевой ванне В масле или солевой ванне На воздухе
Свойства, которые не являются предметом испытания при приемке: плот-
ность при 20° С, равная 7,84 кг/дм3; линейная усадка при затвердевании 2,1 —
2,3%.
Характеристика стали и области ее применения. Пригодна для отливки
деталей, предназначенных для цементации, с твердым поверхностным слоем,
хорошей вязкостью и максимальной прочностью сердцевины. Из этой стали
изготовляют нагруженные профильные детали, валы, зубчатые колеса, храпо-
вики и собачки, направляющие, кулачки, колодки, замки стрелкового оружия,
вилки, сложные коленчатые и вилочные рычаги, небольшие зубчатые муфты,
сложные консоли, детали канцелярских, сортировочных и других машин, детали
захватов, шестерни, шлицевые валы, карданные шарниры и т. п.
Примечания: 1. Перед полным отжигом следует проводить норма-
лизацию.
2. Величины механических свойств сердцевины достигаются после закалки
с температуры, соответствующей температуре закалки цементуемого слоя.
3. Твердость цементованного и закаленного слоя — без отпуска. Величины
механических свойств относятся к образцам, изготовленным из опытных бло-
ков по 6SN 421251 (рис. 3).
Таблица 38. Хромомолибденовая сталь для литья по выплавляемым моделям
(выплавляется в электропечах). Обозначение ON 422842 JK 1622
Группа материалов по
6SN 42006
Общего назначения
Сорт отходов по CSN 420030 0,48
Химический состав (ана- лиз плавки), % (2 Мп Si Сг Мо Р S Р + + s
не более
0,10— 0,20 0,6— 0,9 До 0,6 0,8— 1,1 0,2— 0,35 0,04 0,04 0,07
141
Продолжение табл. 38
Дополнительные техни- ческие сведения о стали CSN 421251
Обозначение материала и состояния 422842.3 422842.4
Состояние После полного отжига 1 После закалки и отпуска 2
Минимальный предел текучести, Н/мм2 — 490
Предел прочности при растяжении, Н/мм2 Не более 730 До 790
Минимальное относи- тельное расширение, % — 14
Минимальное относи- тельное сужение, % — 30
Минимальная ударная вязкость, Дж/см2 — 39
Твердость: НВ HRC HV Не более 211 До 239 62 770
Рекомендуемые температуры термообработки
Вид термообработки Температура. °C Охлаждение
Нормализация 880—900 На воздухе
Полный отжиг 680—720 Медленное в печи
Цементация:
в порошке 860—880 —
в солевой ванне 900—920 —• *
в газовой среде 910—930 ——.
Закалка 800—810 В масле или солевой ванне
Отпуск . 180—220 На воздухе
Свойства, которые не являются предметом испытаний при приемке: плот-
ность при 20° С, равная 7,84 кг/дм3; линейная усадка при затвердевании 2,2—
2,3%.
Характеристика стали и область ее применения. Пригодна для отливки де-
талей, предназначенных к цементации, с высокой прочностью в сердцевине после
закалки и с хорошей вязкостью. Сталь отличается хорошей жидкотекучестью.
Из этой стали изготовляют нагруженные профильные детали, стойкие к износу,
например цапфы, пальцы, детали захватов, зубчатые колеса, колодки, рычаги,
шатуны, скобы, хомуты, детали прижимов и другие машиностроительные детали.
Примечания: 1. Перед полным отжигом следует проводить норма-
лизацию.
2. Величины механических свойств сердцевины достигаются после закалки
с температуры, соответствующей температуре закалки цементованного слоя.
3. Твердость цементованного слоя — без отпуска. Величины механических
свойств относятся к образцам, изготовленным из опытных блоков noCSN 421251.
142
.Таблица 39. Хромомарганцеванадиевая сталь
для литья по выплавляемым моделям (выплавляется в электропечах).
Обозначение ON 422830 JK 1622
Группа материала по CSN 420006 Общего назначения
Сорт отходов по 0,33
&N 420030
Химический состав (ана- лиз плавки), % С Мп Si Сг V Р S P+S
не более
0,45— 0,55 0,6— 1,0 0,3— 0,8 0,8— 1,1 0,15— 0,25 0,04 0,04 0,07
Дополнительные техни- ческие сведения о стали CSN 421251
Обозначение материала и состояния 422830.3 422830.6
Состояние После полного отжига После улучшения
. - - ( Минимальный предел текучести, Н/мм2 —— 785
Предел прочности при растяжении, Н/мм2 До 690 880—1080
Минимальное относи- тельное удлинение^ % — 9
Минимальное относи- тельное сужение, % — 20
Минимальная ударная вязкость (образцы с над- резом КЗ), Дж/см2 24
Твердость НВ До 197 260—331
Свариваемость Плохая 0
Продолжение табл. 39
Рекомендуемые температуры термообработки
Вид термообработки Температура, °C Охлаждение
Нормализация 860—880 На воздухе
Полный отжиг 680—720 Медленное в печи
Закалка 840—760 В масле или в солевой ванне
Отпуск 600—680 На воздухе
Свойства, которые не являются предметом испытаний при приемке: плот-
ность при 20° С, равная 7,79 кг/дм3; линейная усадка при затвердевании 2,05—
2,15%, общая толщина обезуглероженного слоя на отливке после литья 0,4 мм.
Характеристика стали и области ее применения. Пригодна для отливки де-
талей, предназначенных для улучшения с хорошей ударной вязкостью. Сталь
отличается хорошей жидкотекучестью. Из этой стали изготовляют сильно на-
груженные машиностроительные детали, например валы, кривошипы, рычаги,
кулачки, вилки, детали стрелкового оружия, детали замковых соединений,
рычаги с зубьями, коленчатые валы, цапфы и другие подобные детали.
Примечания: 1. Перед полным отжигом следует проводить норма-
лизацию.
2. Величины механических свойств относятся к образцам, изготовленным
из опытных блоков по CSN 421251.
Таблица 40. Хромомарганцекремнемолибденовая сталь
для литья по выплавляемым моделям (выплавляется в электропечах).
Обозначение ON 422843 JK 1622
Группа материала по CSN 420006 Общего назначения
Сорт отходов по CSN 420030 048
Химический состав (ана- лиз плавки), % (2 Мп Si Сг Мо р S Р + + s
не более
0,35— 0,45 0,7- 1,0 0,3— 0,8 0,8— 1,1 0,2— 1,1 0,04 0,04 0,07
Дополнительные техни- ческие сведения о стали CSN 42 1251
Обозначение материала и состояния 412843.3 422843.6 422843.7
144
Продолжение табл. 40
Состояние После полного отжига После улучшения После улучшения
Минимальный предел текучести, Н/мм2 — 715 885
Предел прочности при растяжение, Н/мм2 До 690 780—930 980—1130
Минимальное относи- тельное удлинение, % — 15 9
Минимальное относи- тельное сужение, % 26 20
Минимальная ударная вязкость (образцы с над- резом R3), Дж/см2 - " 44 1 39
Твердость НВ До 197 239—285 300—345
Свариваемость Плохая
Рекомендуемые температуры термообработки
Вид термообработки Температура, °C Охлаждение
Нормализация . 850—880 На воздухе
Полный отжиг 680—720 Медленное в печи
Закалка 810—850 В масле или в солевой ванне
Отпуск 580—650 На воздухе
Свойства, которые не являются предметом испытаний при приемке: плот-
ность при 20° С, равная 7,76 кг/дм3; линейная усадка при затвердевании 2,1 —
2,3%; общая толщина обезуглероженного слоя на отливке после литья 0,3 мм.
Характеристика стали и области ее применения. Пригодна для отливки
деталей, предназначенных к улучшению, у которых требуется высокий предел
текучести и ударная вязкость. Сталь отличается хорошей жидкотекучестью.
Из этой стали изготовляют шатуны, тяги, скобы, подвески, коромысла, рычаги,
кулачки, валы, лопастные колеса, сложные детали насосов, крюки и другие
детали сельскохозяйственных машин, детали стрелкового оружия, .мелкие на-
груженные детали.
Примечания: 1. Перед мягким обжигом следует проводить норма-
лизацию.
2. Величины механических свойств относятся к образцам, изготовленным
из опытных блоков по CSN 421251.
145
Таблица 41. Никельхромомолибденовая сталь для точных отливок
(выплавляется в электропечах). Обозначение ON 422855 JK 1622
Группа материала по CSN 420006 Общего назначения
Сорт отходов по 046
CSN 420030
Химический со- став, % С Мп Si Сг Мо Ni р S P+S
не более
0,38— 0,48 0,6— . 1.0 0,5— 0,8 0,7- 1.0 0,3— 0,45 1.7- 2,0 0,04 0,03 0,06
Дополнительные технические све- дения о стали CSN 421251
Обозначение ма- териала и вида термообработки 422855.3 422855.7 422855.8
Состояние После полного отжига После улучшения После улучшения
Минимальный предел текучести, Н/мм2 — 880 . 1030
Предел прочности при растяжении, Н/мм2 До 730 932—1079 1130—1280
Минимальное от- носительное удли- нение, % . — 12 5
Минимальное от- носительное*. су- жение, % — 30 13
Минимальная ударная вязкость (образцы с надре- зом R3), Дж/см2 — 49 20
Твердость: НВ HRC HV До 211 285—331 345—385
Свариваемость Плохая
146
Продолжение табл. 41
Рекомендуемые температуры термообработки
Вид термообработки Температура, °C Охлаждение
Нормализация 850—720 На воздухе
Полный отжиг 680—720 Медленно в печи
Закалка 810—850 В масле
Отпуск 450—550 На воздухе
Свойства, которые не являются предметом испытаний при приемке: плот-
ность при 20° С, равная 7,77 кг/дм3; линейная усадка при затвердевании 2,0—
2,1%; общая толщина обезуглероженного слоя на отливке после литья 0,1 мм.
Характеристика стали и области ее применения. Пригодна для отливок-
деталей, предназначенных к улучшению, с высоким пределом текучести и вы-
сокой ударной вязкостью. Сталь отличается хорошей жидкотекучестью. Из этой .
стали изготовляют шатуны, тяги, скобы, подвески, коромысла, рычаги, ку-
лачки, валы, лопастные колеса, сложные детали насосов, крюки и другие
детали сельхозмашин, детали стрелкового оружия, мелкие нагруженные
детали, конические зубчатые колеса, шлицевые валы, карданные сочленения,
колеса компрессоров, муфты тяговых двигателей и т. п.
Примечания: 1. Перед полным отжигом нормализовать.
2. Величины механических свойств относятся к образцам, изготовленным
из опытных блоков по CSN 421251.
Таблица 42. Хромомолибденованадиевая сталь для точных отливок
(выплавляется в электропечах). Обозначение ON 422848 JK 1622
Группа материала по CSN 420006 Общего назначения
Сорт отходов по &N 420030 049 .
Химический со- став (анализ плав- ки), % с Мп Si Сг Мо V Р S ' Р + + s
не более
0,28— 0,38 0,4- 0,7 0,3— 0,6 2,8— 3,5 0,4— 0,7 0,12— 0,25 0,04 0,04 0,07
147
Продолжение табл. 42
Дополнительные технические све- дения о стали CSN 421251
Обозначение ма- териала и состоя- ния 422848.3 422848.7
Состояние После полного отжига После улучшения
Минимальный предел текучести, Н/мм2 — 640
Предел прочности при растяжении, Н/мм2 До 730 780—930
Минимальное от- носительное удли- нение, % — 7
Минимальное от- носительное су- жение, % — 10
Минимальная ударная вязкость (образцы с надре- зом R3), Дж/см2 —— 34
Твердость: НВ HRC HV До 211 239—285
Твердость азоти- рованного слоя ' —-— 750
Свариваемость Плохая «
148
Продолжение табл. 42
Рекомендуемые температуры термообработки
Вид термообработки Температура, °C Охлаждение
Нормализация Полный отжиг Закалка Отпуск . Азотирование 850—880 700—740 850—880 600—680 500 На воздухе Медленное в печи В масле На воздухе
Свойства, которые не являются предметом испытания при приемке: плот-
ность при 20° С, равная 7,76 кг/дм3; линейная усадка при затвердевании 2,1—
2,25%, общая толщина обезуглероженного слоя на отливке после литья 0,15 мм.
Характеристика стали и области ее применения. Пригодна для отливки
деталей, предназначенных для улучшения и азотирования; гарантируется твер-
дый износостойкий поверхностный слой с сердцевиной высокой прочности и
вязкости. Из этой стали изготовляют детали, противостоящие динамическим
нагрузкам, например тяги, шлицевые валы, подающие пятки (башмаки) швей-
ных машин, детали захватов, выталкиватели, рычаги толкателей, кулачковые
валы, плунжеры, вентили, седла, валы насосов, мелкие детали фотоаппаратов
и принадлежности к ним.
Примечание. Перед полным отжигом следует проводить нормали-
зацию. Величины механических свойств относятся к образцам, изготовленным
из опытных блоков по CSN 421251.
Кроме приведенных сталей, которые имеют хорошие литейные
свойства и удовлетворяют требованиям заказчиков, применяют
стали, имеющие химический состав, подобный деформируемым
сталям, например CSN 12020, 12060, 14260, 14340, 15421, 15260,
14100, 15230, 16220 и т. д.
Химические составы и механические свойства в этих норма-
лях даны применительно к деформируемому состоянию металла.
В случаях, когда эти стали используют для изготовления точных
отливок, требуется уточнение и особая договоренность между
изготовителем и потребителем о том, какие механические свойства
должен иметь литой металл.
7.2.2. КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ (НЕРЖАВЕЮЩИЕ)
И ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ
Коррозионно-стойкие стали и жаростойкие никелевые и ко-
бальтовые сплавы, используемые в Англии, стандартизованы
(BS 3146). Коррозионно-стойкие стали по SAE 60302—60400F
обозначаются только последними тремя цифрами.
В США различают коррозионно-стойкие (нержавеющие) неза-
каливаемые аустенитные стали типа Сг—Ni, серии 300; незакали-
ваемые ферритного типа (хромистые) и закаливаемые мартенсит-
ного типа (также хромистые), серии 400. Нержавеющие (упроч-
няемые) стали имеют специальное обозначение.
149
Таблица 43. Химический состав, %,
некоторых стандартизованных коррозионно-стойких и жаростойких сталей,
применяемых в ЧССР для литья по выплавляемым моделям
Марка стали по- CSN С Мп Si Сг Ni Мо р S
не ( 5олее
19436 1,8—2,05 0,2—0,45 0,2—0,45 11,0— 12,5 До 0,5 — 0,03 0,03
422931 До 0,15 1,0—1,5 1,0-1,4 0,3—0,5 18—21 8—11 — 0,045 0,045
422906 0,15—0,25 0,4—0,7 12—14 До 1,0 — 0,04 0,04
422932 0,15—0,35 1,5—1,8 1,0—2,0 17—22 8—11 — 0,045 0,04
422934 0,25—0,45 До 1,5 1,0—2,0 20—23 9—11 0,045 0,045
422936 0,25—0,5 » 1,5 До 2,0 24—27 12—14 — 0,045 0,04
422942 До 0,2 » 1,5 » 2,0 18—20 9—11 2,0— 2,5 0,045 0,04
422952 До 0,2 или 0,3—0,45 » 1,5 0,75—1,75 24—27 20—22 До 0,5 0,045 0,04
В ЧССР не существует специальных коррозионно-стойких и
жаростойких сталей для литья по выплавляемым моделям; обычно
используют стали того же состава, что и стандартные литейные
стали, заливаемые в песчано-глинистые формы. Некоторые стали
приведены в табл. 43. Так как эти стали высоколегированные,
то их литейные свойства, за некоторым исключением, лучше, чем
углеродистых сталей. Исключением являются хромистые, феррит-
ные и полуферритные стали (ZJN 422906). Эти стали имеют склон-
ность к образованию прочных окисных пленок на поверхности
металла, заливаемого в форму. Образование таких окисных пле-
нок наблюдается у сталей, содержащих 0,1—0,2% С и до 17% Сг.
Эту склонность можно снизить присадкой легирующих элементов,
которые имеют более высокое сродство к кислороду, как, напри-
мер, 0,2% бора или 0,4% силикокальция [37]. С уменьшением
окисных пленок в металле одновременно повышается его жидко-
текучесть.
В ЧССР также проводится работа по выбору коррозионно-
стойких и жаростойких сталей и сплавов с учетом растущих
требований к термической прочности отливок. В табл. 44—52
приведены химические составы, механические или физические
свойства и рекомендации по использованию в различных средах
коррозионно-стойких и жаростойких сталей, а также специальных
сплавов, используемых в некоторых промышленно развитых
странах для производства точных отливок. К ним относится
сталь РЕХ 326, имеющая следующий химический состав, %:
0,2—0,25 С, 0,8 Si, 0,8—3,0 Мп, 7,0 Со, 16—17 Сг, 3—4 Мо, 17 Ni,
0,8 Ti, 2,5 Nb, 3,0 Си, 1,0 Al.
150
Таблица 44. Высоколегированные коррозионно-стойкие и жаростойкие стали и специальные сплавы
по британским стандартам
Химический состав, % Со 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 9—11
н 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Си tF tF tF о о о 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Мо IQ Ю lQ ООО 1 1 1 3—4 2—3 2,25—3,75 1 1 1 1 1 1,5—2,0
и. и ю ю ю *> •* СО СО СО 777 ю ю ю •ч *> •> 15,5—20,0 До 17,0 17,0 18—20 16,5—18,5 16,5—18,5 22—27 15—25 10 20—25 20—25 1 00
Z ООО *> СО о 1 о •ч До 7,5 7,5 11—14 10 10 17—22 36—46 55 10—15 10—15 12—14
Мп ООО »ч •* о О о см см ООО см см см ООО см см см О о •ч «ч 0,5—1,0
•1^ GO ю ю ю см см см •Ч *4 »Ч 1,0—1,0 о о см см ю ю ю »Ч Г>. *4 ООО со со со 0,75—2,0 0,75—2,0 0,6—1,6
и 0,15 0,15—0,20 0,20—0,30 0,25 0,12 0,12 00 00 см О О ’-ч ООО ю o' о" о" 0,15—0,30 0,5—0,3 ^F О 1 со о
Класс <1X10 < CQ <CQO < CQ О < СО
Марка стали ANC1 ANC2 ANC3 ANC4 ANC5 1 ANC6 ANC7
L51
Продолжение табл. 44
Марка стали Класс . . , Г Химический состав, %
С Si Мп Ni Сг Мо Си Ti Со
ANC8 0,05—0,15 0,2—1,0 0,2—1,0 — 18—22 — 0,2—0,6 —
ANC9 0,03—0,18 0,2—1,0 0,2—1,0 Т 18—22 _____ 2—3
ANC10 0,05—0,12 0,2—1,0 0,2—1,0 18—22 ——— 2—3 15—20
ANC11 0,27—0,4 0,2—0,5 0,8—0,5 18—23 9,5—11 — 0,3 9—11
ANC12 0,1 1,0 1,0 — 20—23 9,0—10,5 — 2,2—2,8 10
ANC13 0,45—0,6 1,5 1,5 9,5—11,5 24,0—27,0 — — — Остальное
ANC14 0,2—0,3 1,0 1,0 1,75— 3,75 25,0—29,0 5,0—6,0 — — »
ANC15 0,02—0,12 0,5—1,2 0,5—1,2 Осталь- ное — 26,0—30,0 — — —
ANC16 0,5—0,15 0,5—1,2 0,5—1,2 То же 15,5—17,5 16,0—18,0 — — ———
ANC17 0,05—0,12 8,5—10,0 0,5—1,2 * То же — — 2,0—4,0 — " —
ANC18 А 0,1—0,3 0,5—1,5 0,5—1,5 То же , - Т 28,0—32,0 . —
В 0,05—0,15 2,5—3,0 0,5—1,5 » — — 1 28,0—32,0 "
1 С 0,05—0,15 3,5—4,5 0,5—1,5 » — — 28,0—32,0 —
Продолжение табл. 44
Химический состав, % Механические свойства
Марка стали Класс Fe W Nb Al Mg s Р ®В’ Н/мм2 •V Н/мм2 *чО в© Характеристика
ANC1 А В — — 4 — — 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 350—550 400—630 450—710 240—380 250—460 380—470 20 18 15 Стойкая против коррозии, в умеренно окислительной атмосфере
ANC2 — — — — — 0,045 0,045 550—970 450—710 10 Имеет высокую прочность при растяжении и стой- кость против коррозии, в умеренно окислительной атмосфере
ANC3 А В 1,10 — 5ХС — — 0,045 0,045 0,045 0,045 380—480 380—470 135—210 135—210 25 25 Аустенитная коррозионно- стойкая сталь общего на- значения
ANC4 А В С 1,0 — 5ХС — 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 300—470 300—470 300—470 135—210 135—210 135—210 15 15 Коррозионно-стойкая сталь, устойчивая к кис- лотам Подобна стали ANC3, имеет повышенную стойкость про- тив коррозии Сталь С стабилизирована против коррозии сварного шва
ANC5 А В С III — 1 1 1 — 1 1 1 1 1 1 — — 1 1 1 —— Имеет высокую стойкость при высоких температурах в окислительной и восста- новительной атмосфере при низком содержании серы. Сталь классов В и С имеет большее сопротивление уда- рам^ чем сталь класса А
Продолжение табл. 44
Марка стали Класс Химический состав, % Механические свойства Характеристика т
Fe W Nb А1 Mg S р %* Н/мм2 ат’ Н/мм2 б, %
Стойкая против окисли-
ANC6 А — — — — — 0,045 0,045 300—470 — 20 тельной и восстановитель- ной атмосферы и в присут-
В 2,5—3,5 —• 0,045 0,045 300 — 20 ствии высокого содержания* серы. Сталь марки 6В более
• стойкая, чем сталь 6А
ANC7 • 2—3 2,5—3,5 — — 0,045 0,045 350—550 200—300 — Более стойкая, чем стали ANC6AjH ANC6B
ANC8 5,0 — 1 0,1—0,4 — — — 270—420 — 5 Сплав стойкий против окисления при высоких тем- пературах
ANC9 5,0 0,8—1,6 370—580 270—420 5 Имеет высокую стойкость против окисления при вы-
ANC10 5,0 — / 0,8—1,0 —— — 370—580 270—420 5 соких температурах, стой-
ANC11 1,0 - - — 0,2 - 370—420 5 кость против тепловых
ANC12 Со — 0,5—0,9 — — — 330—570 — 5 ударов, высокую стойкость против крипа, высокое со- противление к коррозии
Продолжение табл. 44
Марка ' стали Класс Химический состав, % Механические свойства Характеристика
Fe W Nb Al Mg S p Н/мм2 Н/мм2 б, %
ANC13 2,0 6,5—8,5 — — — — 420—660 270—420 5 Имеет высокую стойкость против коррозии и более высокую прочность при рас- тяжении, чем сталь ANC12; высокое сопротивление кри- пу
ANC14 3,0 — — — — — . — 400—630 280—440 5 Как сплав ANC12, но с по- вышенным сопротивлением износу
ANC15 4,0—7,0 — — — — 0,02 — 300—470 150—240 10 Жаростойкий сплав, стой- кий против горячей кон- центрированной НС1
ANC16 4,0—7,0 3,75— 5,25 — —- — 0,03 — 280—440 150—240 5 Стойкая против горячих концентрированных кис- лот, жаростойкая
ANC17 2,0 " —-- . —- 0,03 — 200—310 " Стойкая против коррозии сернистым газом SOe
ANC18 А В 3,0 3,0 _.3,0. — III 1 1 Г » t 0,07— 0,12 0,07— 0,13 0,07— 0,13 0,05 0,05 0,05 1 1 ’ 1 200—310 280—410 350—600 75—120 150—240 320—500 15 10 Сплавы стойкие против воз- действия неорганических кислот, соленой воды и истирания
Таблица 45. Никелевые сплавы, используемые для точных отливок в США и в Англии
Химический состав, %
Сплав c Mn Si Сг Мо W Со Си
Hastelloy 'С (AMS 5388) Hastelloy X (AMS 5390) Inconel (Alloy 610 AMS 5665) . . 0,12 0,2 0,4 1,0 1,0 1,5 1,0 1,0 3,0 15,5—17,5 20,5—23,0 14—17 16,0—18,5 8—10 3,75—3,25 0,2—0,1 2,5 0,5—2,5 0,5
Химический состав, °, 4) Механические свойства
Сплав Fe . V Nb+ + Ta Ni ав’ Н/мм2 СТТ- Н/мм2 6. % Твердость Характеристика
Hastelloy C (AMS 5388) Hastelloy X (AMS 5390) Inconel (Alloy 610 AMS 5665) . . 4,5— 7,0 17—20 11 0,2- 0,04 1—3 Осталь- ное To же » 560 * 600 ** 500 * 460—630 350 * 430 ** 320 * 225—350 10 * у ** 12 * 20—10 HRC 25 * HRC 37,5 ** HRC 87 * HRC 150— 200 Стойкая против корро- зии. Жаропрочная до 985° С и жаростойкая до 1096°С Имеет высокую стой- кость к окислению до 1200° С. Имеет высо- кую прочность вплоть до температуры 815° С Стойкая к коррозии и температурам до 1095° С. Подвергается старению. Для высо- ких температура при небольших напряже- ниях
* В литом состоянии. ** После старения.
Примечание. Помимо сплавов, приведенных в таблице, для литья по выплавляемым моделям применяют также сплавы Hastel-
loy В, Hastelloy N, Multimet (N155), Cast Monel (420), Inconel S (705), S Monel (505), Illium G, Thetalloy, Hastelloy D.
Таблица 46. Кобальтовые сплавы для точных отливок, применяемые в США
Химический состав, %
Сплав
Мп
Сг W
Мо
Ni
6 (AMS—5387) 0,9—1,4 1,0 1,5
21 (AMS—5385) 0,2—0,3 1,0 1,0
31 (X) 40 (AMS—5382) .... 0,45—0,55 1,0 1,0
Star J 2,2 т—2,7 1,0 1,0
27,0—31,0 3,5—5,5 1,5 3,0 3,0
25,0—29,0 — 5,0—6,0 1,75—3,75 3,0
24,5—26,5 7,0—8,0 — 9,5—11,5 2,0
31,0—34,0 16,0—19,0 — 2,5 3,0
Химический
состав, %
Механические свойства
т
Н/мм2
Твер-
дость
Характеристика
Сплав
В Со
в’
Н/мм2
6 (AMS—5387) — Осталь- ное 808,4 *
21 (AMS—5385) 0,007 То же 365 * 870 **
31 (X) 40 (AMS—5382) .... — » 800 *
Star J 0,3 » —
665 * 3 * 41 * Стойкий против истирания и эро-
10 * зии; имеет высокую твердость и стойкость к окислению до 870° С Имеет высокую прочность до тем-
770 ** 1,7 ** 4g ** пературы 815° С, высокую стой- кость против тепловых ударов и окисления до 1095° С
562,4 * 8,0 * 34* Подобен сплаву 21, имеет высокую прочность при высоких температу- рах
1 11 53 Для режущих инструментов. Имеет высокую стойкость против истира- ния и низкий коэффициент трения
* В литом состоянии.
•• После старения.
СЛ
5; Таблица 47. Коррозионно-стойкие й жаростойкие стали, используемые в США
оо __________________________________________________________________
Сталь Химический состав, % Механические свойства • Характеристика
С Мп Si Сг • Ni Мо сь + + Та Си S 04 S S £ а О (N S д К н to 6, % Твердость по Роквел- лу
Серия 300 Отожженные и быстро-
302 (1) * 0,2 1,5 1,0 17—19 8—10 0,5 — — — 490 245 35 В 85 охлажденные. Имеют наивысшую коррозион-
303(4) * 0,12 1,5 1,0 9,0 19 — — — ’0,25 490 245 35 В 85 ную стойкость из всех сталей. Наивысшую кор-
304 (2) * 0,08 1,5 1,0 17—19 8—10 0,5 — — — 490 245 35 В 85 розионную стойкость имеет сталь 316; в уело-
310,(4) * 0,2 2,0 2,0 23—27 19—22 0,5 — — — 455 245 35 В 85 виях высокотемператур- ной коррозионной на-
З1в;(1) * 0,08 1,5 2,0 22—26 12—15 — — — — 560 280 30 В 85 грузки — сталь 310. Сталь 347 имеет высокую
347 (3) * 0,1 2,0 1,5 18—21 9—12 0,5 юхс 490 245 30 В 85 стойкость против меж- кристаллитной корро- зии. Остальные стали — обычного назначения
Сталь Химический состав, %
С Мп S1 Сг Ni Мо СЬ+Та Си S
Серия 400 430 0,15 1,0 1,0 16—18 До --- ---
446 0,5 1,0 2,0 26—30 1,0 4,0 0,5
410 (1) * 0,5— 1,0 1,0 11,5— — —— — ——
416(3)* 0,15 0,15 0,25 1,5 13,5 11,5— 1,0 0,5
426 (3) * 0,2— 1,0 1,5 14,0 10,5— 1,0 0,5
431 (2) * 0,4 0,3 1,0 1,5 14,0 18—21 2,0 — — — —
440А (2) * 0,6— 1,0 1,0 25—27 4,75 1,75 2,75
440С(3)* 0,75 0,95— 1,0 1,0 16—18 0,75 0,75— 0,5
17.4РН (2) 1,25 ’ 0,06 0,7 0,5— 15,5— 3,6— 0,35 0,15— 2,8— 0,05
(2) — — • - - г 1 16,7 4,6 . А 0,4 3,5 ! ~
. С хорошими литейными свойствами.
Ш > • • 1 . . т . -
^0 —----- ..4----------------—-i.---------------
Пр(^олжениетабл',47
1 !' ‘ .........- .- - - - 1 . .
Механические свойства
гин/н Л о X н to «о Твердость по Роквеллу Характеристика
5273 — 15 В 100 Незакаливаемые мартен- ситные коррозионно-
550 10 В 100 стойкие при 600° С
1400 1050 6 С 42 Закаливаемые мартен- ситные. В связи с проч-
1120 910 5 С 38 ностью и твердостью
490 280 15 В 95 очень стойкие к износу
1400 1050 3 С 46 истиранием. Пригодны для деталей турбин, де-
630 420 12 С 28 не более талей типа ножей. Ма- гнитны и не так стойки
1 ' С 50 С 28 не более против коррозии, как ферритньщ и ’аустенит- ные стали
— — , яв— С 58
630 420 1 С 30 не более Коррозионно т стойкая сталь для -диффузионной
1050 700 1050 10 6 С 30 G 40 закалки; > применяется в условиях высокой прочности и стойкости к коррозий; имеет высо- кую прочность при температуре до 430° С
5; Таблица 48. Коррозионно-стойкие, кислого- и жаростойкие стали, используемые в ФРГ
Марка стали по DIN 17200 Химический состав, % Харак- тери- стика Марка стали по DIN 17200 Химический состав, % Харак- тери- стика
С Сг Мо Ni Мп W С Сг Мо Ni Мп W
G-X20CrMol3 0,2 12,5 1,2 — — — G-X130Cr29 1,3 29,0 — — — и».,.. •
G-X35CrMol7 0,35 16,5 1,2 — — — G-X30CrNiSil89 0,3 18,0 — 9,0 "
X90CrMoVCol7 0,9 16,5 0,5 — — ' Стойкие G-X25CrNiSi2014 0,2 20,0 — 14,0 — —
G-X120CrMo292 1,2 28,0 2,2 — — — против G-X40CrNiSi2520 0,4 26,0 — 20,0 —— — Жаро- стойкие
G-X40CrNiMo274 0,4 27,0 2,2 4,5 — — кислот G-X45CrNiW180 0,4 18,5 — 8,3 1,0 1,0
G-X15CrNiMol89 0,1 18,0 2,2 10,0 — —
G-X10CrNiMoNbl80 0,1 18,0 2,2 11,5 — —
Таблица 49. Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали, применяемые в СССР
Марка стали Химический состав, % Механические свойства Состояние
С Si Мп Сг Ni Н/мм2 sww/h 6, % Ф, % ан’ Дж/см2
10Х13Л СО, 15 0,2—0,7 0,3—0,6 12,0— 14,0 0,5 550 400 20 50 80 После отжига пр и 950° С, закалки с 1050° С в воде и отпуска при 750° С, охла- ждение на воздухе
Продолжение табл: 49
. Дошкарж и др.
Марка стали Химический состав, % Механические свойства Состояние
С Si Мп Сг Ni 04 S - омХ 04 S S еГх б. % % ‘Ф 04 2 о а®^
10Х18Н9ТЛ СО, 12 0,2—1,0 1,0-2,0 17,0— 20,0 8,0—11,0 450 200 25 32 60 После закалки с 1100° С в воде
15Х25ТЛ 0,1—0,2 0,5—1,2 0,5—0,8 23,0— 27,0 0,5 450 280 — — — Без термической обработки
75Х28Л 0,5—1,0 0,5—1,3 0,5—0,8 26,0— 30,0 0,5 350 — — — — То же
185Х34Л 1,5—2,2 1,3-1,7 0,5—0,8 32,0— 36,0 0,5 400 — — — — »
10Х17НЗСЛ 0,05— 0,12 0,8—1,5 0,3—0,8 15,0— 18,0 2,8—3,8 1000 750 8 15 20 После отжига при 600— 700° С, закалки с 1050° С в масле, отпуска при 300— 350° С, охлаждение на воз- духе
513Л 0,09— 0,15 0,2—0,8 0,2—0,8 11,5— 13,5 2,3—3,0 900 750 7 18 20 После закалки с 1050° С в масле и отпуска
Примечание. В сталях 75Х28Л и 185Х34Л содеежание S не более 0,1%, Р не более 0,1%; в остальных сталях 0,03% S и 0,0035% Р;
в стали 10Х18Н9ТЛ содержание Ti до 0,06%; в стали 513Л содержание V 0,18—0,28%, содержание W 1,6—2,2%; в стали 15Х25ТЛ содер-
жание Ti 0,4—0,8%; во всех сталях ограничено содержание Си (0,3%).
Таблица 50. Свойства коррозионно-стойких и жаростойких сталей,
приведенных в табл. 49
Марка стали Физические свойства
Плот- ность Коэффициент тепло- вого расширения, 1/град Коэффи- циент теплопро- водности, Вт. м^К 1 Темпер атура заливки, °C Линей- ная (сво- бодная) усадка, %
10Х13Л 7,74 1Ы0-’ (20—100° С) 12-10-’ (20—500° С) 25,3 (100° С) 26,9 (300° С) 29,0 (500° С) 1630—1650 2,0
10Х18Н9ТЛ 7.9 14,8-10-’ (20—100° С) 16,9-10-’ (20—300° С) 17,6-10-’ (20—500° С) 18,4-10-’ (20—700° С) 16,4 (100° С) 18,9 (300° С) 21,9 (500° С) 24,8 (700° С) 28,5 (900° С) 1630—1660 2,1
15Х25ТЛ 7,3 -1 - — 1600—1640 1,7
75Х28Л 185X34Л 7,4 10-10-’ (20—200° С) 14-10"’ (20—600° С) — 1600—1630 1,8
10Х17НЗСЛ 7,8 10-10-’ (20—100° С) 10,7-10-« (100—200° С) 13,6-10"’(200—300° С) 14,3-10"’(300—400° С) 15,1 • 10" ’ (400—500° С) 19,9 (100° С) 21,5 (200° С) 22,7 (300° С) 26,5 (500° С) 28,6 (700° С) 1550—1580 2,5
513Л 7,8 10-10-’ (20—100° С) 10,6-10-’ (20—300° С) 11,2-10-’ (20—600° С) 21,0 (100° С) 23,1 (300° С) 26,1 (500° С) 27,8 (700° С) 1600—1630 2,3
Характеристика сталей, приведенных в табл. 50
Сталь 10Х13Л обладает высоким сопротивлением к атмосферной кЪррозии, в реч-
ной и водопроводной воде и достаточно стойка к азотной кислоте при нормальных усло-
виях; сопротивляется окислению в воздушной атмосфере при температурах до 750—800° С.
Потери массы (г/м2) за 200 ч: при 800° С 0,5; при 900° С 1,5; при 1000° С 14; при1100° С 24
и при 1200° С 50. Эту сталь применяют для деталей, от которых требуется средняя твер-
дость и повышенная вязкость, подвергаемых воздействию слабоагрессивной среды.
Сталь 10Х18Н9ТЛ стойка к воздействию кислот; имеет высокую стойкость против
газовой и межкристаллитной коррозии. Жаростойка на воздухе и в атмосфере продук-
тов горения топлива в газовых турбинах до 800° С. Потери массы (г/м2) за 100 ч: при
800° С 0,03; при 900° С 0,2; при 1000° С 1,2; при 1100° С 3,3. Эту сталь применяют для
деталей арматуры в химических устройствах, для высоконагреваемых деталей газовых
турбин и т. п.
Сталь 15Х25ТЛ стойка к воздействию кислот, а также к образованию окалины
при температурах до 1000° С.
Стали 75Х28Л и 185Х34Л стойки к воздействию кислот; отличаются высокой кор-
розионной стойкостью к азотной, уксусной, фосфорной, молочной кислотам всех кон-
центраций, при температуре их кипения имеют низкую стойкость к серной, сернистой,
соляной кислотам и к смесям уксусной и серной кислот; обладают высокой стойкостью
к щелочным, водным растворам; наиболее низкая стойкость к кипящим 50%-ным раство-
рам щелочей при 500° С; имеют высокую стойкость к водным растворам солей — аммо-
ниевым, хлорным, углекислым при температурах их кипения. Эти стали применяют
для деталей, работающих в кипящих кислотах, щелочных и водных растворах солей.
Сталь 10Х17НЗСЛ обладает достаточной стойкостью против коррозии в атмосфер-
ных условиях при нагреве до 500° С; сохраняет свои размеры и жаростойка при этой
температуре. Рекомендуется для деталей станков, двигателей, агрегатов, подвергаю-
щихся нагреву до 500° С.
Сталь 513Л имеет те же свойства, что и сталь 10Х17НЗСЛ, но при температурах
до 600° С.
162
7.2.3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
В СССР используют инструментальные стали, приведенные
в табл. 53, и быстрорежущие стали, приведенные в табл. 54.
В ФРГ используют инструментальные стали, приведенные
в табл. 55.
Швейцарская фирма Gebriider Sulzer применяет для машино-
строительных деталей, подверженных истиранию, например для
деталей швейных и текстильных машин, инструментальную сталь
GS-85CrVW4, содержащую (%) 0,86 С, 0,45 Si, 0,55 Мп, 1,0 Сг,
0,14 W, 0,3 V.
В ГДР используют инструментальные стали по TGL 14415
(табл. 56).
В ЧССР применяют инструментальную сталь для штампов по
ON 422870 и быстрорежущую сталь для литого инструмента по
CSN 423992.
В США используют инструментальные и быстрорежущие
сплавы, приведенные в табл. 57. Для точных отливок, эксплуа-
тирующихся при высоких температурах, применяют специальные
сплавы на базе никеля, легированные хромом и кобальтом и не-
большим количеством других легирующих элементов (Ti, Al,
В, Zr, Та, V). Некоторые из этих сплавов приведены в табл. 58
и 59.
Большинство специальных сплавов, используемых в США,
имеют фирменные названия. Так называемые сплавы Supper
Alloys пригодны для литья в вакууме. Отливки из этих сталей
используют под нагрузкой при высоких температурах (см.
табл. 58). Для большинства специальных сплавов требуется осо-
бый режим термообработки, если необходимо получить оптималь-
ные свойства. Режим термообработки зависит от толщины стенки
отливок и обычно состоит из следующих операций: гомогенный
отжиг (толщина стенки более 75 мм) при 1150Q С с выдержкой
4 ч; охлаждение на воздухе; отпуск в течение 1 ч при 595° С;
Таблица 53. Инструментальные стали, используемые в СССР
Марка стали Химический состав, % НВ после отжига
С Мп Si Сг W V
хвг 0,9—1,05 0,8—1,10 0,15— 0,35 0,9—1,2 1,2—1,6 — 255—207
9ХВГ 0,85— 0,95 0,9—1,20 0,15— 0,35 0,5—0,8 0,5—0,8 ” 241—197
9ХС 0,85— 0,95 0,3—0,6 1,2-1,6 0,95— 1,25 — — 241—197
X 0,95— 1,10 0,15—0,4 0,15— 0,35 1,3—1,65 — — 229—187
ЗХ2В8Ф 0,3—0,4 0,15—0,4 0,15—0,4 2,2—2,7 7,5—9,0 0,2—0,5 255—297
Примечание. Содержание Ni до 0,3% и примесей S и Р не более 0,03 каждого.
164
Таблица 54. Быстрорежущие стали, используемые в СССР
Марка стали Химический состав, % НВ после отжига
С Сг W V Другие элементы
Р18 Р18К5Ф2 Р9 0,7—0,8 0,85—0,95 0,85—0,95 3,8—4,4 3,8—4,6 3,8—4,4 17,5—19,0 17,0—19,0 8,5—10,0 1,0-1,4 1,8-2,4 2,0—2,6 0,3 Мо 5—6 Со 0,5 Мо 225—205 161—228 269
Примечание. Содержание Si и Мп < 0,4%; Ni < 0,4%; S и Р не более
0,03% каждого.
Таблица 55. Инструментальные стали, используемые в ФРГ
Марка стали Химический состав, %
С Сг Мо Ni V W
100Сг8 1,0 1,5 —
105WCr6 1,0 1,0 — - 1 1,15
Х165СгМо12 1,6 11,6 0,7 0,1 0,45 0,15
60WCrV7 0,6 1,1 0,18 1,9
142WV13 1,4 0,35 — 0,25 3,0
Таблица 56. Инструментальные стали, используемые в ГДР
Сталь Химический состав, %
С Si Мп Сг V W
CS-10Cr6 0,95—1,1 1,25—1,35 . 0,15—0,35 0,2—0,4 1,3—1,65
CS-130WCrV 0,25—0,3 0,2—0,4 0,8—1,1 0,2—0,2 3,0—3,5
Приме ? ч а н и е. Содержание Р и S по 0,04% (не более).
Таблица 57. Инструментальные и быстрорежущие стали,
применяемые в США для точных отливок
Марка стали по AISI Химический состав, %
С Мп Si Сг Ni
А-2 * (420) 0,85—1,05 0,75 1,5 4,75—5,5 — 1 —
D-2 * 1,4-1,6 0,75 1,5 11,0—12,0 —
М-2* 0,8—0,9 0,75 1,0 6,75—4,5 —
Н-11 * (520) 0,3—0,4 0,75 1,5 4,75—5,75 —
О-1 * (410) 0,85—1,0 1,0—1,3 1,5 0,4—1,0 ——
S-1 * (321) 0,45—0,35 0,75 0,8 1,25—1,75 0,65—0,85
D-5 (434) 1,35—1,6 0,75 1,5 11,0—13,0 - 1 "
D-7 (442) 2,2—2,5 0,75 1,0 1,5—18,5 —
H-12 (522) 0,3—0,4 0,75 1,5 4,75—5,75 111
H-21 (540) 0,3—0,4 0,75 1,5 3,0—4,0 —
S-5 0,5—0,6 0,6—1,0 1,5—2,5 —
Т-1 0,65—0,75 0,75 1,5 3,75—4,5
Т-15 (623) 1,5—1,6 0,75 1,5 3,75—4,5
165
Продолжение табл. 57
Марка стали
по AISI
Мо
Химический состав, %
А-2 * (420)
D-2 *
М-2 *
Н-11 * (520)
0-1 * (410)
S-1 * (321)
D-5 (434)
D-7 (442)
Н-12 (522)
Н-21 (540)
S-5
Т-1
Т-15 (623)
0,9-1,4
0,7—1,2
4,5—5,5
1,1—1,75
0,7—1,2
0,7—1,2
1,25—1,75
0,2—0,5
5,5—6,75
0,4—0,6
1,0—3,0
8,75—10
17,25—18,75
0,2—0,5
0,4—1,0
1,0—2,2
0,2—0,5
0,3
0,15—0,3
1,0
3,75—4,25
0,75—1,2
0,2—0,5
0,3
0,9—1,3
4,73—5,25
0,4
2,5—3,5
4,75—5,25
* Стали по ASTM, в которых изменяют состав с целью улучшения литейных свойств.
Характеристики некоторых сталей, приведенных в табл. 57
Сталь А-2 — среднелегированная сталь для холодной обработки, закали-
вается на воздухе с минимальными деформациями; имеет хорошие литейные свой-
ства; склонна к обезуглероживанию. Рабочая твердость HRC 59—62. Приме-
няется для режущего инструмента.
Сталь D-2 для холодной обработки; стабильна до 480° С. Применяется для
режущего инструмента, формирующих штампов, форм для кирпичей, измери-
тельного инструмента, износостойких вставок. Сталь закаливается на воздухе
с минимальными деформациями; имеет исключительно хорошие литейные свой-
ства; склонна к поверхностному обезуглероживанию. Рабочая твердость
HRC 58—64.
Сталь М-2 — молибденовая быстрорежущая для режущего инструмента
всех типов. Более прочная, чем сталь R0, легированная вольфрамом; термо-
обработке поддается трудно. Рабочая твердость HRC 64—66.
Сталь Н-11 для горячих штампов, для пресс-форм литья под давлением
и т. п. Имеет хорошие литейные свойства, незначительно деформируется при
закалке; закаливается на воздухе; рабочая твердость HRC 40—55; очень стойкая.
Сталь О-l для слабо нагруженных штампов, работающих при'нормальных
температурах; для режущих инструментов, измерительного инструмента, шаб-
лонов. Закаливается в масле; имеет большие деформации, чем стали А-2 и D-2,
хорошие литейные свойства. Рабочая твердость HRC 58—62.
Сталь S-1 пригодна для стамесок, долотов, молотков и другого инстру-
мента, высоко нагруженного резкими ударами; закаливается в масле, отпу-
скается до твердости HRC 53—58; имеет среднее сопротивление износу.
Сталь Т-1 для высокойагруженного инструмента.
Сталь Т-15 супер быстрорежущая.
отжиг при 820° С. Последней операцией термообработки является
отпуск — нагрев до 480° С с выдержкой при этой температуре
в течение 4 ч.
Для отливок с более тонкими стенками (25—75 мм) гомогени-
зационный отжиг проводится при 985° С, дальнейшие операции
термообработки аналогичны изложенным выше. Максимально
достигаемая прочность сплава на растление после такой термо-
обработки 1900 Н/мм2 при относительном удлинении 5%. Обычно
для указанных толщин прочность составляет 1750 Н/мм2; предел
166
Таблица 58. Специальные сплавы для отливок, работающих при высоких температурах (США)
oV 'n. ! V? Q5 © VQ У? >р © © сч У2 .Q
‘иинэнэиисШ BdXiBdanwajL VAJ ЧЛм/ О । Н 4’J 4.N V.N W । W О J । lav О) 0)0 1 | 00)00000 1 О) ООО) 1 00
1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 Illi 1
Та 1 । О i i I I о О 1 1 Ю О I О 1 1 I 1 1 1 Tf 1 1 1 1 СО 00 1 1 О 1 04 1 1 1 1
U. N Ь- со ю ю ю ю ю —ч ^-ч | О 0 000 004 О — О I I О ОО О О ООО ОО О ООО
CQ 04 Ю Ю ю ю о »—1 । »—< Ю 1—< < со I * I 1 LO Ю 04 СО ^0 I I О ООО~О~ О О I О О I О О О 0^0 0 1 1 о оооо о"о ОО ОО О ООО
^ч СТ) О Ю Ю Ю О 00 О О О Ю 1 О Ю со О 1 1 О ЮОСОЮ Ю GO о о ю О Ю 1 0 0 04 1 1
•1^ 00 ОООО b- 1 I I О 1 О 1 О 000)1 1 О О —1 04 О 1 1 1 04 1 —• 1 —< —« 04 1 1
<и U. 1 11^1 1 1 1 1 1 м 1 1 1 1 1 1 5
Nb «Sill I °-1 1 ®5 । । । । । о
CQ Л О 00^0000^0^ ОЛ 0^0 ю | о 1 1 1 I 1 | СО -ч 00 04 О О 00 04 О) 1 О? ° гг? о!
о S о <и Мо io©©© I I I A, I I ю~ тф тг о О СО СО СО 04 СО * 04 1 • 1 тф 1 О О
У к 3 S и Со Л Л о О О О 0000^(1)0 О О 01ГЭ о" о io о о о о S 2 о o' об 2 2 о о
• 1^ Z >h <1> Ж CD Ж Ч (D £ . Ч <У g О Ч <D ОЗО’ЛЛЛ ЛЛЛАЛЛА Я О « « 0 Я О й ® о 'нщо^ьщ о н о н о
U. и о оооо oo^s o__qoqin ОЛ О^ЛОО^ 1 о~ of 04 00 IQ О о"’-410100)0)0)—f .04 о" О 00 IO г—t t г—। »—1 т—< »—1 04 * ’—ч 04 О) 04
• 1^ CZ) । 111 । 111 § До- ° о
Мп 1 III OCSJ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Ills ' 10 1 1 1 1 По । । । । । । । । । । । । о- ~-o
О 04 Ю Ю 00 00 О4С000Ю00ЮЮ 04—'00 V—1 О —< —1 —' —« —' —Ч 1 т—1 О т—1 00 —Ч —Ч т—1 О Ю о" оооо оооооооо о оооо" о
Сплав U J F'0’ 2 'D<>, <мо§ 2 2 Й-55 § g 2Sl° r'o^S о S s g §• g'Scie « Я 3 o; os Qi 2 ~ = 4u?g’7<o><< QDS^ о < <CQOZ So^o^oss Z ftl-OX s
167
Таблица 59. Специальные низкокобальтовые сплавы, применяемые в США
Мо
Fe
Со
хр
Химический состав, Ni
Сг
со
Мп
О
название (AMS)
о л о л CQ О ч с- С £Х О О
ООО IQ О in
О оГ IQ со CD
СМ СМ ’-ч СМ г—(
I I I I I I
о о о ю о ю
00 Г" Ю ТГ см со
< т—< т—< < СМ *“1
со см
Темпе- р атур а приме- нения, °C, до о CD | О I О СП СО ю LQ г- СП СП 1 СО 1 00
Ti — Al 1,75
со 0,03 0,15
> 1 0,1
Nb + Та 4,75—5,5 4,5 z
Си 1 s-15 1 l I
о4- И (Я н о о г 1 и. N I 0,01—0,1 0,06 2,0—2,5 0,03
Химический < CQ 0,003—0,01 0,03—0,07 0,025—0,035 0,03—0,01 0,005—0,05
Н СО-ч О Ю 00 СО СО О Ю СО о см о 1 II 1 1 II ОЮООсООЮ) со со co o' ч-Г П!. о о
- а о а < c < c 3^0—5^0 4,0—5,0 0,35 0,5—0,15 4
6,5—9,5 8,0—18
Торговое название сплава (AMS) Rene (5399) .... Inco 718С (5383) G-74 ........ Udimet 700 .... MAR-M322 A-286 . MS-250*
* Это сплав Maraging с 18% Ni; в США этот сплав относят к суперсплавам потому, что его выплавляют только в вакууме или в аргоне.
Сплав имеет исключительные свойства после термообработки на мартенситную структуру.
168
wr ^текучести 1600 Н/мм2 при от-
Iffc ^осительном удлинении 8% и
относительном сужении 20%.
>. Эти величины прочности можно
получить и при больших тол-
щинах.
Отливки из сплава Maraging
не имеют поверхностного обез-
углероживания. В гомогенизи-
рованном состоянии их обра-
батываемость приблизительно
такая же, как коррозионно-
стойких сталей (типа 18-8). В
отвержденном состоянии обра-
батываемость приблизительно
на 50% хуже. Свариваемость хорошая,
Таблица 60. Прочность
при длительном нагружении
при высоких температурах
Сплав Темпе- ратура, °C Проч- ность, Н/мм2
REX 326 760 160
REX 326 800 90
Х-40 750 150
Х-40 870 70
Х-40 980 44
MAR-M 200 760 375
MAR-M 200 870 192
MAR-M 200 980 80 .
если используются элек-
троды из того же сплава, выплавленного в вакууме, но без бора,
циркония и титана. Сварку проводят в атмосфере инертного
газа.
Длительная прочность при высоких температурах для некото-
рых сплавов приведена в табл. 60.
7.2.4. СПЛАВЫ НИКЕЛЯ И КОБАЛЬТА
Эти специальные сплавы применяют для отливок, эксплуати-
рующихся под нагрузкой при высоких (более 750° С) темпера-
турах.
В табл. 61 приведены прочностные показатели в нагретом со-
стоянии некоторых ранее применявшихся сплавов для работы
в области высоких температур (REX 326, Х40) по сравнению с сов-
ременными сплавами; в Англии эти особые сплавы объединены
под названием Super Alloys (суперсплавы).
Сплавы для магнитов. В ЧССР для точных отливок используют
магнитомягкие сплавы типа Permalloy (табл. 61). Ими являются
Таблица 61. Магнитомягкие сплавы, применяемые в ЧССР
Сплав Химический состав, % Термооб- работка (отжиг), °C Плот- ность, кг/дм3 Применение
Permalloy 50 Permalloy 70 50Ni, 50Fe 78Ni, 22Fe 1050 1050/600 8,17 8,6 Для деталей реле и трансформаторов Для чувствительных реле
169
Таблица 62. Сплавы для постоянных магнитов, используемые в СССР
Марка сплава Химический состав, %
Ni Al Со Си Si с, не более Мп Fe
AN1 22,0 11,0 — —
AN2 24,5 13,0 — 3,5 0,15
AN3 ^о,5 15,5 — 4,0 0,03 0,35 Осталь-
ное
AN К 33,0 13,5 — — 0,1
ANKol 18,0‘ 10,0 12,0 6,0
ANKo3 19,5 10,0 18,0 3,0 0,15
ANKo4 13,5 9,0 24,0 3,0
сплавы никеля с железом, а иногда и с молибденом. Имеется
несколько типов таких сплавов: Permalloy 45, 50, 78, 479; наиболее
распространены сплавы Permalloy 50 и 78.
Для литья постоянных магнитов используют сплавы железа,
никеля, кобальта, алюминия, меди с малым содержанием титана.
К ним относятся сплавы Alnico. При литье по выплавляемым моде-
лям в раскаленные керамические формы не достигается после
окончательной термообработки необходимого уровня остаточной
магнитной индукции (0,73—1,25 Тесла). В ЧССР отл'ивки для
постоянных магнитов не изготовляют. Сплавы для магнитов,
используемые в СССР, приведены в табл. 62.
7.2.5. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ
В табл. 63—70 представлены сплавы, используемые в различ-
ных странах.
Кроме сплавов, приведенных в таблицах, как наиболее при-
годные для точных отливок используют (для специальных целей)
также сплавы меди: свинцовистую бронзу, пушечный металл
(оловянистую бронзу с 10% Sn), свинцовооловянистую, алюминие-
вую, марганцовистую бронзу и т. п.
Сплавы магния и титана только начинают использовать для
изготовления точных отливок. Некоторые из этих сплавов в ЧССР
разработаны только в лабораторных условиях.
170
Таблица 63. Некоторые сплавы алюминия, применяемые в Англии
Применение и характеристика Для водостойких оболочек, фи- тингов в кораблестроении, коррозионно-стойких емкостей подводных лодок Для деталей пищевой и хими- ческой промышленности Для литых ручек, рукояток ин- струментов и сосудов Для деталей химической и пи- щевой промышленности Для литых лопаток в автомо- бильной и авиационной про- мышленности; хорошо полирует- ся
Механические свойства ат’ Н/мм2 В литом состоянии 632 1 см к 1 ... 1 ИЯ 1975
oq £ 55 70 тарен] 100 1 70 ггарен] 85
* хФ «О <© <D 0) К СО g СО о о 1 СО осле с 5
аь’ Н/мм2 157 не м< с 1 ш О СО см 1725 П 267 i
Химический состав, %; остальное (до 100%) содержание алюминия i Ti i 0,2 0,2 i 0,2 1 ю о °-СО о 0,20
Sn 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05
Pb о 0,1 0,1 1 »““4 о" 0,05
Zn 0,1 0,5 ГО 0,1 0,1
Ni о 0,3 0,1 00 о 1
Mn 0,5 0,3 — 0,7 0,5 0,1 о"
0) Йм 0,6 1 0,8 9‘0 1 оо о 0,15
co 10,0— 13,0 4,0— 6,0 3,5 — 6,0 1 00 6,5 — 7,5
Mg 0,1 0,15 ! 00 С00- о 0,05— 2,00 0,2 — 0,45
Cu го 2,0— 4,0 0,1 0,8 — 2,0 о
Л Л я « л 5 So LM6 LM4 LM8 LM23 А356
171
Таблица 64. Сплавы алюминия, применяемые в США
Химический состав, %
Сплав Si Мп Си Fe Mg Сг Ni Zn Ti
А 356 (AMS 4218) 6,5 — 7,5 0,1 0,2 0,2 0,2 —0,4 0,1 0,2
С 612 0,35 0,05 0,35 — 0,65 1,4 0,25-0,45 — —— 6—7 0,25
40 Е 0,3 0,3 0,3 1,0 0,5-0,65 0,4—0,6 — 5 — 7 0,1—0,25
43 4,5-6,0 0,35 0,15 0,8 0,05 0,25 — 0,3 0,2$
195 0,7—1,2 0,3 4,0-5,0 1,0 0,03 — • 0,3 0,2
220/350 4,5 —5,5 0,1 0,2 0,3 9,5 — — 0,1 0,2
355 4,5—5,5 0,1 1,0-1,5 0,15 0,45 — 0,6 — 0,1 0,2
357 7,0—8,6 0,2 —0,6 1,0-2,0 0,15 0,45—0,6 0,35 0,25 0,3 0,25
359 8,5 —9,5 0,1 0,2 0,2 0,5—0,7 — — 6,0—7,0 0,25
А 612 0,15 0,05 0,35—0,65 0,5 0,6 —0,8 — — 6,0 —7,0 0,25
Tenzaloy 0,25 0,6 0,4—1,0 1,0 0,2 —0,5 0,35 0,15 7,0 —8,0 0,25
Almag 0,2 0,1 — 0,25 0,1 0,25 6,2 — — 0,1—0,25
Механические свойства после термообработки Характеристика
(Т , Н/мм* 2 В (Ут, Н/мм2 ч0 «О НВ
A 356 (AMS 4218) C 612 l 230—240 В литом состоянии 19,5 / 196 120 3,0 3,0 70—105 70 Для деталей широкой номенклатуры; сваривается^ подвергается анодному оксидированию Может паяться и подвергаться анодному оксиди' рованию
Таблица 65. Сплавы алюминия, используемые в СССР
Марка Химический состав, % (остальное А1) Механические свойства Применение
Mg Si Си Мп Fe, не более %’ Н/мм2 б. % НВ Способ термооб- работки
АЛ2 <0,1 10—13 0,6
АЛЗ 0,35—0,6 4,5-5,5 1,5—3,0
АЛ4 0,17—0,3 8,0—10,5 0,3
АЛ5 0,35—0,6 4,5—5,5 1,0—1,5
АЛ7 0,03 1,2 4,0—5,0
АЛ9 0,2—0,4 6—8 0,2
0,5 0,8 150 4,0
0,6—0,9 1,0 210 1,0
0,2—0,5 0,6 2за 3,0
0,5 0,6 200 0,5
0,1 1,0 200 6,0
0,5 0,6 180 4,0
50 М Для тонкостенных дета- лей
70 Т7 Для слабонагруженных деталей
70 Т6М Для крупных и средних сильно нагруженных де- талей сложной конфигу- рации
70 Т5 Для средненагруженных деталей (до 225& С)
60 Т4 Для слабонагруженных деталей; имеет повышен- ную обрабатываемость
50 Т4 Для слабонагруженных деталей
Примечания: 1. Содержание Zn не более 0,3%, Sn 0,01 %. п0/
2. В сплавы АЛ4 и АЛ5 для измельчения зерна добавляют не более 0,15% Ti или 11 -f- сг, не более и,2и/0.
Таблица 66. Сплавы меди, используемые в Англии
Сплавы Химический состав, % (остальное Си) Механические свойства Применение
Sn РЬ Zn Ni Al Si Fe + 4- sb + + Al Mn °в- Н/мм2 ’т- Н/мм2 6. %
Свинцовистые бронзы (85% Си, 5% Zn, 5% РЬ) 4,0- 6,0 4,0- 6,0 4,0- 6,0 2,0 0,01 0,02
Фосфористые бронзы 10,0 0,25 0,05 — 0,01 0,02
Алюминиевые бронзы с низким содержанием же- леза — — 1,0 1,0 8,0— 10,5 —
Алюминиевые бронзы с высоким содержанием же- леза — — 0,5 4,5- 0,5 8,5— 10,5 —
Бериллиевые бронзы — — — Со 0,55 — —
0,5 — 205 — 8 Для деталей клапа- нов низкого давле- ния, корпусов насо- сов, крышек, трубок и фитингов
0,01 Р не менее 0,5 220 — Не менее 2,0 Для червячных колес
2,5—3,5 1,0 500 Не менее 20,0 Для деталей, стойких к коррозии и окисле- нию при повышенных температурах, дета- лей насосов, приво- дов и т. п.
3,5—5,5 1,5 645 250 15,0
— 2,5 787 — 12,0 Для электрических контактов, электро- дов для сварки сопро- тивлением, кулачков и т. п.
Таблица 67. Некоторые бронзы, применяемые в СССР
Марка бронзы Химический состав, % ^остальное Си) Механические свойства Применение
Sn Zn Pb Ni Н/мм2 6. % НВ
Бр.ОЦСН-3-7-5-1 2,5—4,5 6,0—9,5 3—6 0,5^2,0 180 8 60 Для арматуры, работающей в атмосфере морской или пресной воды и паров при давлении до 250 МПа Для арматуры, работающей в пресной
Бр.ОЦС-3-12-5 * 2—4 8,15 3—6 180 8 60
Бр.ОЦС-5-5-5 . . . Бр.ОЦС-6-6-3 . . . 4—6 5—7 4—6 5—7 4—6 2—4 — 150 150 6 6 50 60 воде Для антифрикционных деталей
Бр.ОЦС-3,5-6-5 . . . 3-4,5 5—7 4—6 — 150 6 60 Для деталей тракторов
Примечание. Допускается максимальное содержание примесей: Sb не более 0,5%, Fe не более 0,4%; общее содержание приме-
сей не более 1,3%.
* Содержание А1 и Si каждого по 0,02%.
Таблица 68. Некоторые безоловянные бронзы, используемые в СССР
Марка бронзы Химический состав,% (остальное Си) Механические свойства Применение
А1 Fe Мп Ni Zn %’ Н/мм2 6. % НВ
Бр.АМц 10-2 .... 9—11 1,0 1,5—2,5 1,0 1,5 500 12 ПО Для деталей электрических станков
Бр.АЖ 9-4 Л . . . . 8—10 2—4 0,5 1,0 1,0 400 10 ПО Для стулок, зубчатых колес, прижимных гаек, болтов и т. п.
Бр.АЖМц 10-3-1,5 9—11 2—4 1,2 0,5 0,5 0,5 500 12 120 То же
Бр.АЖН 10-4-4 Л * 9,5—11 3,5—5,5 3,5—5,5 0,5 600 5 170 Для седел клапанов, втулок, направляющих клапанов дви- гателей внутреннего сгорания и т. п.
Примечание. Допускаемое содержание примесей не более: As и Sb по 0,05%, Sn и Si по 0,2%; РЬ и Р по 0,01%; всего примесей
ДО 2,7%.
* As и Р по 0,01%, Sn и Si по 0,01 %, Sb и РЬ по 0,03%; всего примесей 0,75%.
СЗ Таблица 69. Некоторые латуни, используемые в СССР
Марка латуни Химический состав, % (остальное Zn) Механические свойства Применение
Си Si Мп РЬ Fe Al Sn Н/мм5 , 6. % НВ
ЛК 80-3 Л 79—81 2,5—4,5 1,0 0,5 0,6 0,1 0,3 250 10 95 Для деталей судов, зуб- чатых колес, арматуры подвергающейся воздей- ствию морской воды
Л КС 80-3-3 79—81 2,5—4,5 1,0 2—4 0,6 0,3 0,3 250 7 90 Для подшипников и втулок
ЛМиС 58-2-2 57—60 — 1,5—2,5 1,5—2,5 0,8 1,0 0,5 250 10 90 Для различных анти- фрикционных деталей
ЛМцЖ 55-3-1 53—58 — 3,0—4,0 0,5 0,5—1,5 0,6 0,5 450 15 100 Для фасонных не слиш- ком сложных деталей от- ветственного назначения и арматуры для судов, работающих при темпе- ратуре до 300° С
ЛС 59-1Л 57—61 — 0,8—1,9 0,8 — — 250 15 50 Для сепараторов шари- коподшипников •
Примечание. Содержание Sb более 0,1%; общее количество примесей 2,0—2,8%.
Таблица 70. Некоторые бронзы, используемые в США
Сплав Химический состав, % Механические свойства Применение и характеристика
Zn Sn Pb Fe Ni Al Mn Si p Co Cr Be ! %, Н/мм2 м 2 - 6, % Твер- дость
AMS 4616 (кремнистая бронза) 1,5- 4,0 — — 1,2- 2,0 / — — 1,0 2,4— 4,0 0,1 — 1,5 2,0 315 120 20 НВ 190 (500 кге) Наилучший сплав для точ- ных отливок общего назна- чения
ASTM В-98 (кремнистая бронза) 12,0— 16,0 1,0 0,5 2,5 — 1,5 1,5 2,5— 5,0 — — — — 492 225 24 НВ 134 (500 кге) —
AMS4849 (Ве-медь 20Сг) 0,1 0,1 0,2 0,35 0,2 0,15 — 0,2— 0,35 — 0,2— 0,65 0,1 1,85— 1,15 1125 949 2 HRC 40 Сплав терми- чески обраба- тывают (ста- рение)
Mile 19464 (Ве-медь 275Сг) 0,1 0,1 0,2 0,25 0,2 0,15 0,2— 0,35 0,35— 0,65 0,1 2,5— 7,5 1230 1055 1 HRC 43 Имеет наиболь- шую твердость и предел теку- чести, чем у остальных приведенных сплавов
7.3. ТЕРМООБРАБОТКА ТОЧНЫХ ОТЛИВОК
7.3.1. СТРУКТУРА ОТЛИВОК
Структура отливок, получаемых в раскаленных, особенно
с огнеупорным наполнителем, формах, характеризуется обычно
четкой первичной структурой. Так как условия охлаждения
металла этих отливок менее благоприятны по сравнению с метал-
лом отливок, изготовляемых в песчано-глинистых формах, то
получение мелкозернистой структуры затруднительно. Величина
кристаллов в соответствии с закономерностями кристаллизации
зависит прежде всего от скорости охлаждения и от кристаллиза-
ционной способности сплава [38]. Чем быстрее отвод теплоты, тем
больше количество одновременно растущих кристаллических
зерен.
Малая теплопроводность керамической формы, нагретой до
температуры 900—1000° С, приводит к тому, что структура мед-
ленно охлаждаемого сплава будет относительно грубозернистой
(рис. 38).
Применяемые особые способы охлаждения отливок после их
затвердевания и выделяющиеся в этот период очень мелкие струк-
турные составляющие не изменяют существенно структуру сплава.
Механические свойства стали прежде всего зависят от зернистости
структуры и ее гомогенности. Литую структуру и механические
свойства литых материалов ухудшают микрораковины, сетки
карбидов, дендриты, усадочные раковины, поверхностные пороки
и обезуглероживание поверхности.
Для получения более высоких механических свойств литых
материалов, заливаемых в раскаленные керамические формы,
применяют оболочковые формы, заливаемые без опорного напол-
Рис. 33. Структура углеродистой стали после нормализации
178
нителя, т. е. без засыпки. Это приводит к частичному увеличению
скорости охлаждения. Оболочки, залитые металлом, охлаждают
в специальном туннеле или переставляют с отжигательных теле-
жек на холодный песчаный плац.
Керамические оболочковые формы следует изготовлять из
огнеупорных материалов с низким коэффициентом теплового рас-
ширения, у которых не происходит объемных изменений, связан-
ных с аллотропическими превращениями при температурах об-
жига. Такие формы можно заливать жидким металлом без их
подогрева. Мелкозернистую первичную структуру получают повы-
шением кристаллизационной способности сплава. Для этого в сплав
вводят элементы, которые образуют центры кристаллизации, или
эти элементы вводят в материал формы и они переходят в металл
при их заливке. В обоих случаях в металл попадает большое
количество мелких частиц, не растворяющихся при данной тем-
пературе сплавов. Такими элементами являются главным образом
титан, ванадий, молибден и др. Хороших результатов при измель-
чении структуры литых аустенитных жаропрочных сплавов типа
Nimonic достигают присадкой окислов кобальта в первый слой
суспензии при ее нанесении на модельный блок. Другим способом
измельчения зерна является применение вибрации при затверде-
вании отливок.
Все способы измельчения зерна следует применять осторожно,
так как можно снизить жидкотекучесть сплава, и, следовательно,
отливки будут со спаями или с пористостью.
Грубое первичное зерно, которое нельзя устранить никакой
дополнительной термообработкой, влияет на вторичную струк-
туру, которую имеет отливка после термообработки. Такая «на-
следственность» является причиной ухудшения механических
свойств.
Мелкозернистая структура снижает также появление трещин,
вызванных появлением напряжений, и улучшает стабильность
размеров отливок.
Малая скорость охлаждения должна бы иметь благоприятное
влияние на химическую гомогенность структуры, хотя и очень
незаметное. При селективном (выборочном) затвердевании струк-
тура частично гетерогенна, что подтверждается дендритообразным
строением металла в литом состоянии и после термической обра-
ботки. Химическая гетерогенность отрицательно воздействует на
термообработку сталей. В разных местах зерен концентрация
углерода неодинакова, и вследствие этого они имеют разные кри-
тические температуры закалки. Гетерогенная структура ухудшает
механические свойства стали, хотя и несколько улучшенные тер-
мообработкой.
Главные цели термообработки стальных отливок:
1) исправление грубой литой структуры, которая часто бывает
видманштеттовой. Эта структура нежелательна, так как снижает
эксплуатационные свойства стали;
179
2) уменьшение различия в химическом составе, вызванного
дендритной и полосчатой ликвацией (при этом улучшается гомо-
генность материала во всех сечениях отливки);
3) устранение внутренних напряжений;
4) получение необходимой структуры.
7.3.2. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
У сталей, обработанных давлением, например прокаткой,
первичная структура разрушается. При этом нарушается перво-
начальное расположение включений на границах первичных
зерен, а у сталей с высоким содержанием карбидов разрушается
и сетка карбидов. Отливки, как правило, не деформируют, и
поэтому на границах первичных зерен металла остаются включе-
ния. Стальные отливки, полученные из перегретого металла, имеют
грубое первичное зерно, окруженное сеткой феррита (рис. 39).
Сетка феррита, так же как и сетка карбидов, ухудшает меха-
нические свойства стали. Остальные характеристики струк-
турных составляющих у литой и деформируемых сталей одина-
ковы.
Прокатанные стали имеют характерные волокна, которые
являются причиной различных механических свойств металла
в продольном и поперечном направлении прокатки. Литой ма-
териал имеет одинаковые свойства во всех направлениях. Опре-
делить фактические механические свойства точных отливок весьма
трудно из-за ограниченной возможности выбора размеров испыта-
тельных образцов. Механические свойства образцов, вырезанных
из отливок, под влиянием литейных дефектов так сильно иска-
жаются, что нельзя получить правильной оценки качества
Рис. 39. Структура отливки из перегретой стали
180
литой стали и влияния термообработки на ее механические свой-
ства.
Для определения механических свойств используют специаль-
ные литые пробы в виде клиньев из которых вырезают образцы
для испытаний при помощи механической обработки. Этим сни-
жается влияние возможных литейных пороков на механические
свойства отливок \
Механические свойства некоторых сталей после литья, отжига
и закалки и свойства прокатанных (деформируемых) сталей
в отожженном и улучшенном состоянии приведены в табл. 71.
В конструкционных деталях из деформируемых сталей, как
правило, учитываются механические свойства образцов, вырезан-
ных вдоль направления волокон, но на практике детали нагру-
жаются и поперек волокон.
Механические свойства деформированных сталей поперек во-
локон, особенно в закаленном состоянии, еще мало известны, но
являются существенно более низкими, чем свойства этих же ста-
лей, деформируемых вдоль волокон. Механические свойства ме-
талла точных отливок, как правило, занимают среднее положение
между величинами свойств деформируемых сталей вдоль и по-
перек волокон.
Из табл. 71 следует, что наиболее выгодно использовать для
производства отливок материал в состоянии после отжига или
после улучшения. Механические свойства стали в литом состоя-
нии значительно ниже. Для деталей, подверженных динамиче-
ским нагрузкам, не пригодны отливки из цементованных ста-
лей.
Такие отливки используют для деталей, работающих в
условиях сжатия или износа (истирания). Работоспособность
деталей из этих сталей зависит от прочности науглероженного
и закаленного слоя и от качества поверхности отливок. Для
отливок, закаленных до высокой твердости и предназначенных
для эксплуатации при динамических нагрузках, требуется
предварительная тщательная проверка в производстве, так как
возможные литейные пороки могут быть причиной разрушения
детали.
У отливок, закаленных с высоких температур, более резко
проявляется влияние первичного зерна на механические свойства
по сравнению с деформируемыми сталями. Контуры первичного
зерна после закалки видны на снимках микроструктуры (см.
рис. 39).
1 По CSN 421251 от 1969 г. допускается изготовление литых образ-
цов. Испытания, проведенные в ZPS г. Готвальдов показали, что меха-
нические свойства, определенные на таких образцах, более низкие
по сравнению со свойствами, определенными на образцах, вырезаемых из
клиньев.
181
Таблица 71. Сравнение механических свойств литых и деформируемых сталей
Стали по CSN Химический состав, % Направ- ление волокон в испы- тывае- мых об- разцах ат’ Н/мм2 Н/мм2 б, % Ф, % ан* Дж/см2 НВ Состояние
кова- ная ли- тая С Мп Si Сг р S
12010.1 прокат 0,06— 0,13 До 0,6 До 0,35 До 0,04 До 0,04 Про- дольное 258,0 417,5 40,0 69,7 134— 176 После нормализа- ции
Попе- речное 248,0 417,5 34,0 62,2 75— 176
12010.4 прокат Про- дольное — 641 193 555 62—64 После закалки и отпуска
Попе- речное — 637 10,0 46,2 44
0,07 0,36 0,1 — 170 372 37,7 57,7 36—62 После литья
- 312 421 38,0 66,0 114— 150 После нормализа- ции
— 608 8,0 13,0 44—69 После нормализа- ции и закалки
12060.1 0,50 0,60 0,65 0,80 0,16 0,35 Про- дольное Попе- речное 452 439 798 779 22,0 18,0 46,0 30,7 24—28 14—18 После нормали- зации
12060.1 прокат Про- дольное Попе- речное 542 532 746 753 27,7 22,7 61,8 38,7 94—108 32—34 После нормализа- ции и улучшения
'ИЯ!.'! Г
Продолжение табл.
Стали по CSN Химический состав, % Направ- ление волокон в испы- тывае- мых об- разцах Н/мм2 Н/мм2 6. % ф, % ан’ Дж/см2 НВ Состояние
кова- ная ли- тая С Мп Si Сг р S
0,50 0,74 0,26 — 447 80,7 11,1 7,82 6—8 После литья
— 474 761 12,67 19,96 32—34 После нормализа- ции
— 400 643 27,0 38,5 36—38 После нормализа- ции и полного от- жига
— 650 817 25,0 51,0 50—52
12090.1 0,80 0,20 0,35 0,03 0,035 Про- дольное — 900 - — 253 После нормализа- ции
0,90 0,60
0,88 0,70 0,36 0,68 — — 737 1,0 1,6 После литья
— 665 990 2,67 3,4 После нормализа- ции
475 796 4,69 6,2 После нормализа- ции и полного от- жига
— — — — — — 63± 1 После закалки
Состояние После полного от- жига После полного от- жига, закалки и отпуска После литья После полного от- жига После полного от- жига, закалки и отпуска После полного от- жига После полного от- жига и улучшения После литья После полного от- жига После полного от- жига и улучшения
НВ 45—48 45—48
04 S 168— 176 76—82 164— 174 78—82 42—45 8 1 00 30—32 7— 11,4 5,4- 8,8 I | ОО О) об'’-4 5,4- 7,0 17,4- 24 11,4- 12,4
% 73 57,5 62,8 30,5 33,4 87,6 12,95 48,5 38,5 29,1 9,42 9,42 17,48 3,42
6, % 00 ° £ 00 °° со 13,7 8,32 17,7 31,0 5,33 24,4 19,35 9,34 3,33 о Гч ю ! 44,8 2,0
04 * S и g О _ X 490 498 1485 1465 563 495 1280 840 831 ю ю 00 00 1000 ' 244 1680
О) . § Н 3 о X 300 297 1 1 1 345 1 00 00 00 1 1 1 793 1
« <и о 3 * S’ Я о О д Я К <D s 3 ” « г; о £ л 2 X « « н s л Про- дольное Попе- речное Про- дольное Попе- речное 1 1 1 Про- дольное Попе- речное Про- дольное Попе- речное 1 1 1
Химический состав, % GO
cu Ч
Сг 0,80 1,10 06‘0 0,65
GO До 0,35 1,54
Mu О о •ч «ч 0,68 0,59
и о о о 0,19 0,56
Стали по 6SN ли- тая
кова- ная 14220.3 прокат 14220.4 прокат 14260.3 прокат 14260.3 прокат
184
7.3.3. ПОВЕРХНОСТНОЕ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЕ
СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
При литье по выплавляемым моделям углеродистых сталей
в нагретых керамических формах происходит поверхностное
обезуглероживание отливок (рис. 40). Первоначально считали,
что поверхностное обезуглероживание происходит в результате
реакции стали с кремнеземом, содержащимся в форме. Исследова-
ниями, а также термодинамическими расчетами было доказано,
что причиной поверхностного обезуглероживания является исклю-
чительно кислород воздуха. Обезуглероживание возрастает с уве-
личением толщины стенки отливки, с повышением температуры
формы и ее газопроницаемости и снижается с увеличением тепло-
проводности формулы. Влияние температуры заливаемого ме-
талла на поверхностное обезуглероживание отливки мало.
Обезуглероживание поверхности отливки начинается после
начала затвердевания металла. Точные отливки, получаемые
в раскаленных формах, охлаждаются медленнее, чем в холодных
формах. Охлаждение внутри отливки еще медленнее, чем на
поверхности.
Обезуглероживание является диффузионным процессом, зави-
сящим от продолжительности охлаждения отливки. Массивные
отливки имеют большую величину обезуглероживания по сравне-
нию с отливками, имеющими меньшую массу. При этом предпола-
гается, что для окисления углерода металла достаточно кислорода
воздуха. Чем больше газопроницаемость формы, тем лучше доступ
кислорода воздуха к остывающему металлу, тем больше обезугле-
роживание. При низкой газопроницаемости обезуглероживание
меньше, но в отдельных местах отливок оно может быть достаточно
большим. Большое влияние на глубину обезуглероживания ока-
зывает легирование стали. Обезуглероживание практически не
Рис. 40. Структура обезуглероженного слоя
185
происходит в сталях, содержащих соответствующее количество
легирующих элементов, которые имеют при температуре затверде-
вания стали большее сродство к кислороду, чем углерод. Напри-
мер, очень малый обезуглероженный слой имеют стали с 12% Сг
и быстрорежущие стали.
Расплавленный металл, заливаемый в холодные формы, охлаж-
дается быстрее, поэтому можно предположить, что поверхностное
обезуглероживание отливок в этом случае будет меньше. Резуль-
таты экспериментов подтвердили это предположение.
Поверхностное обезуглероживание можно предотвратить путем
заливки и охлаждения в атмосфере защитного газа или с помощью
засыпки керамических форм песком со специальными добавками.
Такими добавками являются вещества, которые при температуре
заливки разлагаются с выделением углекислого газа и тем самым
предотвращают обезуглероживание [42]. Практика показала, что
создание в форме защитной атмосферы обходится очень дорого.
Науглероживание смеси газовой фазой часто является причи-
ной образования раковин в отливках из-за трудно регулируемого
процесса выделения газа. На практике отливки получаются
с обезуглероженным слоем, глубина которого определяется но-
менклатурой заготовок, их материалом и принятым технологиче-
ским процессом. В том случае, если на изделии недопустимо обез-
углероживание, то следует прибегать к дополнительной химико-
термической обработке, например цементации.
7.3.4. НАУГЛЕРОЖИВАНИЕ
Науглероживание отливки во время ее охлаждения в литейной
форме, т. е. насыщение углеродом поверхностных слоев отливки,
часто заменяют термообработкой —цементацией. После цемен-
тации в обезуглероженном слое содержание углерода повышается
и примерно соответствует его содержанию в сердцевине отливки.
Величина науглероживания поверхностного слоя отливки за-
висит от температуры, при которой проводят цементацию, общего
времени науглероживания и от эффективности науглерожива-
ющего агента [43]. Повышение температуры и увеличение вре-
мени науглероживания способствует повышению содержания
углерода в поверхностном слое отливок. Для диффузии углерода
в поверхностный слой достаточен относительно короткий проме-
жуток времени. Этот период значительно удлиняется, если тре-
буется большой слой науглероживания. За 10 мин углерод про-
никает на глубину 0,125 мм; за 2 ч — на глубину 0,5 мм и за
время от 4 до 6 ч —на глубину 0,75 мм (рис. 41).
Науглероживание проводят в печах с контролируемой атмо-
сферой, которая состоит из окиси углерода, водорода, азота,
двуокиси углерода и небольшого количества водных паров. Состав
газовой фазы — атмосферы и ее температура строго регулируют
и контролируют. Для науглероживания в качестве карбюризатора
186
Рис. 41. Структура науглероженного слоя
можно применять твердые вещества. Такой способ очень прост
и пригоден для конструкционных сталей с содержанием углерода
от 0,35 до 0,70% при не очень сильном обезуглероживании (слой
около 0,3 мм).
В качестве науглероживающего средства можно использовать
древесный уголь без катализатора. Температура науглероживания
зависит от содержания углерода в необезуглероженной части
отливки. Чем больше содержание углерода, тем выше должна
быть температура науглероживания. Для стали с 0,4% С темпе-
ратура науглероживания 860° С; для стали с 0,5—0,6% С —
880° С, а для стали с 0,7% С —900° С. Древесный уголь с пони-
женной науглероживающей способностью обычно применяют для
низкоуглеродистых сталей.
После науглероживания проводят нормализационный или
полный отжиг в течение 4 ч. Термически обрабатываемые детали
укладывают в короб и засыпают стружкой серого чугуна.
Науглероживание — достаточно дорогой и длительный по
времени процесс. Но оно является единственным способом, при
котором обезуглероженный слой насыщается углеродом. Этот
способ необходим, как было сказано, для отливок, свойства и
назначения которых требуют равномерного содержания углерода
во всем сечении. Можно удалить обезуглероженный слой ме-
ханической обработкой. Однако при массовом производстве
это гораздо дороже, чем введение дополнительной термообра-
ботки.
Специфика получения отливок литьем по выплавляемым мо-
делям требует оснащения отделений термической обработки сов-
ременными проходными печами с контролируемой атмосферой.
В таких агрегатах должна быть предусмотрена наряду с термиче-
ской обработкой отливок операция цементации обезуглерожен-
ного слоя.
187
7.3.5. НОРМАЛИЗАЦИЯ
Нормализация для отливок из углеродистых сталей проводится
при нагреве до температуры выше на 50—100° С, а из легирован-
ных — на 150° С выше линии Ас3, с последующим охлаждением
на воздухе. После отжига получается гомогенная структура,
а после быстрого охлаждения образуется в областях критических
температур мелкая вторичная структура с равномерно распре-
деленными составляющими (рис. 42). Отливки из легированных
сталей, с малой критической скоростью после нормализаци-
онного отжига имеют мартенситную структуру, отливки из вы-
сокоуглеродистых сталей — мелкодисперсный перлит и мар-
тенсит.
Нормализацией обеспечивается мелкодисперсная структура со
стабильными и высокими механическими свойствами (предел
прочности при растяжении, предел текучести, удлинение, сужение
и ударная вязкость). Время выдержки при указанных темпера-
турах нормализационного отжига зависит от марки стали. Для
углеродистых сталей ориентировочно принимают минимальное
время выдержки из расчета 1 ч на каждые 25 мм толщины стенки
отливки; для легированных сталей время выдержки увеличивают
в несколько раз.
Нормализационный отжиг не снимает полностью внутренние
напряжения в отливках. Если по характеру эксплуатации отливка
не должна иметь внутренних напряжений, то после нормализации
необходимо проводить еще отжиг для снятия внутренних напря-
жений. Устранить внутренние напряжения можно специальным
режимом нормализации: нагрев до температуры отжига, выдержка,
охлаждение с температуры нормализации до 620—650° С на
воздухе, а затем охлаждение в печи до 400—250° С.
Рис. 42. Крупнозернистая структура в литом состоянии
188
7.3.8. ОТЖИГ ДЛЯ СНЯТИЯ ВНУТРЕННИХ
НАПРЯЖЕНИЙ
Это низкотемпературный отжиг для снятия внутренних на-
пряжений, которые возникают во всех отливках при их охлажде-
нии.
Мелкие отливки обычно не отжигают. Крупные отливки
отжигают при 550—650° С в течение 1,5 ч. Внутренние напряже-
ния снимаются тем полнее, чем выше температура и чем длитель-
нее отжиг. Охлаждение с температуры отжига должно быть мед-
ленным до температуры 250° С. Отжиг не устраняет грубую ли-
тую структуру и не выравнивает химическую неоднородность
сплава.
Он обычно предшествует последующим операциям термообра-
ботки (нормализации, закалке и др.).
7.3.7. ПОЛНЫЙ ОТЖИГ
При таком отжиге отливки после полной аустенизации мед-
ленно охлаждают в печи до 400—250° С. При этом устраняется
литая структура, частично выравнивается химическая неодно-
родность и полностью снимаются внутренние напряжения. По
сравнению с состоянием металла после литья существенно повы-
шаются относительное удлинение и ударная вязкость. После от-
жига отливки имеют невысокую твердость и, как правило, лучше
обрабатываются.
Для литых быстрорежущих сталей полный отжиг имеет еще
и другое значение, связанное со снижением выделения карбидов.
Получаемая при этом структура основной матрицы металла очень
благоприятна для последующей термообработки инструментов.
При затвердевании быстрорежущих сталей в результате перитек-
тических реакций выделяются структурные составляющие —фазы,
первичные кристаллы которых имеют разный химический со-
став.
Это определяет их различную твердость. Обычным отжигом сетка
карбидов не устраняется, но улучшается химическая гомогенность
структуры первичных зерен. Отливки из легированных сплавов
из-за разной скорости диффузии легирующих элементов следует
выдерживать при температуре аустенизации значительно дольше
чем отливки из углеродистых сталей.
Температура отжига быстрорежущих сталей 860—8809 С. Про-
должительность отжига зависит от состава стали и величины
отливки и обычно составляет 25—35 мин. Отливки из быст-
рорежущих сталей следует охлаждать в печи очень медлен-
но (20—25°С в час), особенно в диапазоне 800—700°С
(рис. 43, а—г).
189
Рис. 43. Структура стали CSN 422992:
а __ в литом состоянии; б — после закалки; в — после отжига; г — после закалки и
отпуска
190
7.3.8. ОТЖИГ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ
И ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ
Легированные стали, обладающие малой устойчивостью пере-
охлажденного аустенита, отжигают при 1050 и 1100° С в течение
30 мин. Затем в зависимости от толщины стенки отливки охлаж-
дают на воздухе или в воде. Быстрое охлаждение необходимо для
предотвращения выделения карбидов на границах зерен, которое
происходит в области температур ниже 900° С.
Стали, имеющие в структуре устойчивый к переохлаждению
аустенит, отжигают в течение 2 ч при 850° С. Эту операцию на-
зывают стабилизирующим отжигом. Такой отжиг повышает устой-
чивость стали к межкристаллитной коррозии. Стойкость этих
сталей против других видов коррозии повышается после отжига
при температурах 1050—1100° С.
7.3.9. ЗАКАЛКА С НИЗКИМ ОТПУСКОМ (СТАРЕНИЕМ)
Такая термическая обработка повышает прочность и твердость
отливок. Она применима для сплавов, содержащих элементы,
которые образуют твердый раствор ограниченной растворимости
в основным металлом при низких температурах и выделяющихся
из него при более высоких температурах. После закалки с отпу-
ском в сплаве образуются продукты распада пересыщенного твер-
дого раствора, находящегося в неравновесном состоянии.
Закалка с отпуском состоит из трех операций: нагрева сплава
до необходимой температуры; быстрого охлаждения сплава (за-
калки) до нормальной температуры около 20° С; отпуска (старе-
ния) при нормальной или повышенной температуре, во время
которого происходит изменение структуры, связанное с распадом
пересыщенного твердого раствора. Закалку с отпуском чаще всего
используют для алюминиевых сплавов, содержащих медь, никель,
магний, цинк, кремний и их различные комбинации; медных
сплавов, содержащих алюминий, бериллий и кремний.
Из черных сплавов можно назвать хромоникелевые стали с ма-
лоустойчивым переохлажденным аустенитом, стали с присадкой
титана, алюминия, бериллия или меди и жаропрочные стали [45].
Вместо титана в стали может быть применен ниобий. У термически
обработанных по такому режиму сталей повышается предел проч-
ности при растяжении и предел текучести, но сопротивление
коррозии ухудшается.
7.3.10. ЗАКАЛКА 0 ОТПУСКОМ (УЛУЧШЕНИЕ)
Отливки из высоколегированных и высокоуглеродистых ста-
лей можно получить с высокими механическими свойствами,
применяя термообработку — улучшение. Этой термообработкой
можно устранить литую структуру, изменить зерно и получить
наилучшие механические свойства во всем сечении, не уступа-
ющие свойствам деформируемых сталей.
191
При закалке отливок возможно возникновение Трещин. Чем
сложнее форма отливки и чем выше скорость охлаждения, тем
больше возможность образования трещин. Поэтому на практике
улучшают отливки простой конфигурации и небольшой массы из
углеродистых и легированных сталей. Перед закалкой отливки
отжигают или нормализуют для того, чтобы уменьшить выдержку
при температуре аустенитизации во время закалки. Увеличенная
выдержка при температуре закалки, которая потребовалась бы
для отливок, не прошедших гомогенизационный отжиг, вызывает
укрупнение зерна и ухудшение механических свойств после за-
калки. Температура закалки зависит от химического состава и
назначается на 25—50° С выше линии Ас3. Выдержка при тем-
пературе закалки составляет 15 и 30 мин для углеродистых и ле-
гированных сталей соответственно на каждые 25 мм сечения
отливки.
Закалку производят в воде или в масле в зависимости от со-
става стали, толщины стенки и сложности отливки. Остаточные
напряжения после закалки можно существенно снизить, если
отливки извлечь из закалочной ванны при температуре 120—
300° С, а после охлаждения провести отпуск. Требуемые меха-
нические свойства получают при температуре отпуска 450—650° С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Anonym. Turbinenschaufeln aus Titanguss. Energetica, Jhrg. 16, 1966,
2, s. 103.
2. Oldfield С. E. Titanium and Its Alloys. Part 3, Investment in Titanium
Alloys. The Engineer, London, 1968, s. 706—708.
3. Werning H. Feinguss gerecht gestalten. (Maschinenmarkt). Industrie Jour-
nal, Wurzburg, 78, 1972, 69, s. 1574—1576.
4. Hauri H. Prazisionsguss in Maschinenbau. Industriele Organisation 40,
1971, 6, s. 270.
5. Nickel E. G. Werkstoffempfehlungen fiir Feinguss. Giessfcrei, Jhrg. 46,
1959, 20, s. 542.
6. Broad E. M. A new Look at Design Properties of Investment Casting Me-
tals. Machine Design, 6. XII, 1962, 28, s. 148.
7. Anonym. Alloy Data for Precision Parts. Precision Metal, Vol. 27, 1969,
5, s. 44—45.
8. Bidwell H. T. Investment Casting. The Machinery Publisching, London,
1968, s. 108—151.
9. B. S. (British Specification), 3146, z. r. 1959.
10. Investment Casting Handbook: Investment Casting Institute, Chicago,
1968.
11. DDR—Standard, TGL 14415, Gruppe 293.
12. Kenneth С. B. Castability Ratings for Investment Casting Alloys. Ame-
rican Machinist, 20, 1964, s. 95—97.
13. Krekeler K. A. Feinguss. Stuttgart, Deva—Fachverlag 1963, s. 44.
14. Dechamp V. Possibilities de la Fonderie de precision. Revue Univ, des
Mines, 1955, s. 608.
15. Donaldson F. G. Current Practice in Investment Casting. Metal Industry
14.3. 1963, s. 360—362.
16. Houdremont E. Handbuch der Sonderstahlkunde II. Berlin, Springer
Verlag 1956, s. 1255.
192
17. Hulit W. Modern Castings, Vol. 46, 1964, s. 508—511. Floreen S. — Speich,
G., R.: Trans, Amer. Soc. Metals, Vol. 57, 1964, s. 714—726.
18. Anonym. Pitting of Investment Castings. Metal—Industry, London, Vol.
101, 1962, 25, s. 524.
19. Walker B. New Type of Fluidity Testpiece. British Investment Casters
Technical Association.
20. Czikel J. Die Kugellungkerprobe. Freiberger Forschungshefte, Reihe B,
1958, s. 209—226.
21. Mortlock J. J. Austr. Metals, 10, 1965, 3, s. 226.
22. Walker S. J. Effect of Cavities on the Mechanical Properties of Invest-
ment Cast steel. Foundry Trade Journal, 11.XII. 1969, s. 843.
23. Krescanovskij N. O., Nazarenko V. R. Vlijanije cerija na nekotoryje svo-
jstva litoj stali, Litejnoje proizvodstvo, 1966, 5, s. 32.
24. Eisermann F., Sulzer W. Uber die mechanischen Eigenschaften von Pra-
zisionsgussstiicken, Technische Rundschau, 1955, 7, 18.
25. Dechamps V. Possibilities de la Fonderie de precision. Revue univ. des
mines, IX, 1955, s. 605—619.
26. Anonym. A Designers Guide to Investment Casting. Precision Metal Mol-
ding, leden 1963, s. 45—48.
27. Schwalbe R. Richtlinien zur Verwendung von Stahlfeinguss. Ztschr. f.
Metallbearbeitung, 88, 1961, 3, s. 133—138.
28. Eisermann F., Sulzer W. Uber die mechanischen Eigenschaften von Pra-
zisionsgussstiicken. Technische Rundschau, 1955, 7, s. 38.
29. Engler S. Giessereitechnik. Fachgebiete der Technik in Jahres—Uber-
sichten. VDI—Ztschr., 107, 1963, s. 1184.
30. Eisermann F. Einfluss von Wanddicken und Reinheit des Einsatzes auf
die mechanischen Eigenschaften von Stahlguss. Giesserei, 51, 1964, 1, s. 1—4.
31. Rose H.. L., Witte W. Einfluss von Wanddicken auf das Primargefuge
und die mechanischen Eigenschaften von unlegiertem und legiertem Stahlguss.
Prednaska na kongresu slevacu v New—Delhi, Indie, v prosinci 1966.
32. Pikunov M. V. Osobennosti zatverdevanija otlivok, Litejnoje proizvodstvo,
10, 1966, s. 25—27.
33. Rosenthal H. Solidification of Investent Castings. Referat z konference
Evropskeho sdruzeni slevacu presn^ch odlitku v r. 1963, DT 621.74.045.
34. Patterson W. Wanddickeneinfluss als Forschungsproblem. Giesserei, 51,
1964, 6, s. 113—114.
35. Investment Casting Institute Chicago: How to Design and Buy Invest-
ment Castings, 1960, s. 62—64, a 68.
36. Sklennik J. I., Ozerov V. A. Litje po vyplavljajemym modeljam. Moskva,
Masinostrojenie, 1971, s. 37—56.
37. Marchajev B. J., Sidleckij O. G. Litejnoje proizvodstvo, 1966, 9,
s. 24—25.
38. Jares. Metalografie nezeleznych kovu. Praha, 1950.
39. Hermann R. H., Huskonen W. D. Modern technology — Foundry, srpen
1963, s. 127—129.
40. Havlicek M., Tihelka B. Mechanicke vlastnosti lit^ch oceli, ukol 632,
ZPS Gottwaldov.
41. Kieper F. Randentkohlung beim Feinguss. Giesserei, 3.5.1962, 9, s.
247-^253.
42. Doskar J. a koi. Presne liti do keramickych forem. Praha, 1961.
43. Broad E. M. Carbon restoration investment castings. Precision Metal
Molding, rijen 1961, s. 86—87.
44. Pisek F. Nauka о materialu. Praha, SNTL 1957.
45. Pospisil R. Antikorozni a zarovzdorne oceli. Praha, SNTL 1956.
7 И. Дошкарж и др.
Глава 8
ПЛАВКА И ЗАЛИВКА
Плавка металлических материалов является одним из техно-
логических процессов при производстве качественных точных
отливок. Литье по выплавляемым моделям начинают использовать
в широких масштабах для производства машиностроительных
деталей, которые работают в исключительно тяжелых условиях.
К одной группе отливок предъявляются требования только по
конфигурационной точности, к другой предъявляются высокие
требования по точности и эксплуатационной надежности. Ко вто-
рой группе относятся детали инструментального хозяйства, от-
ливки для энергетических устройств, паровых и газовых турбин.
Последние, например, должны иметь высокое сопротивление пол-
зучести при эксплуатационных температурах. Отдельную группу
образуют отливки для авиационной и оборонной промышленности.
К ним предъявляются строгие условия приемки и специальные
требования к качеству.
Производство точных отливок все больше базируется на пос-
ледней группе отливок, так как при этом наиболее полно прояв-
ляются экономические преимущества литья по выплавляемым
моделям. При переходе на изготовление деталей литьем (вместо
ковки) необходимо использовать все возможности, чтобы литая
заготовка не уступала поковке. При этом процессы плавки,
металлургической обработки и заливки имеют решающее значение.
Для обеспечения качественного проведения этих процессов необ-
ходимо разрабатывать точные технологические инструкции, строго
выдерживать их соблюдение и контроль в плавильных отделениях.
8.1. ПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Для черных сплавов в цехах литья по выплавляемым моделям
используют электрические плавильные печи. В ЧССР применяют
дуговые и индукционные тигельные (без сердечника) печи. Трех-
фазные печи с прямым воздействием пламени дуги на ванну в про-
изводстве точных отливок не применяют. Дуговые печи обычно
с основной футеровкой наиболее приемлемы для переплавки отхо-
дов. В них можно не только изменять содержание углерода, но
и очищать металл от фосфора и серы.
194
Рис. 44. Однофазная дуговая плавильная печь:
1 — основание; 2 — стойки печи; 3 — подвод элек-
троэнергии; 4 — электрод; 5 — полые цапфы; 6~
изоляционная прокладка; 7 —огнеупорный тигель;
8 — кожух печи; 9 — промежуточный изоляцион-
ный слой; 10 — ванна жидкого металла; 11 —
вакуумного устройства; 12 — литейная
12
11
з
кожух
форма
Рис. 45. Схема низкочастотной индук-
ционной печи с сердечником:
— сердечник; 2 — первичная обмотка;
— канал; 4 — жидкий металл
В ЧССР в цехах литья по выплавляемым моделям используют
электродуговые однофазные и индукционные плавильные печи
без сердечников с тиглями средней величины. Индукционные
печи канального типа не применяют [1 ].
Дуговая однофазная печь (рис. 44) — простое недорогое
устройство. Трансформатор печи имеет во вторичной обмотке
напряжение 40—120 В. Изменяя переключением ступеней напря-
жение и силу тока между электродами, регулируют тепловую мощ-
ность печи. Тигель печи поворачивается вокруг горизонтальной
оси, находящейся выше центра тяжести. По оси поворота про-
ходят графитовые электроды, подводящие электрический ток.
Высокая температура шлака и основная футеровка позволяют
проводить любые металлургические процессы, а не только рас-
плавление шихты. Однако в большинстве случаев эти печи ис-
пользуются именно для расплавления металла, доведения его до
нужного химического состава и раскисления. Закрытая кон-
струкция печи обеспечивает при необходимости избыточное давле-
ние инертного газа (для предупреждения окисления расплавлен-
ного металла). Емкость печей от 5 до 300 кг металла.
Электрическая печь канального типа (рис. 45) может иметь
канал, ориентированный в горизонтальной плоскости с от-
крытым зеркалом металла, или (в более совершенных печах)
канал установлен вертикально и погружен под зеркало
ванны.
Нагревающее устройство печи является своеобразным транс-
форматором, вторичной обмоткой которого служит жидкий металл
в канале. В этом металле индуктируется ток большой интенсив-
7* 195
Рис. 46. Упрощенная электрическая
схема индукционной ; бессердечниковой
печи:
1 — рубильник; 2 — электродвигатель;
3 — генератор; 4, 5, 6 — регулирующие
устройства; 7 — выключатель; 8 — кон-
тактор; 9 — конденсаторные батареи;
10 — индуктор
ности, с большими тепловы-
делениями (джоулева тепло-
та). Печи канального типа
имеют следующие недостатки.
1. Динамический и сило-
вой эффект индукционного
поля вызывает очень интен-
сивное движение металла.
Металл сильно окисляется, а
футеровка размывается.
2. Нельзя плавить металл
в печи на твердой завалке.
Для того чтобы металл рас-
плавился, в печи все время
должно оставаться «болото»
или нужно наливать жидкий металл из другой печи.
3. Футеровать печь трудно.
Эти печи используют для плавки цветных сплавов или каче-
ственных чугунов, где их применение более оправданно.
Наиболее приемлемой печью для всех типов сталей и спе-
циальных сплавов, нашедшей в практике наиболее широкое при-
менение, является индукционная тигельная печь (рис. 46) [3].
Металл плавят в тигле из кислой или основной набивной массы.
Тигель вставлен в индуктор. По медной трубке индуктора цирку-
лирует холодная вода. Индуктор соединен с источником перемен-
ного тока высокой частоты. В печах малой емкости применяют
высокочастотные генераторы электронного типа, а в печах с боль-
шим объемом тигля — машинные (вращающиеся) генераторы.
В последнее время стали применять полупроводниковые тири-
сторные преобразователи частоты, которые не имеют вращающихся
частей и поэтому более надежны (с точки зрения ремонта). В пе-
чах с объемом тигля в несколько тонн можно использовать не-
посредственно трансформатор промышленной частоты 50 Гц.
При плавке в печах этого типа нельзя проводить металлурги-
ческую обработку даже при наличии основной футеровки тигля.
Химические реакции между металлом и шлаком практически не
происходят, так как шлак слишком холодный. Использование
теплоты для нагрева шлака от крышки (свода) в практике не
нашло применения. Такие печи в настоящее время находятся на
высоком техническом уровне; их часто оборудуют полностью
автоматическим у пр авлением наиважнейшими электр ическими
параметрами. Обслуживающий персонал подготовляет и загружает
196
шихту, следит за ее расплавлением, а автоматические устройства
обеспечивают наилучший режим плавки.
Плавка в вакууме в среде инертных газов обеспечивает ста-
бильное получение химического состава металла (снижается угар
элементов) и его высокое качество (отсутствие неметаллических
и газовых включений). При этом необходима герметизация пла-
вильного пространства и узла соединения этого пространства с по-
лостью, в которой установлена заливаемая форма. В связи с этим
в настоящее время применяют цельнометаллические конструкции,
в которых внутри емкости (кожуха) с пониженным давлением
размещают плавильный агрегат и форму для заливки металла.
Таким технически вполне совершенным агрегатом является
плавильная установка индукционного типа (рис. 47). Внутри
герметичной опрокидывающейся конструкции, которая соединена
с вакуум-насосом, расположен индукционный плавильный тигель.
За ходом плавки ведется наблюдение через специальный глазом
в откидной крышке. В боковой части установки имеется специаль-
ный захват, позволяющий при опрокидывании тигля выливать
жидкий металл в литейную форму. Весь ход плавки, заливки и
-затвердевания проводят при пониженном давлении.
Установки такого типа, поставляемые фирмой DEGUSSA,
отличаются тем, что вакуумный кожух (емкость) целый (рис. 48).
Форма (изложница), расположенная внутри формы, поворачи-
вается вокруг горизонтальной оси, а тигель с индуктором пере-
мещается, чтобы выпускное отверстие устанавливалось над зали-
вочной чашей формы.
Теплота, излучаемая печью и формой, отводится от кожуха
водяным охлаждением.
При рассмотрении преимуществ и недостатков отдельных
систем можно установить, что дуговые однофазные печи имеют
небольшую стоимость и малые эксплуатационные расходы. Про-
изводственные расходы, в которых преобладают расходы на
электроэнергию и стоимость обслуживания, значительно выше,
Рис. 47. Схемы наиболее распространенных вакуумных плавильных печей с индукцион-
ным нагревом:
I—IV — типы печей; 1 — изложница или литейная форма; 2 — тигель с индуктором;
3 — индуктор для расплавления пробки; 4 — расплавляемая пробка; 5 — стопор
197
чем при индукционных печах.
Особенно велик расход электро-
энергии, отнесенный к количест-
ву выплавленного сплава при
непрямом нагреве электричес-
кой дугой от 1,2 до 2,0 кВт- ч/кг.
Эти величины расхода, естест-
венно, зависят от емкости печи
и типа сплава.
Такие устройства лучше при-
менять в литейных цехах не-
большой мощности или там, где
при опрокидывании печи с
укрепленной на ней формой ис-
пользуются все преимущества
вакуумного литья. В этих печах
можно с некоторыми затрудне-
ниями выплавлять сплавы с
очень низким содержанием угле-
рода, так как за счет разруше-
ния электродов в электрической
дуге расплав частично наугле-
роживается. Сердечниковые ин-
дукционные 1 печи пригодны
Рис. 48. Вакуумная индукционная печь
для плавки цветных сплавов или чугунов. Для плавки леги-
рованных сталей они не годятся.
Наиболее приемлемым плавильным устройством для литейных
цехов точных отливок является индукционная бессердечниковая
печь. Такие печи технически являются наиболее совершенными
и при правильном обслуживании работают с максимальной эконо-
мичностью, особенно в отношении потребления дорогой электри-
ческой энергии. Выплавленный металл отличается высоким каче-
ством. Не рекомендуется проводить в этих печах металлургическую
обработку. С точки зрения капитальных затрат такие устройства
достаточно дороги, поэтому при выборе плавильных печей следует
провести тщательный экономический расчет. При недостаточной
загруженности таких печей большие амортизационные отчисления
отрицательно сказываются на стоимости отливок. То же (но в еще
большей степени) относится и к вакуумным индукционным печам.
По сравнению с обычными индукционными печами (равной емко-
сти) при применении вакуумных печей существенно увеличиваются
расходы на обслуживание и текущий ремонт сложного оборудова-
ния по созданию и контролю вакуума. Установка таких печей
оправдана там, где выплавляются сплавы, имеющие большое
сродство к кислороду воздуха или растворяющие газы. Такие
сплавы, выплавленные в обычных условиях, имеют низкие механи-
ческие ^ли другие служебные свойства, т. е. их получение без
вакуума или создания специальной атмосферы вообще невозможно.
198
8.2. ШИХТОВКА И ПЛАВКА
8.2.1. МЕТАЛЛОЗАВАЛКА И ПРИСАДКИ
Для того чтобы получить металл с нужным химическим соста-
вом, необходимо тщательно рассчитывать шихту с учетом хими-
ческого состава компонентов шихты, выдерживать режим плавки
и учитывать угар отдельных элементов. Часть отливок впослед-
ствии проходят режим химико-термической обработки, например
цементацию, азотирование, сульфидирование или термообработку—
закалку, улучшение и т. п. Чтобы результаты последующих
процессов термообработки были постоянными, необходимо иметь
отливки с постоянным химическим составом. Несмотря на то, что
точные отливки имеют относительно малую массу, эти условия
обычно нельзя полностью выполнить, так как плавильные печи
в литейных цехах литья по выплавляемым моделям имеют относи-
тельно малый объем и из одной плавки невозможно получить всю
партию отливок.
В качестве отходов, пригодных для металлозавалки в плавиль-
ных печах малого объема, можно использовать сортовые маркиро-
ванные отходы из прокатанного металла и возврат собственного
производства. Остальные материалы, особенно поставляемые как
машинный лом со стороны, следует применять крайне осторожно,
так как состав его точно неизвестен. Кроме того, вторичный металл
может состоять из материалов с разным химическим составом.
Сделать же эксперсс-анализ после расплавления вряд ли возможно,
учитывая небольшой интервал выдержки расплавленного металла
перед его разливкой.
В цехах литья по выплавляемым моделям рекомендуется орга-
низовать переплавку отходов в плавильных печах большой емко-
сти. Металл разливают в изложницы и получают мерную заготовку
известного химического состава, которую затем расплавляют
в плавильных раздаточных печах. Используя качественную шихту
с известным химическим составом, можно с уверенностью получать
металл требуемой марки (при тщательном соблюдении технологи-
ческой инструкции ведения плавки).
Другой составляющей металлозавалки являются металличе-
ские и раскисляющие добавки, которые подбирают в зависимости
от типа выплавляемых сплавов.
8.2.2. РАСЧЕТ ШИХТЫ
При расчете шихты очень важно знать величины угара и
пригара отдельных элементов в плавильной печи, химические
составы отдельных составляющих, которые имеются в производ-
стве, а также конечный состав выплавляемого сплава.
Простейшим аналитическим уравнением для расчета отдельных
присадок является
199
где х — количество присадки, кг;
V — масса садки, кг;
— фактическое содержание присадки в садке, %;
Q2 — требуемое содержание присадки, %;
L — содержание вводимого элемента в присадке, %.
Рассчитанное количество присадки по этому уравнению необ-
ходимо скорректировать на угар или пригар (при плавке).
Если требуется использовать большое число составляющих и
присадок для многокомпонентных сплавов, то расчет становится
очень сложным и лучше составить соответствующую таблицу
(см. табл. 72). Можно также использовать специальные номограммы
(рис. 49).
Угар или пригар некоторых элементов изменяются в зави-
симости не только от типа плавильной печи, особенно футе-
ровки, но и от общего содержания элементов и от состава при-
садки.
Угары некоторых элементов приведены в табл. 73. Удобно
разработать также пособия по фактическим результатам для
ассортимента сплавов собственного производства, так как данные,
приведенные в табл. 73, нельзя считать общепринятыми.
Количество
легирующего элемента, кг Р1 - Количество 1 Р, °/о ферросплава, кг
SO- 40- 30- 20- 15- — -0,05 -0,10 - 0,20 -0,30 0,40 0,50 0,50 - 0,80 1,00 1,50 2,00 3,00 4,00 -5,00 -30 -40 50 ' 60 • 70 80 90 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1500 10 20 30 40 50 70 100 • • 2000 -1500 -1000 -800 600 500 400 -зоо -200 -100 90 80 70 во 50 40
Масса П1 металла ,т о/ > /о
Рис. 49. Номограмма для расчета легирующих добавок
200
Таблица 72. Пример расчета шихты для выплавки стали по 6SN 422981
ментов (а — в составляющих шихты, 'е на количество составляющих), % со \О G3 0,50 0,20 0,35 0,11 1,2 0,22 0,6 0,001 75 0,41 3,0 0,07 — 1,012 5 0,05 0,962 1 0,50 1,00
Мп о <33 0,40 0,16 0,20 0,06 0,5 0,093 88 0,17 0,5 0,0025 — 0,4855 30 0,145 0,340 Не более 0,60 ।
Содержание эле б — в пересчез О \о (Я 0,18 0,072 0,08 0,026 0,1 0,018 0,4 0,1 0,0005 — 0,1165 5 0,006 0,110 Не более 0,15 ।
с сс о а U ь- оо оо о г» г» О CD О —• СО CD о оо < 250 5,5 1
S Ч С 0х щ ю CD S (М Ю Ю О CN 00 О О Ю CN СО —< 001 1
Составляющие шихты Переплавленные отходы стали .18-8 Переплавленные отходы низкоуглеро- дистой стали FeCr FeMn FeSi Ni FeTi Садка (итого) Угар (—) Пригар (+) Итого Рекомендуемый состав
201
ние табл. 72 <У СО о 0,030 0,012 0,020 0,006 0,04 0,007 0,05 — 0,05 — Ю LQ CM I CM О 1 о о о 1 1 0,040
£ о о сх ющих шихты, б — в пересчет ляющих), % \О <я 0,030 0,012 0,020 0,006 0,03 0,006 0,1 0,0002 0,1 0,0005 , LQ СМ СМ О 1 О О О 1 1 Не более
\О О CD CD CM • CD I I I —< О О со о ООО о см о см —' 00 со СМ о о о 1
ментов (а — в составля на количество состав сг LO Ю °. °. °- 1 1 1 О О СМ 1 1 1 00 70 1
н \О СЯ II 1 1 1 1 о II 1 1 1 1 Й — 0,80 70 0,56 0,24 0,20 0,40
Содержание эле: •т"И Z Ю <Я 8,4 3,35 100 5,50 — 8,85 2 0,17 0,68 см со оо аэ
и \о <я 17,5 7,0 67 12,5 — 19,5 5 0,98 I ,18,52 о о оо сп
Составляющие шихты Переплавленные отходы стали 18-8 Переплавленные отходы низкоуглеро- дистой стали FeCr FeMn FeSi Ni FeTi Садка (итого) Угар (—) Пригар (+) Итого Рекомендуемый состав
202
Таблица 73. Угар, %, элементов в сплавах
при плавке в индукционной печи
Сплав При плавке При леги- ровании Сплав При плавке При леги- ровании
Эле- мен- ты Футеровка Футеровка Эле- мен- ты Футеровка Футеровка
кис- лая ос- нов- ная кис- лая ос- нов- ная кис- лая ос- нов- ная кис- лая ос- нов- ная
11500 12050 12060 С Si Мп 10 40 12 80 20 20 5 35 20 20 20 PMS С Сг W V Мо Со 8 5 4 5 4 12 12 6 8 8 2 20 10 7 10 10 20 15 7 10 10 2
14220 СЕА С Si Мп Сг 5 55 11 18 90 30 13 20 5 35 10 20 25 20 12
AKV С Сг Ni Ti 5 5 2 95 8 8 4 50 10 5 2 75 20 5 3 26
15241 CVZ С Si Мп Сг V 12 10 35 15 25 13 80 25 16 20 20 5 35 10 20 20 25 25 12 20
Серый чугун С Si Мп 8 6 20 — 20 3 25 —
14260 SCH С Si Мп Сг 3 11 6 5 9 13 7 2 20 35 5 20 10 20 5
8.2.3. ОБСЛУЖИВАНИЕ ПЕЧИ И ВЕДЕНИЕ
ПЛАВКИ
Печь следует заполнять шихтовыми материалами осторожно во
избежание повреждения или разрушения футеровки. Для включе-
ния печи, регулирования ее мощности и отключения должна
быть разработана точная технологическая инструкция. Она,
естественно, не будет одинакова для различных печей. В дуговых
печах этот процесс будет относительно простым, а в индукционных
печах — значительно сложнее.
Расплавление металла должно производиться возможно быст-
рее, т. е. этот период плавки ведут при максимальной мощности
печи. При таком режиме уменьшается возможность поглощения
газов-металлом и обеспечивается экономичность процесса, так как
снижается расход электроэнергии и износ футеровки на единицу
массы расплавляемого металла.
При плавке в дуговых печах нет необходимости в шлакообра-
зующих присадках. В индукционных печах с кислой футеровкой
используют в качестве шлака бой стекла или смесь кварцевого
песка и известняка с небольшой добавкой углеродсодержащих
веществ.
203
В печах с основной футеровкой используют известняк, при
этом вязкость шлака можно снизить, например, добавкой плави-
кового шпата или соды.
Естественно, что следует добавлять и раскисляющие вещества.
У сталей с большим содержанием углерода этим раскислителем
может быть сам углерод, в других случаях кремний, алюминий,
кальций, реже титан.
После расплавления и перегрева металла вводят легирующие
компоненты. Первоначально следует вводить элементы, которые
при данной футеровке меньше угарают. Ход раскисления контро-
лируют обычно отбором технологический пробы жидкой стали,
заливаемой в кокиль. Если жидкая сталь раскислена, то кислород
металла связан раскисляющим элементом, и образование усадоч-
ной раковины даже в последний момент затвердевания пробы
происходит без признаков выделения газа. В отдельных случаях
на поверхности пробы образуется корка металла, которая не
позволяет наблюдать форму образующейся усадочной раковины и
выделения газа. В этом случае следует при затвердевании пробить
образующуюся корку. При заливке технологической пробы обычно
замеряют температуру расплавленного металла.
Во время плавки недопустимо попадание воды в шихту или
в расплавленный металл. Все инструменты, которые применяет
плавильщик, в том числе и ковш для отбора жидкого металла из
печи для проб, должны быть сухими. Футеровка желобов, разли-
вочных ковшей, с которыми соприкасается жидкий металл, должна
быть прокалена с целью удаления свободной и химически связан-
ной воды. Шихтовые материалы должны быть совершенно су-
хими, без окислов. Желательно перед загрузкой в тигель пла-
вильной печи шихту подогреть для гарантированного удаления
влаги.
Перед началом новой плавки плавильщик должен определить
сорт материала, выплавленного в предыдущей плавке, и футеровку
тигля. Это важно с точки зрения соблюдения химического состава
новой плавки. Остатки металла и шлака от предыдущей плавки,
особенно при выплавке высоколегированных сплавов, могут
содержать значительные количества присаживаемых элементов,
которые, переходя в расплавленный металл, изменяют его хими-
ческий состав. Футеровка печи при плавке насыщается составляю-
щими сплава из предыдущей плавки, поэтому для гарантирован-
ного получения требуемого химического состава следует после
каждой плавки тщательно очистить печное пространство тигля и
заливочный желоб от остатков приставшего металла. Не обяза-
тельно каждую плавку проводить в новом тигле, но требуется
выполнять предписания относительно последовательности выплав-
ления отдельных сплавов, учитывая тип и содержание отдельных
элементов. Однако, если необходимо срочно осуществить плавку,
то следует проводить «промывочную» плавку, металл которой не
используют для отливок.
204
8.2.4. ПЛАВКА НЕКОТОРЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ
Углеродистые и легированные стали с малым количеством
вводимых легирующих элементов. Эти стали не представляют за-
труднений при плавке. Исключение составляют только стали,
предназначенные для последующей цементации и азотирования,
которые содержат относительно мало углерода. Для изготовления
отливок из этих сталей в большинстве случаев следует в электро-
дуговой печи выплавить промежуточный сплав с требуемым
химическим составом. Для возможного дополнительного легирова-
ния можно использовать сплавы только с низким содержанием
углерода.
Быстрорежущие стали. Эти стали имеют различный состав
и отличаются не только содержанием углерода, но и содержанием
легирующих элементов. Так как промежуточный экспресс-анализ
химического состава металла во время плавки затруднен по
техническим причинам, то часто содержание элементов, пред-
писанное нормалями, не выдерживается, в связи с чем появляются
бракованные отливки или возникают значительные затруднения
при дальнейшей термообработке. Поэтому рекомендуется пере-
плавлять покупные отходы в большой электродуговой печи для
усреднения их химического состава. Содержание углерода и
присадок следует корректировать уже при переплавке, но так,
чтобы перед заливкой сталь была обработана только раскисляю-
щими присадками.
Быстрорежущие стали выплавляют в печи с кислой и основной
• футеровкой, но все же отдается предпочтение кислой футеровке.
Несмотря на то, что сталь имеет низкое содержание углерода, ее
следует предохранять от перегрева, иначе ее литейные свойства
резко ухудшаются. Перегрев опасен главным образом при плавке
в опрокидывающихся дуговых печах.
Для раскисления добавляют ферросилиций, но лучше силико-
кальций. Раскисление алюминием или титаном не требуется.
Сплавы железа с кремнием. Эти сплавы плавят в печах с кис-
лой футеровкой. При выплавке этих сплавов необходимо точно
выполнять все предписания и, в частности, не перегревать их
выше 1500° С. Чтобы в ванну не попадал водород, футеровка печи,
желоба и ковша, литейный инструмент должны быть тщательно
просушены.
Сплавы железа с алюминием (пирофералы) выплавляют только
в индукционных печах с кислой футеровкой. Температура при ’
плавке не должна превышать 1450° С. Расплавленный металл не
следует держать в печи более 10 мин.
Сплавы железа с хромом. Поскольку в этих сплавах относи-
тельно высокое содержание углерода и среднее содержание осталь-
ных элементов, плавить их, особенно стали, содержащие 20—
30% Сг, в индукционных печах с кислой футеровкой очень
трудно.
205
Аустенитные и мартенситные хромоникелевые кислотостойкие
и жаропрочные стали. Эти стали отличаются содержанием хрома,
никеля и углерода. Решающее влияние на структуру и свойства
оказывают никель и хром. Такие стали желательно по возможности
плавить в индукционных печах с основной футеровкой.
Аустенитные стали с высоким содержанием марганца. Основные
элементы в этих сталях — марганец и углерод; в сталях некоторых
типов содержится и хром. Такие стали плавят в печах с основной
футеровкой, так как в печах с кислой футеровкой происходит
интенсивное разложение кремнезема. Температура заливки сталей
1520—1570° С в зависимости от толщины стенки отливки.
Здесь приведена только основная информация о плавке некото-
рых высоколегированных сталей. Поскольку при ведении плавки
сплавов с высоким содержанием кремния, алюминия, хрома,
никеля и титана необходимо соблюдать специфические условия,
рекомендуется при внедрении таких сортов сплавов в производ-
ственный процесс разрабатывать подробные инструкции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Doskar J., Eminger Z., Hustak M. Nove pracovnf metody ve slevarenstvi.
Praha, SNTL 1954, s. 35, 60, 61.
2. Eminger Z., Weber K. Vyroba specialnfch odlitku. Praha, 1957.
3. Walla W. Vyroba slitinovych oceli. Praha, 1954, s. 279, 290.
Глава 9
ОБРАБОТКА ОТЛИВОК
9.1. УДАЛЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ ФОРМ
Монолитные формы (оболочковая форма, заформованная жидко-
наливной массой с цементным или этилсиликатным связую-
щим) применяют в исключительно редких случаях. Поэтому в
дальнейшем приводится технология финишных операций для
форм с сыпучим наполнителем или частично оболочковых
форм.
Оболочковые формы после заливки металлом должны вместе
с засыпкой и опокой остыть до температуры, позволяющей про-
изводить дальнейшие операции. Для этого опоки обычно транспор-
тируют в проходном охладительном туннеле или по крайней мере
их устанавливают на специально огороженном участке с доста-
точно интенсивным отсосом. После охлаждения залитые оболочки
с засыпкой перемещают на рабочий стол с решеткой, где песок
высыпают из опоки, и через решетку он попадает в бункер,
откуда пневматически транспортируется в ^емкость над столом
(рис. 50).
При использовании блоков без наполнителя отливки охлажда-
ются вместе с оболочкой.
Легкость отделения оболочковой формы от отливки зависит от
формы отливок и их расположения на стояке. Часто достаточно
только удара ручным молотком по стояку. Весьма эффективно
механизированное устройство с вибрационным молотком. Оно
представляет собой шумоизоляционную камеру с дверцами.
Внутри камеры находится вибрационный молоток с соответствую-
щим зажимом, передающим вибрацию на блок отливок. Отбитая
керамика падает в ящик, установленный на полу камеры. Такие
устройства с пневматическим приводом установлены в литейных
цехах точного литья ЧССР (рис. 51). В течение 15—30 с удаляется
большая часть керамической формы.
Сложные по конфигурации отливки, особенно отливки с по-
лостями, с удаленными сквозными или глухими отверстиями,
глубокими пазами и т. п., которые заполнены большим
количеством керамики, очищают другими способами, напри-
мер ручным зубилом, высверливанием или струйной обработ-
кой.
207
Рис. 50. Бункер с решеткой для приема
использованного наполнителя
Рис. 51. Вибрационное устройство для отде-
ления отливок от стояка
9.2. ОТДЕЛЕНИЕ ОТЛИВОК ОТ ЛИТНИКОВОЙ
СИСТЕМЫ
Для отделения отливки от литниковой системы используют
различные способы. Каждый раз выбирают такой способ отделения,
который для данного случая наиболее приемлем с точки зрения
трудоемкости имеющегося в распоряжении станочного оборудова-
ния. При этом требуется учитывать вид материала отливок, способ
питания и сборки, а также возможность закрепления отливки или
блока в зажимах, в центрах приспособления, в специальных гнез-
дах и т. п. Большое влияние на отделение отдельных отливок от
литниковой системы оказывает конструкция всего блока, поэтому
способ отделения должен быть определен уже при подготовке
производства конкретной отливки.
Используемые способы отделения отливок от литниковых
систем описаны в соответствующей литературе [1].
9.3. ОЧИСТКА ОТЛИВОК
Очистка отливок — это операция по удалению остатков кера-
мики с поверхностей отливок, которые остались на них после
предыдущего грубого удаления керамической оболочки.
Отливки очищают химическим или механическим способами.
Обе эти технологии имеют свои технические преимущества и
208
недостатки. В литейных цехах с большой производственной номен-
клатурой иногда необходимо использовать все указанные способы,
применяя их в зависимости от потребности.
Преимущество химического способа очистки отливок от остат-
ков керамики состоит в том, что не ухудшается качество поверх-
ности отливок после литья.
Выщелачивание отливок в расплавах едкого натра. Отливки,
с которых удалена основная часть керамики механическим спосо-
бом, выщелачивают в расплавленных растворах едкого натра при
400—500° С. В свежеприготовленном растворе остатки керамики
растворяются очень быстро — за 2—5 мин (в зависимости от
величины отливок и количества остатков керамики). Реакция
проходит иногда так бурно, что может вызвать кипение расплава
едкого натра. Поэтому на отливках не должно быть более чем 2%
керамики. При реакции между едким натром и кремнеземом кера-
мики образуется вода, которая при высокой температуре превра-
щается в пар
SiO2+2NaOH-Na2SiO3 + Н2О.
Большой объем пара вызывает эффект кипения ванны, про-
исходит вспенивание едкого натра, и он может переливаться через
край ванны.
Как только насыщение ванны кремнеземом достигнет 8—10%,
расплав начинает густеть, время выщелачивания удлиняется. Для
сокращения времени выщелачивания следует повысить темпера-
туру расплава. Со дна ванны необходимо систематически отбирать
отстой (осадок), которым в сущности является загустевший сили-
кат натрия, песок и сода. Осадок удаляют после отстаивания его
в спокойной ванне и при охлаждении едкого натра до 350° С. После
удаления осадка в ванну добавляют едкий натр.
Расход едкого натра значителен, он зависит от количества
растворяемой керамики, а также от массы NaOH, остающегося на
отливках при извлечении их из ванны. На 1 кг керамики расхо-
дуется около 7 кг едкого натра, или на 1 т отливок от 90 до 150 кг.
Количество уносимого едкого натра из ванны зависит от темпе-
ратуры ванны (со снижением температуры повышается вязкость
расплава); от содержания силиката натрия (с повышением его
содержания ванна густеет, повышается вязкость); от формы тары,
в которую загружены отливки, и от конфигурации самих отливок.
Бесспорное преимущество такого способа очистки — быстрота
и ликвидация дополнительной механической очистки. Недостатки
способа — относительно большие расходы на такую очистку и
в известной мере опасность работы.
Продолжительность выщелачивания можно существенно сокра-
тить предварительным подогревом отливок до 400° С в отдельной
печи. Отливки после выщелачивания, уже без керамики, охлаж-
дают на воздухе до 100° С; оставшийся на отливках слой едкого
натра удаляют растворением в теплой воде. В большинстве случаев
209
Рис. 52. Ванна с расплавленной щелочью для очистки отливок
едкий натр расплавляется в ваннах, изготовленных из низкоугле-
родистой стали, которые нагревают с наружной стороны электри-
ческими элементами сопротивления или жидкий расплав можно
нагревать опущенными в него электродами. По требованиям
техники безопасности ванна должна быть оборудована крышкой
и отсосом газов (рис. 52).
В США на нескольких заводах для удаления остатков оболочек
комбинируют выщелачивание в расплавленном щелочном едком
натре с травлением в кислотах [2].
В расплаве щелочной гидроокиси можно удалять керамику из
циркона, муллита, молохита, которые другими химическими
способами удалить нельзя. Корундовую керамику не удается
удалить из расплава. Отливки из цветных и алюминиевых сплавов
выщелачивать в таких ваннах нельзя.
Выщелачивание отливок в растворах щелочных гидроокисей.
Удалить керамику со стальных отливок можно в водных горячих
растворах щелочных гидроокисей. При этом в первую очередь
растворяется аморфный кремнезем связующего геля; кристалли-
ческий кремнезем реагирует с гидроокисями значительно медлен-
нее. В большинстве случаев кристаллический кремнезем, осво-
божденный от аморфной связки, отделяется от отливок, падает
на дно и является основной составляющей плотного осадка.
Удаление остатков керамики в водном растворе щелочных гидро-
окисей из отливок с глубокими отверстиями, пазами и т. п. не
может производиться без механического воздействия. При воздей-
ствии вибрации, трения, удара разрушается размягченная кера-
мика и удаляется с поверхности отливок.
Продолжительность выщелачивания зависит прежде всего от
концентрации раствора, от его температуры, от конфигурации
отливок. Керамика плохо удаляется из глухих и сквозных отвер-
стий малого диаметра, из пазов и т. п.
210
' Продолжительность выщелачивания в растворе едкого натра
сокращается с увеличением концентрации щелочи, но только до
содержания 50% NaOH. Выщелачивание лучше происходит
в гидроокиси калия, к которым относятся все растворы КОН, и
при этом растущая концентрация сокращает время удаления
керамики (рис. 53). Это, вероятно, можно объяснить тем, что
растворимость калия выше, чем растворимость силиката натрия
в соответствующих гидроокисях. Образование углекислого калия
от воздействия КОН с СО2 воздуха идет медленнее, чем образова-
ние углекислого натрия в ванне с NaOH. Оптимальная концентра-
ция едкого калия 50—55%, температура кипения 145—150° С.
При кипении раствора происходит самостоятельное перемешивание
всего содержимого ванны и продукты реакции не концентрируются
на выщелачиваемых отливках. Перемешивание ванны оказывает
большое влияние на эффект очистки сложных отливок и отливок
с несквозными отверстиями.
Во время выщелачивания ванна насыщается силикатами и
карбонатами калия. В свежей ванне растворение керамики про-
должается в течение 1 ч, но после насыщения до 50% силикатом
калия растворение происходит в течение 2 ч. Скорость выщелачи-
вания зависит прежде всего от количества свободного едкого кали,
количество которого необходимо пополнять. При концентрации
едкого кали более 60% условия работы становятся нетехнологич-
ными: резко сокращается время выщелачивания, появляется
опасность (при понижении температуры) выпадения щелочи из
пересыщенного раствора. Работа с высококонцентрированной
щелочью вызывает опасность травматизма работающих, так как
из ванны вылетают брызги щелочи.
Расход едкого кали зависит от степени предварительного
механического удаления керамики и составляет от 100 до 140 г
на 1 кг отливок. С экономической точки зрения выщелачивание
в растворе едкого кали относительно дорого, так как едкое кали
приблизительно в 2 раза дороже едкого натра. Преимущество
использования растворов щелочей заключается в относительно
простой механизации или автоматизации процессов выщелачива-
Рис. 53. Зависимость продолжительности выщелачивания
от концентрации едкого кали
211
ния. Такие механизированные устройства для выщелачивания
в растворах щелочей используют в литейных цехах СССР.
Исследованиями, проведенными в Высшем училище текстиль-
ного машиностроения в Либерце (ЧССР), было установлено, что
добавка некоторых органических кислот или их щелочных солей
в водный раствор щелочных гидроокисей способствует ускорению
процесса очистки. Так, например, присадка 0,5% щавелевой
кислоты или 1 % муравьиной кислоты в 500 см3 раствора едкого
кали сокращает время очистки вдвое. Эти присадки воздействуют,
вероятно, как катализаторы растворения кремнезема в гидроокиси
калия. Присадка муравьиной кислоты позволяет максимально
использовать свободную щелочь.
Растворы щелочей действуют так же агрессивно, как и рас-
плавы, поэтому в них нельзя выщелачивать цветные сплавы.
Очистка в кислотных ваннах. Для удаления керамики можно
использовать плавиковую кислоту, кислые фториды или смеси
этих веществ. Кремнезем и силикаты растворяются в плавиковой
кислоте любой концентрации. Скорость реакции растворения
зависит от концентрации плавиковой кислоты и от температуры.
Для травления используют разведенные растворы плавиковой
кислоты, так как пары фтористого водорода HF высокой концен-
трации над концентрированными растворами плавиковой кислоты
очень вредны для дыхательных органов человека. При низкой
концентрации плавиковой кислоты скорость растворения керамики
относительно низкая. Так, например, в 5%-ном растворе плави-
ковой кислоты очистка отливок, имеющих сквозные отверстия,
длится 4 ч, а очистка отливок с глухими отверстиями до 8 ч (рис. 54).
При повышении концентрации фтористого водорода продолжи-
тельность растворения керамики уменьшается. Так, в кислоте,
содержащей 36% HF, отливки очищаются от керамики за 1 ч.
Для травления обычно используют плавиковую кислоту, содержа-
Рис. 54. Зависимость времени растворения керамики от
концентрации плавиковой кислоты HF
212
щую 10% HF. При травлении в таких разведенных кислотах
отливок с отверстиями имеет значение положение их в ванне.
Несмотря на то, что образующиеся силикаты фтора относительно
легко смываются, все же при спокойном состоянииТраствора
распадающаяся керамика в наружных слоях оболочки затрудняет
доступ кислоты к внутренним слоям оболочки. Наиболее легко и
быстро очищаются сквозные отверстия в отливках, если оси этих
отверстий расположены вертикально по отношению к^уровню
раствора в ванне. В большинстве случаев при травлении в разве-
денной плавиковой кислоте нельзя обойтись без дополнительной
механической очистки. При травлении в этой кислоте необходимо
учитывать коррозию железа, которая возрастает с повышением
концентрации HF до 64%.
Так как плавиковая кислота растворяет и окислы железа, то
с отливки удаляются не только остатки керамики, но и окалина.
Поэтому для отливок из легированных сталей, которые не нужда-
ются в термообработке, очистка в плавиковой кислоте является
конечной операцией по поверхностной обработке.
Скорость очистки можно повысить добавкой к разведенной
плавиковой кислоте соляной кислоты, при этом скорость растворе-
ния металла отливки снижается. Оправдала себя ванна, состоящая
из одного объема 10%-ной плавиковой и одного объема 10%-ной
соляной кислоты; продолжительность очистки в такой ванне 4,5 ч.
Можно также очищать отливки от остатков керамики в раство-
рах кислых фторидов. Наиболее приемлемыми являются кислый
фторид аммония и кислый фторид калия. Раствор кислого фторида
аммония при постоянных условиях (температуре и концентрации)
разрушает остатки керамики на отливках в 3 раза быстрее, чем
раствор кислого фторида калия. Кислый фторид аммония взаимо-
действует с материалом отливок. Оптимальная его концентрация
30%; температура 85—100° С; продолжительность очистки до 1 ч;
окалина не растворяется.
Очень важно после очистки отливок в плавиковой кислоте и
в кислых фторидах тщательно удалить эти вещества из пор от-
ливки. Следы этих веществ на отливке приводят к последующему
ржавлению отливок. Так как остатки кислот удалить очень трудно,
отливку необходимо тщательно промыть, погружая ее в кипящую
воду не менее чем на 30 мин. После предварительной промывки
следует вновь промыть отливки в горячей чистой воде, а затем
в горячем пассивирующем растворе, например в 1%-ном растворе
AlkonR или в 2%-ном растворе фосфорной кислоты. После этого
отливку необходимо хорошо высушить в сушиле.
Химические способы удаления керамики с точных отливок
имеют следующие преимущества:
а) позволяют удалять керамику из труднодоступных мест, где
механическими способами такое удаление невозможно;
б) травленые поверхности имеют лучшее качество по сравнению
с поверхностью, обработанной дробеструйным методом;
213
Рис. 55. Зависимость качества очистки
отливок в 45%-ном растворе NaOH от
времени
в) поры, трещины и другие
пороки отливок после химиче-
ской обработки хорошо выяв-
ляются, тогда как после дро-
бейструйной обработки весьма
трудно;
г) в некоторых случаях на-
ряду с керамикой удаляется и
окалина; унос материала мень-
ше. чем при дробеструйной об-
работке.
Недостатки очистки точных
отливок химическими спосо-
бами:
а) растворение керамики в
водных растворах щелочей или
кислот проходит относительно медленно и не всегда полно, по-
этому отливки следует дополнительно очищать механическими
способами;
б) остатки щелочей и кислот в порах отливок трудно удаляются
и являются причиной последующей коррозии отливок;
в) все способы химической очистки требуют специального
оборудования, соблюдения правил гигиены и безопасности труда
на рабочих местах.
Очистка абразивным материалом. Интересной является очистка
керамики с отливок химическим способом совместно с механиче-
ским воздействием. Согласно исследованиям [3 ] при такой очистке
можно значительно снизить время, необходимое для удаления
керамики, повысить производительность и снизить производствен-
ные расходы.
Сухой абразивный материал можно применять не всегда, так
как струя абразива очищает керамику только с доступных ровных
мест. Кроме того, при сухой абразивной очистке скругляются
острые кромки отливок.
Гидроабразивная очистка (абразив + вода) не обеспечивает
удаления керамики из глубоких карманов, отверстий и трудно-
доступных мест.
При абразивной же очистке в растворах щелочных гидроокисей
достигается существенное сокращение времени очистки отливок.
Так, например, время очистки в 45%-ном растворе щелочи с чугун-
ной дробью сокращается с нескольких часов до 10—40 мин в зави-
симости от рода материала (рис. 55). Однако все преимущества
этого способа очистки на практике еще не выявлены, так как
в настоящее время нет достаточно пригодных устройств, которые
выполняли бы требования механизации процесса такой очистки
и необходимой безопасности труда.
Очистка дробью. Этим способом можно удалять не только
остатки керамической формы с отливок, но и отделывать поверх-
214
'ность отливок до требуемой ее чистоты и однородного внешнего
вида.
Чтобы сохранялось высокое качество поверхности, не следует
применять для дробеструйной обработки грубую металлическую
дробь, так как в таком случае поверхность точной отливки прибли-
жается к поверхности отливок, отлитых в разовых песчаных
формах. Шероховатость точных отливок из конструкционных или
инструментальных сталей после литья составляет от 3 до 6 мкм,
а шероховатость отливок из аустенитных сталей и стеллитов
1—2 мкм.
При назначении режимов дробеструйной обработки необходимо
учитывать исходную шероховатость отливок, качество дроби
(например, стальной сечки или мелкой круглой дроби) и произво-
дительность дробеметного оборудования.
Чтобы при дробеструйной обработке была удовлетворительная
и производительная работа, необходимо иметь в распоряжении
соответствующее производительное дробеметное оборудование
(в ЧССР оно не изготовляется).
Из зарубежных моделей наиболее пригоден барабанный дробе-
метный аппарат типа WsO производства фирмы Georg Fischer.
Этот дробеметный аппарат с малым размером зоны действия дроби
(ширина барабана около 400 мм) снабжен очень эффективным
метательным колесом. По сравнению с дробеструйными аппаратами
барабан этой фирмы имеет значительно большую производитель-
ность. При обработке отливок потоком дроби в барабане возмож-
ность повреждения их незначительна, так как внутри барабан
облицован резиновым материалом.
Другие способы очистки точных стальных отливок. Согласно
литературным источникам для выщелачивания в расплаве едкого
натра можно использовать постоянный электрический ток. Фирмы
Kolene Corporation (Детройт, США), Degussa (ФРГ) изготовляют
устройства для электрической очистки отливок от пригара формо-
вочной смеси. Способ называется Kolene — процесс по названию
фирмы, разработавшей эту технологию. Ванна состоит из расплава
едкого натра (рабочая температура 450° С) с присадками фторида
натрия, буры и хлористого натрия, которые способствуют ускоре-
нию растворения кремнезема и окислов металлов.
Напряжение на электродах 6—8 В, ток попеременно изменя-
ется: отливка поочередно становится то анодом, то катодом,
благодаря чему очистка значительно ускоряется. В определенных
случаях этот способ не только необходим, но и экономически
выгоден.
Фирма Detrex Corporation применяет для очистки отливок
ультразвук. Устройства состоят из генератора с осциллятором и
необходимыми регулировочными и защитными механизмами. От-
ливки сначала непродолжительно выщелачивают в кипящем
растворе едкого натра, возможно, и с использованием электриче-
ского тока, а затем погружают в бак с водой, где находится источ-
215
ник ультразвука. Размягченная керамика на отливках под дей-
ствием ультразвука разрыхляется. Окончательную очистку про-
изводят в щелочной ванне. Этот процесс очень сложный, устрой-
ства с точки зрения капитальных вложений очень дорогие.
Уже несколько лет испытывается способ очистки точных
отливок искровым разрядом высокого напряжения. К двум элек-
тродам, погруженным в воду, подводят электрический постоянный
ток. Ударная волна, возникающая при электрическом разряде,
повышает давление в ванне до нескольких сотен мегапаскалей.
Мощность электрического разряда зависит от величины источника
тока. Этот способ гигиеничен, недорог, но его недостатком явля-
ется шум, возникающий в момент разряда. Обязательное условие
при использовании этого способа — тщательная изоляция всего
устройства в звуконепроницаемой кабине. Кроме того, необходима
эффективная защита для безопасности обслуживающего персонала
от высокого напряжения.
Очистка отливок из цветных сплавов. Остатки керамических
форм на отливках из цветных сплавов удается устранить практи-
чески струйным способом дробью из известняка, циркона или
дробью из пластмасс или других мягких веществ при низком
давлении воздуха. На отливках из цветных металлов керамика
удерживается не так прочно, как на стали. Удалить керамику
с отливок из алюминиевых сплавов нетрудно, так как их заливают
в холодные формы (около 100° С) и керамику в большинстве слу-
чаев удаляют вручную.
Поверхностная отделка точных отливок после термообработки.
Как указано в главе о термообработке, точные отливки стараются
обрабатывать по такой технологии, которая обеспечивает наимень-
шее повреждение поверхности отливок. Поскольку отливки под-
вергают термообработке в ванне, на воздухе или в засыпке, то их
поверхность окисляется и поэтому должна быть очищена. Наиболее
экономичным является способ очистки в ваннах с минеральными
кислотами. Так как при травлении в кислотах отливки не всегда
имеют хороший товарный вид, часто отдают предпочтение тонкой
струйной обработке или оба способа совмещают. Способы травле-
ния в ваннах достаточно описаны в специальной литературе [1,4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Doskar J. a kolektiv. Presne liti do keramickych forem. Praha, SNTL
1960.
2. Evans L. M. Precision investments castings. Cleaning in molten caustic
soda. Iron and Steel, 25, 1952, s. 396—397.
3. Vyreseni nejvhodnejsiho zpusobu cisteni presnych odlitku. Zprava о ukolu
ZPS Gottwaldov, 1964.
4. Rones J., Jaros M. Moreni oceli a litiny. Praha, SNTL 1955.
f
%
Глава 10
ДЕФЕКТЫ ТОЧНЫХ ОТЛИВОК
Главным средством, при котором можно существенно снизить
появление дефектов и повысить качество точных отливок, является
последовательный, точный и строгий контроль производства
по всем операциям [1], входной контроль исходных материалов,
в частности для изготовления выплавляемых моделей и литейных
форм.
Дефекты отливок, получаемых литьем по выплавляемым моде-
лям, так же как и отливок, получаемых в песчаных формах,
разделяют на явные (видимые) и скрытые (невидимые), т. е. на
дефекты, которые можно обнаружить визуальным осмотром или
простыми вспомогательными средствами (лупой, линейкой),
а также такие дефекты, которые выявляются после механической
обработки или соответствующими приборами, например при
лабораторных испытаниях. К точным отливкам предъявляются
особые требования по качеству. Решающими из них являются
размерные допуски, шероховатость поверхности, плотность от-
ливки, физико-механические свойства металла отливки. Эти
требования можно выдержать только при максимально точном
выполнении всех приемов технологических операций, зафиксиро-
ванных в инструкциях. Рабочие должны знать и понимать техноло-
гический процесс, скрупулезно его выполнять.
Дефекты точных отливок возникают на следующих этапах
технологического процесса:
1) при изготовлении выплавляемых моделей. Точность моделей
является основой выдерживания размерных допусков точных
отливок.
2) при монтаже выплавляемых моделей в блоки. Один из
важнейших факторов — правильная литниковая система. Поло-
жение модели на блоке, размеры сечений стояка и питателей,
включая коллекторы, оказывают существенное влияние на обра-
зование усадочных раковин, пористости, трещин [3, 4], шлаковых
и неметаллических включений;-
3) при изготовлении формы. Тщательная работа и начальный
контроль всех применяемых исходных материалов являются
обязательными для получения форм, обеспечивающих высокоточ-
ные и качественные отливки;
217
4) при плавке и заливке металла. От правильного ведении
плавки ее металлургической обработки, тщательного и точного
контроля температуры металла и формы зависит качество поверх-
ности отливок, их внутренняя чистота и механические свойства.
Рассмотрим только те дефекты, которые встречаются наиболее
часто. Эти дефекты обнаруживаются визуально, за исключением
дефекта — поверхностное обезуглероживание. Дефекты отливок,
для обнаружения которых требуется специальное лабораторное
оборудование, здесь не описываются. Не описаны также дефекты,
причиной которых являются некачественные модели или непра-
вильный монтаж моделей на блок, так как при тщательном кон-
троле производственных операций бракованные модели не должны
попасть на участки дальнейшей обработки.
Рассматриваемые дефекты разделяют на две группы: дефекты,
образующиеся при невыдерживании процесса формирования ли-
тейной оболочковой формы, и дефекты, образующиеся при плавке
и заливке металла.
В зависимости от характера дефекты точных отливок класси-
фицированы в группы и классы согласно чешскому стандарту
CSN 421240 от 01. 04. 1969 г. для отливок, получаемых в песчано-
глинистых формах. Дефекты, характер которых не соответствует
дефектам, возникаемым при литье в песчано-глинистые формы,
рассмотрены отдельно.
ГРУППА ДЕФЕКТОВ 1 - НЕДОЛИВ
Недолив: числовое обозначение И по CSN 421240 (рис. 56).
Описание дефекта: не полностью выполненная конфигурация
отливки вследствие недостаточного заполнения формы металлом.
Причины д е ф е к т а: 1. Керамическая оболочка имеет
малую газопроницаемость. Воздух, находящийся в тонких сече-
ниях, в узлах, не может во время заполнения формы металлом
удалиться через стенку оболочки формы и тем самым не позволяет
металлу заполнить всю полость оболочки. Причиной малой газо-
проницаемости может быть: а) недостаточно прокаленная керами-
ческая форма. При выплавлении модели часть модельного состава
Рис. 56. Недолив
218
пропитывает материал формы. При обжиге модельный состав
частично сгорает, а частично переходит в пироуглерод, который
закупоривает поры оболочковой формы. Такие оболочки имеют
темный (седой) цвет; б) очень высокая дисперсность огнеупорного
наполнителя в суспензии, не соответствующая требованиям вяз-
кость суспензии и мелкий огнеупорный материал для обсыпки
блоков с нанесением суспензией.
2. Низкая температура металла при заливке. Заливаемый
металл при контакте со стенками формы охлаждается и прежде-
временно затвердевает; из-за потери жидкотекучести металл не
может четко заполнить всю полость формы.
3. Неправильно спроектированная литниковая система. Она
не обеспечивает течение металла в форме с необходимой скоростью.
В результате медленной заливки металл преждевременно охлаж-
дается и не заполняет полость формы.
4. Сплав, выбранный для данной отливки, имеет плохие
литейные свойства.
5. Нетехнологичность отливки, например не выдержано пра-
вильное соотношение между толщиной стенки и величиной поверх-
ности отливки.
Устранение дефекта: 1. Увеличить время прокали-
вания форм; контролировать зернистость огнеупорного наполни-
теля в суспензии и обсыпочного материала.
2. Повысить температуру заливки металла и температуру
формы.
3. Проверить литниковую систему и рассчитать ее так, чтобы
время заливки было оптимальным.
4. Применить сплав с удовлетворительными литейными свой-
ствами.
5. Изменить конструкцию отливки с учетом требований,
изложенных в гл. 2.
Вздутие (раздутие); числовое обозначение 14 (рис. 57). Опи-
сание дефекта — неправильное местное искажение поверх-
ности отливки.
Причины дефекта: 1. Поверхность моделей не была
очищена от смазывающего разделительного средства.
2. Отдельные слои оболочки, в частности первый слой, не
были совершенно сухими. При нанесении слоя на неотвержденный
слой оба слоя деформируются. Недостаточное высушивание слоя
суспензии на блоке приводит к неполному превращению золя
двуокиси кремния в гель и последующему затвердеванию геля.
Неотвержденная пленка гел$ при нанесении на нее нового слоя
суспензии впитывает жидкую фазу и набухает. Объем пленок
увеличивается, и недостаточно отвержденный слой вспучивается,
деформируя верхний, не имеющий в начальный момент достаточной
прочности.
3. Огнеупорность или стойкость при высоких температурах
огнеупорного материала оболочковой формы мала. После заливки
219
Рис. 57. Вздутие (раздутие), особенно четко видно в месте, указанном стрелкой
металлом оболочковая форма нагревается, при высокой темпера-
туре становится пластичной и деформируется от гидростатического
давления залитого металла.
Устранение дефекта: 1. Выплавляемую модель
обезжирить, смыв смазку в синтетическом моющем средстве или
в мыльном растворе, или очень быстро сполоснуть в органическом
растворителе. Разделительные составы, содержащие поверхностно-
активные вещества, не следует смывать, так как при этом снижа-
ется поверхностное натяжение при смачивании модели суспен-
зией.
2. Увеличить время сушки, особенно первого слоя оболочки.
3. Вместо относительно низкоогнеупорного кварцита в каче-
стве наполнителя суспензии использовать молотый циркон или
корунд, или увеличить число оболочек (слоев) в керамической
форме, или заливать металл в опоках, в которой оболочка заформо-
вана огнеупорным наполнителем.
ГРУППА ДЕФЕКТОВ 2-ДЕФЕКТЫ
ПОВЕРХНОСТИ ОТЛИВОК
Пригар, числовое обозначение 21.
Описание дефекта: грубая, шероховатая поверхность
отливки, возникшая в результате пригара материала керамической
формы к материалу отливки (рис. 58).
Причины дефекта: окислы металлов, из которых
состоит сплав, реагируют с материалом формы. Образующийся
шлакообразный продукт реакции, который обычно имеет более
220
Рис. 58. Пригар
низкую температуру плавления, чем материал керамической формы
пригорает к поверхности отливок.
Устранение дефекта: огнеупорный наполнитель
суспензии следует полностью или частично заменить другим
материалом, который не реагирует с окислами заливаемого метал-
ла, например корундом или цирконом вместо пылевидного кварца.
Неслитины: числовое обозначение 22.
Описание дефекта: канавки или углубления (сквоз-
ные и несквозные) с закругленными краями на поверхности от-
ливки (рис. 59 и 60).
Причины дефекта: 1. Струя металла при заливке
прерывается. Первая часть металла, залитого в форму, окислилась
с поверхности, а следующая порция металла не слилась с ним
полностью.
2. Недостаточная температура заливаемого металла. При пони-
жении температуры металла уменьшилась его жидкотекучесть.
При медленном движении потока металла произошло его дальней-
шее охлаждение и встретившиеся потоки, особенно в части, отда-
ленной от стояка, полностью не слились.
3. Неправильно разработана литниковая система. Происходит
недостаточно быстрое заполнение формы; жидкий металл охлажда-
ется быстрее, чем заполняет форму.
4. Низкая температура формы перед заливкой металла.
Устранение дефекта: 1. Заполнять форму металлом
следует быстро и плавно.
2. Повысить температуру металла.
*3. Исправить литниковую систему.
4. Повысить температуру подогрева форм.
Расслоение оболочки: числовое обозначение 23.
Описание дефекта: мелкие узкие или пространствен-
ные углубления на поверхности отливок, закрытые, частично
221
Рис. 59. Поверхностные бороздки-ужимины
Рис. 60. Спай
222
Рис. 61. Ужимины
соединенной с металлом отливки пленкой металла (ужимины).
Пленка металла в большей части отделена от металла отливки
прослойкой керамического материала (рис. 61).
Причины дефекта: l.He выдержан технологический
процесс формирования слоев оболочки. Отдельные слои неплотно
соединяются между собой. Дефект особенно проявляется при малой
выдержке в суспензии первого слоя перед нанесением второго.
Предыдущий (первый) сухой слой недостаточно пропитался свя-
зующим из суспензии, и соединение второго слоя с первым
непрочное. При выплавлении модельного состава из керамической
формы или при ее заливке произошло разделение слоев (расслое-
ние), и металл проник в зазор между слоями.
2. Очень мелкий обсыпочный материал (0,1—0,06 мм) непрочно
держащийся на слое. Сцепляемость со следующим слоем невелика,
и при относительно малом напряжении в керамической форме
происходит перемещение и отслоение слоя.
3. Различный коэффициент теплового расширения огнеупор-
ного наполнителя в суспензии и обсыпочного материала (например
циркон и кварцит). При нагреве происходит различное расширение
нанесенного слоя и обсыпки, в результате форма растрески-
вается.
, 4. Отливка имеет слишком большую массу и габаритные раз-
меры. Внутренний слой оболочковой формы после заливки металла
сильно перегревается и расширяется. Из-за низкой теплопровод-
ности кремнезема остальные слои не нагреваются так быстро, и
между этими слоями возникают напряжения, которые проявляются
во взаимном перемещении и отделении слоев.
223
Устранение дефекта: 1. Необходимо выдерживать
модельный блок в суспензии достаточное время, чтобы он хорошо
пропитался связующим раствором и чтобы на нем не было воздуш-
ных пузырей.
2. Следует применять обеспыленный обсыпочный материал
с соответствующим распределением крупности зерна и без глини-
стой составляющей.
3. Для осыпки следует использовать огнеупорный материал
такого же типа, что и огнеупорный наполнитель суспензии.
Нельзя обсыпать оболочки, сформированные суспензией с цирконо-
вым наполнителем, кварцевым песком, так как их коэффициенты те-
плового расширения значительно отличаются. В данном случае для
обсыпки следует использовать цирконовый или молохитовый песок.
4. При изготовлении керамических форм для массивных
крупных отливок рекомендуется применять материал с низким
коэффициентом теплового расширения.
Пробой оболочек металлом с пригаром, числовое обозначение 24.
Описание дефекта: образования (наросты) различной
формы и величины на поверхности отливки, состоящие из металла
с включениями формовочного материала (рис. 62).
Причины дефекта: 1. При нанесении первого слоя
оболочковой формы была нарушена технология и на слое при его
сушке образовались мелкие трещины. При нанесении второго слоя
в эти трещины проникла суспензия, которая уже не могла быть
присыпана огнеупорным порошком. Металл при заливке прошел
сквозь сетку трещин в первом слое и образовал металлический
нарост, смешанный с частицами керамики.
Рис. 62. Наросты
224
2. Металл проник сквозь стенки оболочки, так как обсыпочный
материал при недостаточной вязкости суспензии был чрезмерно
грубым и пробивал слой суспензии на всю ее толщину до самой
модели. Суспензия не заполняла полости между отдельными гру-
быми зернами обсыпочного материала, и при заливке в зазоры
между зернами проникал металл. На отливке появляется непра-
вильной формы металлический нарост вместе с частичками кера-
мики первого слоя.
3. Заливаемый металл реагирует с материалом оболочки
с частичным восстановлением составляющих огнеупорного мате-
риала или образуете ним сложные химические соединения (шлаки).
Они имеют более низкую температуру плавления, чем исходный
материал формы. Так, например, корунд не восстанавливается
железом, но восстанавливается титаном, а двуокись кремния вос-
станавливается марганцем. При глубоком вакууме углерод сплава
восстанавливает двуокись кремния с образованием кремния или
его окиси SiO и СО. Оболочка формы становится менее огнеупорной.
Металл проникает в материал формы между ее слоями и образует
наросты, загрязненные раздробленными частичками керамики и
шлаковыми продуктами реакции.
Устранение дефекта: 1. Колебание температуры
в камере при сушке слоев керамических форм не должно быть
более ± 1,6° С.
2. Зернистость обсыпочного материала должна соответствовать
плотности суспензии. Фракционный состав обсыпочного материала
должен быть по возможности постоянным.
3. Материал керамической формы следует выбирать в зависи-
мости от свойств заливаемого металла и с учетом того, происходит
заливка в нормальных условиях или при пониженном давлении.
Просечка: числовое обозначение 25.
Описание дефекта: более или менее выступающие
ребровидные или жилковидные наросты (заусенцы) на поверхности
отливок, образующиеся там, где металл затек в трещины в поверх-
ности керамической формы (рис. 63).
Причины дефекта: 1. Неправильно ведется процесс
выплавления моделей.
2. Отдельные слои формы просушены при пониженной темпе-
ратуре.
3. Прочность оболочковой формы была низкой вследствие
того, что а) при нанесении слоев не были выдержаны оптимальные
условия формирования; время смачивания предыдущих сухих
слоев оболочки суспензией было мало; б) наполнитель для суспен-
зиц засорен частицами высокой дисперсности; в) связующее не
обеспечивало форме достаточную прочность.
Устранение дефекта: 1. Выдерживать технологи-
ческие параметры при выплавлении моделей, обеспечивающие
достаточный тепловой удар. При быстром подводе теплоты оплав-
ляется тонкий слой модельного состава, прилегающий к оболочке,
V2® И. Дошкарж в др. 225
Рис. 63. Заусенцы (трещины формы)
и между оболочкой и твердой модельной массой образуется зазор,
заполненный жидким модельным составом.
2. Выдержать технологические параметры при сушке слоев
оболочки. •
3. Увеличить время погружения модельного блока в суспен-
зию; использовать соответствующий огнеупорный наполнитель
для суспензии; контролировать свойства связующего и в случае
его непригодности заменить суспензию новой.
ГРУППА ДЕФЕКТОВ 3 - НАРУШЕНИЕ
СПЛОШНОСТИ МЕТАЛЛА
Горячие трещины: числовое обозначение 31.
Описание дефекта: внутренний или поверхностный
разрыв стенки отливки, образующийся при высоких температурах.
Трещины проходят по границам зерен металла, иногда в трещинах
наблюдаются дендриты. Поверхность трещин неровная, часто
окисленная (рис. 64).
Причины дефекта: 1. Заливаемый сплав затвердевает
В широком интервале температур и склонен к образованию горячих
трещин.
2. Нетехнологичная конструкция отливки: имеется большая
разностейность стенок отливки с резкими переходами между
ними; переходы в стенках отливки выполнены без скруглений.
3. Чрезмерная прочность керамической формы препятствует
усадке металла при его охлаждении.
226
Рис. 64. Горячие трещины
4. Высокая температура заливаемого металла. Нарушение
технологии шихтовки сплава и его плавки.
Устранение дефекта: 1. Использовать для отливки
материал с малой склонностью к образованию горячих трещин.
2. Изменить конструкцию отливки.
3. Снизить прочность керамической формы уменьшением числа
слоев или изменением рецептуры связующего материала. Для
некоторых отливок применять местное ослабление частей формы.
4. Поддерживать температуру заливки металла в форму
в требуемых пределах.
5. Строго выдерживать процесс плавки, правильно раскислять
металл. Следить за составляющими шихты. Не превышать в стали
допускаемое содержание серы.
Холодные трещины: цифровое обозначение 32.
Описание дефекта: гладкие прямо- или криволиней-
ные разрывы металла отливок, возникшие при низких температу-
рах. Поверхность трещины чисто зернистая, без дендритов. Если
трещина образовалась уже после охлаждения, то стенка излома
трещины не имеет цветов побежалости, на поверхности горячих
трещин имеется слабый цветовой оттенок (рис. 65).
Причины дефекта: 1. Большая раз ноете нность
отдельных частей отливки.
227
Рис. 65. Холодные трещины
2. Неравномерная толщина оболочковой формы. В такой форме
отливка остывает неравномерно. Части отливок, оформленные
тонкой оболочкой, остывают быстрее, а части отливок, оформлен-
ные толстой оболочкой, медленнее; при этом возникают большие
внутренние напряжения, которые могут привести к образованию
трещин.
3. Неправильно спроектированная литниковая система, созда-
ющая местный перегрев и неравномерное охлаждение отливки.
4. Большая усадка заливаемого металла.
Устранение де ф е к т а: 1. Изменить конструкцию
отливки.
2. Выдерживать режим получения равномерных слоев оболоч-
ковой формы с тем, чтобы ее стенки имели одинаковую толщину:
вязкость суспензии, зернистость обсыпочного материала, время
погружения в суспензию при нанесении отдельных слоев, время
стекания с блока избытка суспензии.
3. Исправить литниковую систему, особенно систему питате-
лей, препятствующих усадке.
4. Использовать для отливки материал с меньшей усадкой.
ГРУППА ДЕФЕКТОВ 4-РАКОВИНЫ
Водородные раковины: числовое обозначение 42.
Описание дефекта: малые полости с гладкой поверх-
ностью, как правило, непосредственно под поверхностью отливки.
Раковины выходят на поверхность отливки в виде мелких отвер-
стий (рис. 66).
Причины дефекта: 1. Нарушение плавки металла.
Металл соприкасался с водой или с парами воды.
2. Недостаточно раскислен металл перед заливкой.
3. Неправильный способ заливки.
Устранение дефекта: 1. Высушить или прокалить
шихту, разливочный желоб и все приспособления и инструменты,
применяемые для работы с жидким металлом.
228
Рис. 66. Пористость на поверхности отливки (водородные рако
вины)
2. Выдерживать технологическую инструкцию по раскислению
металла.
3. Для некоторых сплавов, у которых этот дефект проявляется
очень часто, следует вместо заливк# оболочковой формы без
наполнителя применять формовку оболочек в опоках с последую-
щим прокаливанием и заливкой.
Усадочные раковины: числовое обозначение 43.
Описание дефекта: открытые (поверхностные) или
закрытые (внутренние) полости в стенках отливки с шероховатой
или грубокристаллической, часто окисленной поверхностью.
Иногда усадочная раковина появляется в виде впадины на поверх-
ности отливки (рис. 67).
Причины дефекта: 1. Нетехнологичная конструкция
отливки. Большое различие в толщинах сгенок, наличие резких
переходов. Неправильная литниковая система (не обеспечивающая
направленное затвердевание металла отливок).
2. Не выполнено требование направленного затвердевания во
всех сечениях отливки по направлению к прибыли, поскольку
неправильно спроектированы литниковая система и прибыль.
В местах, где произошло более позднее затвердевание, чем в при-
были, образуется усадочная раковина вследствие уменьшения
объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое.
3. Высокая температура заливки металла.
4. Местное растрескивание формы. Часть металла вытекла;
в прибыли не хватало достаточного количества металла для пита-
ния отливки.
8 И. Дошкарж и др. 229
Н- г, г ,
г
Рис. 67. Усадочные раковины
Устранение дефекта: 1. Изменить конструкцию
отливки согласно рекомендациям, приведенным в гл. 2.
2. Проконтролировать эффективность работы литниковой
системы. Если необходим^ исправить ее так, чтобы жидкого ме-
талла хватило для всей отливки при соблюдении условия направ-
ленного затвердевания.
3. Снизить температуру заливаемого металла; в некоторых
случаях, если позволяет конструкция отливки, снизить темпера-
туру керамической формы.
4. Тщательно контролировать керамические формы. Формы
с большими трещинами нужно изъять, формы со среднйми трещи-
нами — исправить. Проверить все параметры процесса формирова-
ния керамических оболочек в производстве.
ГРУППА ДЕФЕКТОВ 5 —ВКЛЮЧЕНИЯ
Шлаковый засор: числовое обозначение 51 по CSN 421240.
Описание дефекта: открытые (поверхностные) или
закрытые (внутренние) полости в теле отливки, частично или
полностью заполненные шлаком (рис. 68).
Причины дефекта: 1. Недостаточно очищена поверх-
ность расплавленного металла в ковше.
2. Недостаточно очищен ковш; в нем имеются излишки шлака
от предыдущей плавки.
3. Некачественная футеровка ковша; футеровка оплавляется
жидким металлом.
230
Рис. 68. Шлаковый засор
4. Пониженное качество исходных материалов для изготовле-
ния керамических форм.
5. Огнеупорный материал реагирует с жидким металлом.
Устранение дефекта: 1. Тщательно очищать зер-
кало металла от шлака или использовать сифонные ковши и ковши
с перегородками.
2. Сразу после заливки очистить ковш от остатков шлака и
металла или снова обмазать ковш.
3. Подобрать для футеровки ковша более огнеупорный ма-
териал.
4. Улучшить входной и межоперационный контроль.
5. Подобрать для изготовления формы огнеупорные мате-
риалы, которые не реагируют со сплавом и с его окислами.
Засоры (включения керамики): цифровое обозначение 52
по CSN 421240.
Описание дефекта: открытые (поверхностные) или
закрытые (внутренние) полости в теле отливки, целиком или
частично заполненные материалом оболочки (рис. 69).
Причины дефекта: 1. Обсыпочный материал очень
мелкозернистый (до 0,1 мм). Керамические формы покрыты мел-
кими трещинами, которые размываются потоком заливаемого
металла.
2. На поверхности выплавляемых моделей остался слой раз-
делительного состава. Первый слой суспензии не смочил хорошо
поверхность моделей, и впоследствии при сушке такой слой из-за
напряжений растрескался. При заливке металлом керамическая
8* 231
Рис. 69. Песчаные раковины (засор)
. форма частично размыта, и поток металла разнес частички керами-
ческой формы в различные части отливки.
3. Малое время выдержки модельного блока в суспензии при
изготовлении второго и последующих слоев. Предыдущий сухой
слой не пропитался полностью связующим из суспензии, а впитал
в себя связующее из последующего сырого слоя. Изготовленная
форма будет иметь слои различной прочности с плохим сцеплением
между ними. Общая прочность керамической формы низкая. .При
выплавлении модельного состава отдельные слои отделяются друг
от друга, растрескиваются с образованием мелких частиц кера-
мики.
4. Высокая вязкость суспензии, в частности, для первых слоев
оболочки при мелком обсыпочном песке. Песок при обсыпке
плохо внедряется в суспензию и потому слабо соединяется с нею.
Последующие слои могут расслаиваться, и под действием потока
металла, заливаемого в литейную форму, первый слой оболочки
растрескивается и частицы керамики разносятся по форме в раз-
личные места отливки.
5. Связующее в суспензии не обеспечивает высокую прочность
оболочковой форме из-за нарушения технологического процесса
приготовления связующего, или связующее приготовлено с малым
количеством этилсиликата. Полностью или частично не прошла
реакция гидролиза этилсиликата. Керамические формы имеют
низкую прочность.
6. Для приготовления суспензии используется связующее
после длительного хранения; керамические формы из такой суспен-
зии растрескиваются, дробятся и имеют низкую прочность.
232
7. Недостаточно длительная сушка отдельных слоев керами-
ческой формы.
8. Слои высушиваются при неблагоприятных условиях; темпе-
ратура в сушильной камере значительно колеблется. Модели
деформируются и разрушают оболочковую форму.
9. Модельный состав выплавляется из керамических форм
с нарушением технологических параметров. Тепловой удар, кото-
рый является условием правильного процесса выплавления модель-
ного состава, был недостаточным. Модельная масса расширилась
раньше, чем образовался тонкий слой оплавленной модельной
массы, и керамическая форма растрескалась. Такое растрескива-
ние происходит также в случае, если толщина моделей или керами-
ческой формы очень различна. Модельная масса в тонких частях
расплавляется раньше, чем в толстых, образуется оплавленный
слой. Давление расплавленной модельной массы от увеличения
ее объема при нагреве разрушает оболочковую форму.
10. Тепловой режим прокаливания керамических форм небла-
гоприятен. Правильный тепловой режим очень важен тогда, когда
для изготовления керамических форм используется суспензия
с малотермостойким огнеупорным наполнителем: большой коэффи-
циент теплового расширения, кристаллографические превращения
при температурах прокаливания, сопровождающиеся изменениями
объема. Например, керамические формы из кварцевого порошка
при большой скорости нагрева растрескиваются и теряют проч-
ность.
11. В керамическую форму попал песок, обломки краев кера-
мической заливочной чаши, и поток металла разнес эти загрязнения
в различные части формы.
Устранение дефекта: 1. Проверить гранулометри-
ческий состав обсыпочного материала и при его несоответствии
заменить новым.
2. Удалить с поверхности модельных блоков остатки раздели-
тельного состава. Для этого используют мыльный раствор, гидро-
лизованный раствор этилсиликата, бензин и т. п.
3. Увеличить время выдержки модельного блока в суспензии.
Оптимальной считается выдержка, после которой из оболочковой
формы прекращается выделение в суспензии пузырьков воздуха.
4. Скорректировать вязкость суспензии с зернистостью обсы-
почного материала. Слой жидкой суспензии на блоке моделей
обсыпать мелкозернистым материалом. Обратить особое внимание
на зернистость огнеупорного материала при обсыпке блока в псев-
докипящем слое. На погружаемый в псевдокипящий слой модель-
ный блок оседают прежде всего наиболее мелкие частицы, поэтому
огнеупорный материал предварительно обеспыливают.
5. Определить содержание условной двуокиси кремния в гидро-
лизованном растворе этилсиликата. При малом содержании этого
компонента следует приготовить новый гидролизованный раствор
этилсиликата.
233
6. Заменить долгохранящуюся суспензию свежеприготовлен-
ной.
7. Увеличить время сушки слоев оболочки, ориентируясь на
температуру и влажность воздуха в камере сушки.
8. Предотвратить колебание температуры в сушильной камере,
проконтролировать работу регулирующих устройств, ввести не-
прерывный контроль температуры в сушильной камере.
9. Скорректировать условия выплавления моделей так, чтобы
они соответствовали технологическим параметрам. Выплавлять
модельный состав в автоклаве.
10. Отрегулировать температурный режим при обжиге керами-
ческих форм, обеспечивающий равномерный прогрев всех частей
оболочки.
11. Устранить возможность появления засоров из-за попадания
обломков керамических форм или песка в полость форм. Применять
специальные приспособления для удаления наплывов с верхнего
края литниковых чаш. Использовать защитные колпачки или
другие приспособления, обеспечивающие надежную защиту от
попадания песка в оболочковую форму при ее формовке в опоках,
при прохождении в печи прокаливания и при установке раскален-
ных форм в кипящий слой перед заливкой. Проконтролировать
отдельные рабочие операции (от приготовления модельного состава
до заливки керамических форм) или, наконец, определить, на
какой операции происходит загрязнение полости формы. Провести
инструктаж с работающими.
Корольки: числовое обозначение 54.
Описание дефекта: небольшие окисленные метал-
лические шарики в открытых раковинах, затвердевшие и не свя-
занные с отливкой (рис. 70).
Причины дефекта: неправильное заполнение формы
металлом. Металл заливается в форму слишком быстро с разбрыз-
гиванием. Образующиеся при этом металлические шарики могут
попасть в полости формы, еще незаполненные жидким металлом.
Они затвердевают и покрываются окисной пленкой. При последую-
щем заполнении углерод заливаемого металла реагирует с окисной
пленкой корольков; образуется окись углерода СО, которая
создает вокруг шарика газовый пузырек.
Рис. 70. Корольки
234
Устранение дефекта: следует изменить литниковую
систему таким образом, чтобы заполнение формы металлом было
плавным, без разбрызгивания.
ДЕФЕКТЫ ТОЧНЫХ ОТЛИВОК, НЕ ВОШЕДШИЕ
В СТАНДАРТ CSN 421240, НО ЧАСТО ВСТРЕЧАЮЩИЕСЯ
ПРИ ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Шарообразные металлические приливы на отливках в острых
переходах, в углах и отверстия, прочно соединенные с поверх-
ностью отливок (рис. 71).
Причины дефекта: 1. Чрезмерно густая суспензия
на первом слое, в которой замешаны воздушные пузырьки.
2. Использование в качестве разделительного состава при
изготовлении выплавляемых моделей минерального или силиконо-
вого масла. Модели не были обезжирены, и суспензия плохо
смочила поверхность моделей, на поверхности моделей остались
следы этого разделительного состава. Между моделями и первым
слоем суспензии в этих местах остались воздушные пузырьки,
которые заливаются металлом.
Устранение дефекта: 1. Контролировать вязкость
оболочковой массы и поддерживать ее величину в требуемых
пределах. Если отливка имеет очень сложную форму (с отверсти-
ями, пазами, каналами и сложными полостями), то прибегают
к специальным приемам нанесения суспензии для формообразова-
ния первого и второго слоя оболочковой формы; сначала модельный
блок погружают в жидкую суспензию, извлекают блок и дают
стечь избытку суспензии, затем погружают блок в более густую
суспензию. После этого обсыпают слой суспензии огнеупорным
порошком. Иногда перед нанесением первого слоя суспензии блок
моделей промывают в гидролизованном растворе этилсиликата.
Рис. 71. Пробой металлом формы
235
2. Использовать в пресс-формах вместо разделительных масел
мыльный раствор или полностью устранять масляные остатки,
например, обезжириванием в органическом растворителе.
3. Не использовать суспензию сразу после приготовления, так
как при замешивании огнеупорного порошка в жидкое связующее
замешивается и воздух. Перед использованием суспензию необ-
ходимо выдержать определенное время в состоянии покоя. Не
рекомендуется также замешивать в жидкую суспензию сухой
огнеупорный наполнитель. Лучше использовать ранее приготов-
ленную густую типа пасты суспензию.
Шероховатость поверхности отливки. Причины де-
фекта: 1. Обсыпочный материал имеет крупные зерна, которые
пробивают слой суспензии и проникают до поверхности модели.
Суспензия первого слоя расходуется на обволакивание поверх-
ности грубых зерен. Рабочая поверхность керамических форм
покрывается мелкими морщинками.
2. Первый слой оболочковой формы растрескался с образова-
нием мелкой сетки трещин. При последующем нанесении слоев
в эти трещины проникло жидкое связующее. При сушке связующее
превратилось в гель, который после испарения жидкой фазы
уменьшил свой объем с образованием микротрещин. Металл при
заливке скопировал полученную шероховатость поверхности.
Устранение дефекта: 1. Контролировать зерни-
стость обсыпочного материала с доведением ее до требуемой.
2. Проверить весь технологический процесс изготовления
керамических форм, особенно тех операций, на которых могут
возникать в керамических формах трещины. Выполнить меро-
приятия, предупреждающие растрескивание оболочек.
Поверхностное обезуглероживание. При литье в песчаные формы
придают большое значение этому дефекту и на отливках назначают
повышенные размеры припусков на механическую обработку.
Такие припуски во многом превышают величину обезуглерожен-
ного слоя. При литье по выплавляемым моделям этому дефекту
отливок уделяется особое внимание.
Причины дефекта: кислород воздуха окисляет угле-
род, находящийся в поверхностном слое металла охлаждающейся
отливки [5]. Окисление происходит в основном после кристалли-
зации металла и дальнейшего его охлаждения. В результате
образуется железо и окись углерода. Глубина обезуглероженного
слоя, характеризующаяся снижением содержания углерода, зави-
сит от технологии, размеров отливки и от сорта стали. Она обычно
составляет 0,2—0,6 мм. Глубина обезуглероживания увеличивается
с увеличением углерода в стали.
Устранение дефекта: 1. Вместо углеродистых ста-
лей необходимо использовать легированные, которые меньше
обезуглероживаются.
2. Металл необходимо заливать в формы, находящиеся в ва-
кууме или в контролируемой атмосфере без кислорода.
236
' 3. Керамические оболочки перед заливкой засыпать керами-
ческим материалом, например шамотом, к которому добавить
вещества, разлагающиеся при нагреве под действием теплоты
отливок с образованием восстановительной атмосферы. Такими
веществами могут быть нефтяной кокс, щавелевая кислота, смола,
уголь, тяжелые масла, древесные опилки [6].
4. Металл заливать в охлажденные (600—650° С) или в холод-
ные формьг [7—10].
5. Поскольку ни одним из описанных способов нельзя пол-
ностью исключить обезуглероживание или уменьшить его до
минимальной величины, то отливки необходимо науглероживать
(см. гл. 7).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Porter Ch. Hoskin J. Control is Key to... Investment Casting Quality, Рошъ
dry, 12, 1963, s. 49—53.
2. Di — Sambuy J. Application of Statistic Control in the Production of Pre-
cision Castings, Foundry Trade Journal, Vol. 103, 1927, 2150.
3. Adam С. M. Gating and Risering of Investment Casting, Metal Progress,
Vol. 69, 1956, 5, s. 58 a 60.
4. Russian S. V., Golovanov L. N. Rascet i postrojenije litnikovych sistem
dlja otlivok po vyplavljajemym modeljam, Litejnoje proizvodstvo, 1953, s. 5—8.
5. Adams С. M. Gating and Risering of Investment Casting, Metal Progress,
69, 1956, 5, s. 58—60.
6. Britsky patent 752742.
7. Peller S. Randentkohlung, ein Beispiel aus der Praxis, Giesserei, 49, 1962,
15, s. 421—422.
8. Anonym. Automated Investment Casting Plant, Metal Industry, 1963, 12,
s. 388—389.
9 ' r r r f
9. Gabriel J., Sevcik F. Studena skorepina pro presne liti ve vakuu, Sleva-
renstvi, XVI, 1968, 3, s. ,97—99.
10. Gabriel J., Sevcik F. Pouziti zarovzdornych materialu о nizke tepelne
roztaznosti v presnem liti, Slevarenstvi, XX, 1972, 1, s. 10—16.
Глава 11
ОБОРУДОВАНИЕ ЦЕХОВ ЛИТЬЯ
ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
11.1. МАШИНЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ВЫПЛАВЛЯЕМЫХ МОДЕЛЕЙ
Выплавляемые модели изготовляют на запрессовочных станках
(прессах), которые позволяют [1]:
1) установить определенное давление при запрессовке модель-
ного состава и при сборке металлических пресс-форм;
2) установить скорость запрессовки и времени, необходимого
для отверждения модельного состава в форме при определенном
давлении;
3) поддерживать точную температуру модельного со-
става;
4) установить подъем зажимающего устройства по высоте
пресс-формы;
5) автоматически управлять закрытием, запрессовкой, охлаж-
дением и открытием пресс-формы;
6) обеспечить нормальные условия труда обслуживающему
персоналу (например, работать сидя);
7) запрессовывать большой объем модельного состава.
Все эти операции (включая и технику безопасности) осуще-
ствляются гидравлическим управлением, особенно у станков
с автоматическим выполнением рабочего цикла.
По материалам, используемым для изготовления моделей,
запрессовочные прессы можно разделить на работающие с легко-
плавким модельным составом; с тугоплавким модельным составом;
с мочевиной.
По размещению впрыскивающих сопл прессы бывают с боковым
впрыскиванием и с верхним впрыскиванием.
По закреплению пресс-форм на прессе различают прессы
с пресс-формами, закрепленными непосредственно на столе
пресса, и прессы с пресс-формами, закрепленными на поворотном
столе.
Рассмотрим запрессовочные прессы, используемые в литейных
цехах точных отливок ЧССР.
Пресс AVO 70 (рис. 72) сконструирован на заводе точного
машиностроения в г. Верхний Брод (ЧССР). Этот пресс работает
с легкоплавким модельным составом, насыщенным мелкодисперс-
ными пузырьками воздуха. Модельный состав имеет вид пасты.
При работе на этом прессе не требуется допрессовки в ходе охлаж-
238
Рис. 72. Запрессовочный пресс AVO 70
дения модельного состава в пресс-форме, так как воздух является
компенсатором объема, предотвращающим усадку выплавляемых
моделей.
Пресс представляет собой станок карусельного типа, поворот-
ный стол которого имеет десять позиций для охлаждения модель-
ного состава, запрессованного в пресс-форму, из них три положе-
ния — рабочие: запрессовка, извлечение стержней и извлечение
4 звеньев моделей.
Открытие и закрытие пресс-форм механическое, связанное
с направляющими копирами, размещенными под поворотным
столом.
Модельный состав впрыскивается через горизонтально распо-
ложенное сопло в закрытые формы на поворотном столе. Насыще-
239
Рис. 73. Запрессовочный пресс ZPS г. Готвальдов
ние модельного состава для запрессовки воздухом (замешивание
воздуха) производится в смесителе, расположенном рядом с пово-
ротным столом.
Техническая характеристика запрессовочного пресса AVO 70
Рабочее давление, МПа..................................... 0,4—0,6
Давление запрессовки, МПа................................. 0,14—0,2
Температура, °C:
модельного состава........................................ 60—65
пастообразного состава........................................ 48
Продолжительность приготовления модельного состава, мин 15—25
Емкость смесителя, л............................................. 11
Емкость бака с пастообразным модельным составом, л. . . . 20
Емкость бака жидкого модельного состава, л................ 60—80
Производительность пресса (число запрессовок в смену) . . . 680
Габаритные размеры, мм:
пресс-форм............................................. 210X210X70
станка................................................... 1600Х900Х 1100
Запрессовочный пресс ZPS г. Готвальдов, ЧССР (рис. 73).
Пресс предназначается для изготовления единичных или несколь-
ких моделей из тугоплавкого модельного состава как в жидком,
так и в кашеобразном состоянии. Простое закрепление пресс-
форм при горизонтально размещенном запрессовочном сопле
позволяет использовать формы различной конструкции. Темпе-
ратура модельного состава в резервуаре регулируется в пределах
.50—120° С.
Резервуар с модельным составом вместе с камерой прессования
и запрессовочным соплом прижимается к отверстию пресс-формы
при запрессовке. Сопло можно устанавливать также вертикально
и использовать пресс-формы с различной высотой.
Техническая характеристика пресса ZPS-G
Усилие запирания, кН .................................... 50—150
Максимальные габаритные размеры пресс-формы, мм .... 300Х 250Х 175
Емкость резервуара для модельного состава, л............. 30
240
Давление прессования, МПа................................ 0,5—4,0
Температура, °C:
расплавленного модельного состава......................... 50—120
модельного состава в резервуаре....................... 40—80±5
Производительность пресса (число запрессовок в смену) . . . 200—1000
Масса станка, кг......................................... 450
Габаритные размеры пресса, мм............................ 150X750X1600
Запрессовочный пресс Jenny-Pressen (рис. 74). Это универ-
сальный пресс швейцарского производства, пригодный для изго-
товления моделей крупными сериями и единичных крупногабарит-
ных моделей. Рабочее положение сопла для запрессовки модель-
ного состава — вертикальное. Пресс-формы в рабочем положении
укреплены так, что нижние их половины зафиксированы на столе
машины, а верхние укреплены на подвижной части запрессовоч-
ного узла. Преимуществом пресса является полностью автомати-
ческое управление процессом запрессовки; привод пресса гидра-
влический.
Техническая характеристика пресса Jenny-Pressen
Усилие, кН:
запирания................................................. 420
запрессовки................................................ 300
Максимальное рабочее давление, МПа........................... 21,2
Максимальная высота пресс-формы, мм........................... 460
Расстояние между колоннами пресса, мм........................ 500
Размеры рабочего стола, мм.................................. 450X450
Емкость резервуара для модельного состава, л.................. 35
Габаритные размеры пресса, мм............................ 1910X890X2930
Запрессовочный пресс АС 80 (рис. 75). Пресс сконструирован
на Гдыньском машиностроительном заводе. Это станок карусель-
ного типа для изготовления отдельных моделей или целых модель-
ных звеньев из тугоплавкого модельного состава под давлением.
Кроме заполнения резервуара кашеобразным модельным соста-
вом и извлечения моделей из пресс-форм, все остальные опе-
рации полностью автоматизированы. Резервуар с модельным
составом обогревается масляной ванной и регулируется по тем-
пературе.
Карусель имеет шесть позиций. На первой позиции модельный
состав запрессовывается в пресс-форму, на второй прессуется при
помощи допрессовочного поршня. Пресс-формы на первой и второй
позициях зажимаются в специальных блоках при помощи запи-
рающего цилиндра, который препятствует их раскрытию. От
первой до четвертой позиции пресс-формы закрыты, в пятой пози-
ции они автоматически открываются, при этом выталкиватели
извлекают модели из пресс-форм. Шестая позиция нерабо-
чая. При подъеме крышки станок останавливается. Пресс-фор-
мы на поворотном столе охлаждаются водой, протекающей по
блокам.
241
Рис. 74. Пресс фирмы Jenny-Pressen
Рис. 75. Пресс АС 80
Техническая характеристика пресса АС 80
Число зажимающих блоков на столе ................... 6
Максимальное число пресс-форм на столе.............. 24
Минимальное число пресс-форм на столе .............. 6
Габаритные размеры пресс-формы, мм:
максимальные............................................. 0 200Х90>
минимальные........................................... 0 50X90
Максимальное избыточное давление в пресс-форме, МПа 8,0
Усилие, кН: > •
запирания ....................................... 160
запрессовки............................................. 19,7
допрессовки............................................. 40,2
Продолжительность одной запрессовки, с.............. 5—125
Диаметр стола, мм........................................... 860
Высота блоков, мм ... ...................................... 90
Максимальный ход толкателей, мм............................. 28
Емкость резервуара модельного состава, л................... 2X18
Максимальный объем одной порции запрессовки, л . . . 0,2
Масса пресса, кг........................................... 3500
Габаритные размеры пресса, мм........................ 2120X2320X3760
11.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
ИЗ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ 1
С
Выплавляемые модели удаляют из керамических форм горячим
воздухом, горячей водой или водяным паром. Степень удаления
модельного состава из керамических форм и его повторное исполь-
242
зование после регенерации в значительной мере обусловливают
экономичность литья по выплавляемым моделям. Наиболее рас-
пространены процессы выплавления горячей водой и водяным
паром-.
Для выплавления в кипящей воде используют ванны, обогре-
ваемые электронагревателями или паром (рис. 76). Керамические
блоки укладывают в ванну с кипящей водой в корзинах (кассетах),
которые предохраняют керамические формы от произвольных
перемещений. Ванны устроены так, чтобы можно было выплавить
одновременно большое число керамических блоков и чтобы обеспе-
чить сток выплавленного модельного состава с поверхности воды
в специальные емкости. В ванну постоянно добавляется вода для
компенсации уходящей во время выплавления в виде пара.
Наилучшим является электрический нагрев воды, так как,
используя нагревательные элементы различной мощности, можно
достичь хорошей циркуляции воды при кипении и, следовательно,
наиболее благоприятных условий при выплавлении модельного
состава.
Более производительным способом выплавления моделей явля-
ется выплавление модельного состава из керамических форм при
перегреве водяным паром в автоклавах при избыточном давлении.
Тепловой удар воздействует на слой модельного состава, сопри-
касающегося с керамической оболочкой. Модельный состав быстро
расплавляется и вытекает, благодаря чему предупреждается
растрескивание керамической формы от распирания модельным
Рис. 76. Выплавление моделей в кипящей воде
243
Рис. 77. Автоклав высокого давления для выплавления моделей
Рис. 78. Загрузочная тележка для автоклава
244
Рис. 79. Автоклав низкого давления
составом. Выплавленный модельный состав накапливается в ван-
нах, откуда перекачивается в устройство для регенерации.
Автоклав высокого давления снабжен сосудом с прочной
запирающейся крышкой. Давление насыщенного пара составляет
0,6 МПа; выплавление производится при 150—160° С. Удаление
модельного состава из керамических форм происходит в течение
6—8 мин, а весь цикл выплавления длится до 20 мин (рис. 77, 78).
Число одновременно выплавляемых керамических блоков состав-
ляет 40—80 шт.
Выплавление модельного состава из керамических форм в паро-
вом автоклаве происходит при тех же параметрах, но с большей
производительностью и более качественно. Парогенераторы высо-
кого давления и автоклавы высокого давления, однако, требуют
значительных капиталовложений. Помимо ,этого, термический
КПД таких установок низкий, так как пар после окончания вы-
плавления выпускают, и, следовательно, его теплота целиком не
используется.
Конструкционно более простым и дешевым является автоклав
низкого давления (0,14—0,15 МПа при температуре 110° С).
Выплавление при этих параметрах используется при изготовлении
Менее ответственных отливок.
Большие котлы избыточного давления (автоклавы) можно
применять в литейных цехах относительно небольшой мощности
(рис. 79). В таких случаях целесообразно устанавливать (с учетом
непрерывного обслуживания) два автоклава; в то время как один
находится под давлением, другой загружают формами.
245
11.3. УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ
МОДЕЛЬНОГО СОСТАВА
После выплавления из керамических оболочек модельный
состав должен быть освобожден от всех загрязнений, нежелатель-
ных составляющих и примесей, которые накапливаются в нем
в ходе отдельных операций. Главными загрязнителями являются
эмульгированная вода, зола, остатки от обломков керамики и
другие механические примеси. Во время производственного про-
цесса происходят также качественные изменения модельного
состава, поэтому необходимо прибегать к его регенерации.
Регенерация модельного состава заключается в осаждении
загрязнений и воды из расплавленного модельного состава, пере-
мешивании и испарении воды при пониженном давлении и в до-
бавке новых исходных материалов.
Регенерационные устройства состоят из регенерационного
котла с вакуум-насосом, ванны для расплавленного модельного
состава, коллектора для раздачи или сливных отверстий для
модельного состава.
Регенерационный котел с двойными стенками и вакуум-насосом
(рис. 80), который применяют на заводе ZPS г. Готвальдов, служит
для расплавления модельного состава. Рабочий объем котла рас-
считан на 1000 кг модельного состава. В рабочем пространстве
Рис. 81. Реактор для выпуска модель-
ного состава и ванна расплавленного
модельного состава
Рис. 80. Реактор для регенерации модель-
ного состава
246
можно создать вакуум 50—90 кПа при помощи вакуум-насоса. Ко-
тел нагревают паром в масляной ванне до 90—95° С. Регенерацион-
ный котел имеет загрузочное отверстие, мешалку, измерительные
приборы и вентиль для выпуска модельного состава и осадка.
Регенерированный модельный состав выпускают в ванну,
в которой он выстаивается (это емкость для расплавленного модель-
ного состава). Ванна разогревается паром в масляной ванне до
95° С (рис. 81). Модельный состав продходит к месту запрессовки
по обогреваемым патрубкам; температура модельного состава не
должна быть ниже 70° С. Если подвод модельного состава про-
изводится непосредственно к запрессовочным машинам Jenny—
Pressen или к карусельным прессам АС 80, которые работают
с модельным составом при температуре 56—59° С, то следует обес-
печить подогрев патрубка до этой температуры.
11.4. МЕХАНИЗАЦИЯ ОПЕРАЦИЙ ПО НАНЕСЕНИЮ
СЛОЕВ СУСПЕНЗИИ
При механизации операций по нанесению слоев суспензии
обычно преследуют следующие цели:
1) повышение производительности;
2) снижение влияния квалификации работающего на качество
изготовляемых керамических форм;
3) обеспечение гигиеничных условий труда;
4) снижение физических нагрузок.
Механизированные участки для нанесения слоев обычно
включают следующее оборудование: транспортеры с манипуля-
ционными подвесками для крепления модельных блоков; сосуды
для оболочковой массы с мешалками; устройство для обсыпки;
сушильные устройства; механизмы для манипуляции с подвесками.
Автоматический конвейер для нанесения слоев суспензии
конструктивно должен быть выполнен так или иметь такое число
подвесок, чтобы суспензия на все модельные блоки могла нано-
ситься для всех слоев оболочковых форм без перевешивания.
Иными словами, каждая подвеска должна делать столько циклов
прохода, сколько слоев необходимо нанести на модельный блок
согласно технологическому процессу. Иногда изготовляют кон-
вейер только для нанесения одного слоя суспензии. При этом число
конвейеров соответствует числу нанесенных слоев суспензии.
Преимуществом автоматического конвейера является возмож-
ность его компоновки в любом месте цеха. Однако конвейер, на
котором производится нанесение всех слоев суспензии, получается
слишком длинным, и при его поломке прекращается нанесение
слоев на всех рабочих местах (рис. 82).
Автомат для нанесения слоев S80-00-00 00 (рис. 83) разра-
ботан на заводе точного машиностроения в г. Верхний Брод
(ЧССР). Транспортер конструкционно решен так, что он может
быть удлинен за счет любого числа стандартных элементов. Между
247
Рис. 82. Нанесение отдельных слоев суспензии на конвейере
Рис. 83. Автомат S80-00-00 00 для нанесения суспензии и ее об-
сыпки
248
деталями звеньев цепей вставлены специальные подвески, позво-
ляющие укреплять стояки смонтированных модельных блоков и
наклонять их в плоскости, перпендикулярной движению цеп-
ного транспортера, в пределах от 0 до 90° вращением вокруг
оси стояка. Во время транспортировки модельный блок с под-
веской равномерно вращается. Ось модельного блока направле-
на вниз. Как только подвеска подойдет к копиру, она начи-
нает отклоняться и вращаться по заранее установленной про-
1рамме.
Ванна с суспензией состоит из двух основных секций: из
собственно ванны, в которой на блок моделей наносится суспензия,
и ванны с мешалкой. Форма ванны профилирована с учетом кине-
тики движения модельного блока в процессе его перемещения и
скорости смачивания суспензией. Емкость ванны 280 л. Осе-
данию твердой фазы суспензии препятствует мешалка, которая
интенсивно перемешивает суспензию и перекачивает ее в
основную секцию-ванну, куда погружаются модельные бло-
ки. Избыток суспензии из основной ванны переливается обрат-
но в первую секцию с мешалкой. Таким образом, сохраняет-
ся постоянная высота уровня суспензии, что является важным
и обязательным параметром нормальной работы этого оборудо-
вания.
Пескосып с кипящим слоем представляет собой сосуд, в кото-
ром слой обсыпочного материала продувается снизу сжатым
воздухом. Рабочие размеры сосуда определяются кинетикой дви-
жения подвески с модельным блоком. Пескосып сконструирован
так, чтобы модельный блок с нанесенным слоем суспензии пол-
ностью погружался в псевдоожиженный слой для тщательной
обсыпки.
В небольших литейных цехах тележки с керамическими бло-
ками вкатываются в специальную камеру с регулируемыми пара-
метрами воздушной среды. При максимальной механизации сушку
производят на достаточно длинных транспортерах на участках
нанесения слоев, причем не требуется перевешивать керамические
блоки. В крупных литейных цехах транспортер проходит через
сушильный туннель, в котором слои оболочки быстро сохнут
в потоке воздуха. При этом значительно сокращается время сушки,
требуется меньше подвесок, а следовательно, ускоряется произ-
водство отливок.
Рабочий подвешивает модельные блоки на подвески транспор-
тера; как только подвеска транспортера подходит к трассе
наклона, модельный блок погружается в ванну с суспензией,
вращается в ней, затем выходит из ванны. В горизонтальном
положении подвеска перемещается к пескосыпу, где снова вклю-
чается вращение модельного блока вокруг оси стояка с изменением
наклона с 90 до 70° и обратно. В горизонтальном положении
модельный блок выходит из рабочего пространства и, постепенно
опускаясь, устанавливается в вертикальное положение.
249
Техническая характеристика автомата
Скорость транспортера, м/мин............................. 1,2
Расстояние между подвесками, м........................... 0,24
Максимальная производительность, форм/ч............. 240
Максимальные габаритные размеры форм, мм................ 0 2200X 350
Габаритные размеры установки, мм.................... 1800X4500X2200
Автомат Elliot для нанесения слоев (рис. 84). Это полностью
автоматизированный станок для изготовления керамических форм
[3], работающий по технологии и на материалах, разработанных
фирмой Monsanto. Конструировала автомат фирма Elliot Me-
chanical Automation Ltd, Greenwich.
Автомат карусельного типа имеет двенадцать позиций (подве-
сок) для закрепления керамических блоков. Подвески поочередно
перемещаются по пути нанесения слоев. Управление агрегатом
полностью автоматизировано. Каждая подвеска имеет на свобод-
ном конце устройство для быстрого закрепления блока.
Подвески, перемещаясь последовательно по трассе, вращаются
вокруг своей продольной оси. На каждой подвеске имеется диск
с пневматическим резиновым ободом большого сечения, который
является опорой на одной из двух направляющих. Когда подвеска
подходит к позиции над ванной с суспензией, она опускается на
45° ниже горизонтальной плоскости, и модельный^блок|погру-
жается в суспензию. Подвеска равномерно вращается вокруг своей
оси. Затем подвеска поднимается в положение на 45° С выше гори-
зонтальной плоскости и вращается над желобом, на который сте-
кает с блока избыток суспензии обратно в ванну с суспензией.
Через определенное время подвеска перемещается к пескосыпу
с кипящим слоем, куда опускается модельный блок в вертикаль-
ном положении. Глубина емкости с кипящим слоем песка такая,
Рис. 84. Автомат Elliot для формирования оболочек:
1 — пульт пневмоуправления рабочим циклом; 2 — навеска модельных бло-
ков; 3 — ванна с суспензией; 4 — пескосып с кипящим слоем; 5 — аммиач-
ная камера; 6 — панель с электрическими контрольными приборами
250
что весь модельный блок погружается в кипящий слой. Далее
подвеска проходит в вертикальном положении через туннель с па-
рами аммиака. В течение 3 мин слой затвердевает до такого со-
стояния, что можно наносить следующий. Каждый модельный
блок проходит через этот агрегат столько циклов, сколько слоев
суспензии необходимо нанести.
Техническая характеристика автомата Elliot
Число позиций с подвесками.......................... 12
Производительность (число керамических форм из шести
слоев, изготовленных за 8 ч)........................ 144
Максимальная масса формы в сыром состоянии, кг . . . 55
Максимальный размер пресс-формы, мм..................... 0 600Х 600
Габаритные размеры автомата, мм..................... 3000X6000X2400
11.5. ПЕСКОСЫП С КИПЯЩИМ СЛОЕМ
Введение технологии обсыпки в кипящем слое заметно повы-
сило производительность обсыпки и позволило конструктивно
упростить автоматы для нанесения слоев суспензии (рис. 85).
Конструкция пескосыпа очень простая. Это сосуд, который за-
полнен сухим обсыпочным материалом. Верхняя рабочая часть
пескосыпа отделена от нижней камеры пористой перегородкой.
В нижнюю камеру подводится воздух низкого давления от венти-
лятора, размещенного вне этого участка. Зерна огнеупорного ма-
териала (песка) поднимаются воздухом, проходящим через пори-
стое днище. Получается эффект псевдокипения. В такой псевдо-
кипящий слой без особого сопротивления погружается блок с вы-
плавляемыми моделями. Опасности поломки моделей нет.
Учитывая повышенную запыленность на таком участке, нужно
предусмотреть интенсивное отсасывание пылевидных частиц из
обсыпочного материала.
11.6. ФОРМОВКА КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ
В КИПЯЩЕМ СЛОЕ
. Формовка керамических форм в опоках и прокаливание в на-
полнителе очень неэкономичны в связи с большой трудоемкостью
и значительным расходом электроэнергии или газа. Для формовки
уже прокаленных блоков можно использовать кипящий слой.
Для этого блок после прокаливания погружают в псевдокипящий
слой и прекращают подачу воздуха. После затвердевания металла
снова включают подачу воздуха, залитые керамические формы
извлекают из кипящего слоя и перекладывают на тележку для
охлаждения в охладительном туннеле. По конструкции своеоб-
разные опоки с кипящим слоем аналогичны пескосыпу с кипящим
слоем (рис. 86).
Такая технология формовки создает очень хорошие предпо-
сылки для автоматизации процессов литья. Она уже используется
в различных литейных цехах [5, 6].
251
Рис. 85. Устройство для обсыпки суспензии Рис. 86. Заливка оболочковых форм, зафор-
в кипящем слое мованных в кипящем опорном слое
11.7f ПЕЧИ ДЛЯ ПРОКАЛИВАНИЯ ФОРМ
Высушенные керамические формы прокаливают в термических
печах. В небольших литейных цехах используют тупиковые печи,
куда на тележках закатывают формы. В крупных литейных цехах
применяют проходные тележечные печи. Эти печи должны обеспе-
чивать возможность прокаливания керамических форм при 1000° С.
Поскольку цикл нагрева керамических форм непрерывный, про-
ходные прокалочные печи наиболее пригодны для такой опера-
ции.
В этих печах можно создать отдельные самостоятельно обогре-
ваемые зоны для программированного постепенного повышения
температуры.
Конструктивно печи представляют собой теплоизолированные
туннели, по которым проходят тележки с керамическими формами
(рис. 87). Печи обогреваются электричеством, газом или нефтью.
Горелки или нагревательные спирали расположены обычно в сте-
нах туннеля. Длина печи определяется мощностью плавильных
агрегатов. Керамические формы на тележках устанавливают
в специальных кассетах или в опоках. Тележки перемещаются
с помощью пневматических или гидравлических толкателей;
загруженная тележка направляется в туннель и проталкивает
перед собой предыдущие. Иногда тележки транспортируют в печь
цепью от привода.
252
Рис. 87. Проходная электрическая. печь для; прокаливания керамических
форм
11.8. ОХЛАДИТЕЛЬНЫЙ ТУННЕЛЬ
Залитые керамические формы транспортируют на тележках
в охладительный туннель. С помощью охладительного туннеля
хорошо решается поточность процесса (нет нагромождения охла-
ждающихся отливок) и транспортировка охлажденных отливок
на дальнейшие операции.
Для размещения охладительных туннелей используют воз-
вратную ветвь пути для передачи тележек к печи прокаливания.
В туннеле должен быть интенсивный поток охлаждающего воз-
духа, отсасываемого мощным вентилятором (рис. 88).
Рис. 88. Туннель для охлаждения залитых форм, размещенный возле
прокалочной печи
253
. 8 . Цепной межоперационныи конвейер Рис. 90. Тележка для транспортировки модель-
ных блоков в отделение нанесения суспен-
зии
254
F
В
11.9. МЕЖОПЕРАЦИОННЫЙ ТРАНСПОРТ
Выплавляемые модели доставляют к местам сборки различными
способами (в зависимости от производственной мощности литей-
ного цеха и величины серии отливок). При изготовлении боль-
ших серий используют механизированную доставку межопера-
ционным транспортом.
В большинстве случаев для перемещения поддонов, прикре-
пленных к несущим (тянущим) цепям, применяют рольганги или
ленточные транспортеры с бесконечной прорезиненной лентой,
на которые устанавливают поддоны или просто отдельные модели.
При производстве малых серий требуется транспортировка на
поддонах, на подвесных конвейерах или тележках с этажерками,
которые передаются к местам ручной сборки.
В больших литейных цехах при автоматизированном нанесе-
нии слоев для транспортировки моделей на дальнейшие операции,
т. е. на операции выплавления, применяют конвейеры (рис. 89).
В малых литейных цехах с ручным нанесением слоев керамические
блоки укладывают на тележки, на которых их сушат (рис. 90)
и отправляют на выплавку.
В механизированных цехах отливки передают на дальнейшие
операции при помощи подвесных цепных или ленточных транс-
портеров, в малых литейных цехах — на тележках.
11.10. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ
СВЯЗУЮЩЕГО
Гидролиз этилсиликата при приготовлении связующего можно
проводить простым способом — постепенным смешиванием всего
рассчитанного количества составляющих в соответствующей ем-
кости. Чтобы связующее получалось высокого и постоянного ка-
чества, необходимо проводить гидролиз в специальном устройстве.
Такое устройство для приготовления связующего было разработано
в ЧССР на заводе ZPS г. Готвальдов с учетом требований высокой
производительности, безопасности и гигиены труда.
Устройство (рис. 91) состоит из сосуда для смешивания (ги-
дролизера), укрепленного на сварной раме. На раме имеются
отметки для этилового спирта и этилсиликата; емкости для свя-
зующего на 480 л; двух подвесных сварных сосудов на 200 л;
трубопроводов для подачи этилсиликата и этилового спирта в сме-
ситель и готового связующего в емкость.
Для перекачивания этилсиликата, этилового спирта и связую-
щего используют сжатый азот. В баллоне емкостью 40 л содержится
около 6 м3 азота при давлении 13 МПа (рис. 92). Количества азота
, в одном баллоне достаточно для приготовления и транспортировки
до 1000 л связующего. Максимальная высота при перекачивании
2,5 м. Сосуды (бочки), в которые перекачивают исходные сырьевые
255
Рис. 91. Гидролизер
2 м2 площади пола и минимум
странства. При установке оборудования должны быть выдержаны
материалы, работают под давле-
нием, не превышающим 50 кПа.
Сварные бочки с усиленными
днищами испытывают на гер-
метичность давлением 0,1 МПа
в течение 15 мин.
Для облегчения работы боч-
ки устанавливают на специаль-
ной тележке. Пробка бочки
снабжена трубкой для накачива-
ния жидкости и для подвода
сжатого азота. Бочка с трубо-
проводами соединяется авиа-
ционным шлангом низкого дав-
ления (рис. 93).
Время, необходимое для при-
готовления 80 л связующего, со-
ставляет 1,5 ч.
Устройство должно быть
установлено так, чтобы под ним
было занято г по меньшей мере
13 м® свободного воздушного про-
предписания по технике безопасности, касающиеся таких
устройств.
Рис. 92. Баллоны с азотом
256
Рис. 93. Сосуды дляэтилсиликата
11.11. СКЛАДИРОВАНИЕ ПЫЛЕВИДНОГО КВАРЦА
И ДРУГИХ ПЫЛЕВИДНЫХ ОГНЕУПОРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Пылевидный кварц обычно поставляется в мешках. При вскры-
тии мешков или высыпании из них пылевидного кварца на складах
и при изготовлении суспензии очень трудно избежать сильного
пылеобразования и связанную с ним угрозу заболевания силико-
зом работающих.
Поставка пылевидного кварца другими способами, например
в резиновых контейнерах или в специальных герметичных цистер-
нах повышенного давления, требует капитальных затрат на строи-
тельство дорогих складов с разгрузочными устройствами, что
в литейных цехах небольшой мощности нерационально. С эконо-
мической точки зрения и прежде всего по гигиеническим сообра-
жениям механизированные склады для хранения пылящих мате-
риалов должны быть расположены в литейных цехах литья по
выплавляемым моделям, где потребность в пылевидном кварце
составляет более чем 70 т в год.
11.12. УСТРОЙСТВА ДЛЯ СУШКИ
И СКЛАДИРОВАНИЯ ПЕСКА
С точки зрения правильной организации производства цехи
литья по выплавляемым моделям должны получать песок для об-
сыпки блоков с требуемой величиной зерна и в высушенном виде.
В ЧССР литейные цехи используют песок, предназначенный для
других промышленных отраслей (стекольное производство, тра-
диционное литейное производство). Поэтому в цехах литья по
выплавляемым моделям приходится устанавливать специально
сконструированные устройства для сушки и сортировки песка.
Для сушки небольшого количества песка наиболее часто ис-
пользуют устройства, в котором песок сыпется на коническую
приставку, обогреваемую газовой или нефтяной горелкой. Для
большей производительности пригодны барабанные или вакуум-
ные сушила, которые изготовляют специализированные заводы.
Высушенный песок чаще всего сортируется на полигональных си-
тах или на классификаторах, работающих по принципу разделения
зерен песка по крупности из-за их различной кинетической энер-
гии.
11.13. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ
СУСПЕНЗИИ
Суспензию приготовляют смешиванием пылевидного кварца
с жидким связующим. Для этого можно использовать любые меха-
нические мешалки большого объема. Крупные литейные цехи со
257
значительным потреблением суспензии используют для этих це-
лей специально сконструированные мешалки. Дозирование соста-
вляющих в мешалку и ее эксплуатация должны быть организо-
ваны таким образом, чтобы обеспечивалась минимальная трудоем-
кость. Небольшие литейные цехи могут использовать для приго-
товления суспензии бетономешалки, оборудованные крышками
(на загрузочном отверстии).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Muesfeldt A. Aufbau von Maschinen zur Herstellung von Wachsmodellen,
Giesserei, 58, 1971, 16, s. 480—482.
2. Hoffmann H. Niederdruckdampfautoklav zum Entwachsen von Keramik-
•sz f V r f
formen beim Feingiesseverfahren. Sbornik prednasek, Sympozium о presnem liti,
CSSR 1968.
3. Astrop A. N., Fully. Automatic Ceramic shell investing plant, Machinery
and Production Engineering, 6. 5. 1970.
4. Poulsen S. G. Modern Investment Mold—making Techniques, Machinery,
19.9. 1962, s. 620—626.
5. Automated Investment Casting Plant, Metal Industry, 19.9.1963, s. 388—
389.
6. Sklennik J. I., Ozerov V. A. Litje po vyplavljajemym modeljam. Moskva,
Глава 12
КОНТРОЛЬ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Эффективность производства отливок по выплавляемым моде-
лям зависит прежде всего от последовательного контроля исход-
ных материалов и всего технологического процесса. Литье по вы-
плавляемым моделям — очень сложный технологический про-
цесс, и поэтому технический контроль должен быть хорошо орга-
низован по всем трем основным производственным стадиям: перед
началом производства, так называемый входной контроль; в про-
цессе производства — межоперационный контроль и в конце про-
изводства — заключительный контроль готовых отливок.
12.1 . ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ
При входном контроле контролируют качество всех исполь-
зуемых в производстве исходных материалов, а именно модель-
ного состава, формовочных материалов для изготовления кера-
мических форм и металлических материалов, из которых получают
отливку.
12.1Л. КОНТРОЛЬ МОДЕЛЬНЫХ СОСТАВОВ
К модельным составам предъявляются относительно высокие
требования. Чтобы эти требования могли быть выдержаны и гаран-
тированы, разработана методика испытаний модельных составов,
по которой следует правильно контролировать модельные составы
как при входном контроле, так и после их регенерации перед пов-
торном использовании. В работах [1—3] описывается ряд испы-
таний, которыми оцениваются механические, физические и хими-
ческие свойства модельных составов.
В модельных составах определяют температуру каплепадения.
Модельные составы являются обычно смесями различных веществ
с различными температурами плавления, которые размягчаются
в широком диапазоне температур. Температура каплепадения —
это та температура, при которой образуется первая капля нагре-
ваемого модельного состава в приборе Уббелода. Испытания рег-
ламентированы стандартом CSN 657010. В производственных
условиях температуру каплепадения необходимо контролировать
при получении каждой партии модельных составов от поставщика.
259
В том случае, если изготовители отливок сами приготовляют
модельные составы из исходных материалов, температура капле-
падения которых известна и проконтролирована, на готовом мо-
дельном составе эту температуру можно не определять. При
повторном использовании модельных составов, т. е. после реге-
нерации, также нет необходимости определять температуру капле-
падения, поскольку контролируют исходные материалы, которые
при регенерации добавляют к регенерату.
Плотность модельного состава определяют при помощи гидро-
статических весов (плотность модельного состава в жидком со-
стоянии замеряют ареометром). Если применяют технологию вы-
плавления модельного состава в воде, то необходимо, чтобы плот-
ность модельного состава при 100° С была ниже, чем плотность
воды при той же температуре (т. е. ниже 0,96), иначе расплавлен-
ный модельный состав не будет всплывать на поверхность воды.
Если модельный состав выплавляют в автоклаве или в печи, его
плотность не имеет большого значения. В некоторых случаях
следует исследовать модельные составы на содержание в них
загрязнений.- Например, большое содержание асфальтовых веществ
в монтанном воске значительно влияет на изменение плот-
ности.
Прочность модельных составов определяют (как для металлов)
при статическом изгибе. Цилиндрический стержень из модельного
состава диаметром 30 мм и длиной 120 мм устанавливают на две
опоры. К середине образца прикладывают нагрузку до его разру-
шения с регистрацией силы разрушения. Затем рассчитывают по
известным формулам и определяют прочность модельного состава
при изгибе. Образцы для испытаний получают в четырехгнездной
пресс-форме.
При определении прочности на изгиб очень важно выдерживать
постоянные параметры изготовления образцов: должна быть вы-
держана постоянная температура заливки и скорость,затверде-
вания. При несоблюдении этих требований получается недопустимо
большой разброс значений прочности. По мнению авторов, в про-
изводственных условиях не следует вообще определять прочность
модельных составов.
Хрупкость исследуют для того, чтобы определять сопротив-
ление моделей ударам. В механизированных условиях модели
часто подвергаются ударным нагрузкам. Испытательным образцом
является модельный блок из испытываемого модельного состава.
Блок состоит из стояка с приклеенными или припаянными че-
тырьмя стерженьками диаметром 8 мм из того же модельного со-
става и длиной 80 мм. После выдержки при нормальных условиях
в течение 24 ч опытный блок с моделями надевают на стальной стер-
жень и сбрасывают с различной высоты на лист твердой резины.
Высоту падения постепенно увеличивают с 1 см и выше (с шагом
1 см). Высота, при которой сломается второй стерженек, характе-
ризует хрупкость модельного состава.
260
Испытание хрупкости дает только сравнительные показатели.
Методика несовершенна и не может быть использована при кон-
троле производственного процесса. О хрупкости модельного состава
можно до известной степени судить по его твердости; обычно счита-
ется, что чем тверже модельный состав, тем выше его хрупкость.
Твердость лучше всего определять пенетрометром. Измеряют
глубину проникновения нормализованной иглы, нагруженной
определенным грузом в образец, выдержанный при нормальных
условиях или же нагретый до заданной температуры. Для твердых
модельных составов применяют нагрузку 330 гс в течение 20 с
при температуре образца 25° С. Этот относительно быстрый и про-
стой способ дает возможность надежно определять изменение
твердости, а вместе с ней и хрупкости модельных составов при
повторном их использовании, т. е. после регенерации.
Усадка и расширение модельных составов являются важней-
шими характеристиками, которые необходимо знать в технологии
литья по выплавляемым моделям. Усадку модельного состава уста-
навливают как разницу между размерами формы и размерами мо-
дели, отвержденной в этой форме. Эти величины должен знать
конструктор пресс-форм для того, чтобы определить необходимые
припуски на усадку. Расширение модельного состава проявляется
при выплавлении модельного состава из керамических форм. Если
увеличение объема велико, то керамическая форма может рас-
трескаться и выйти из строя. Очень малая усадка (до 0,2%) неже-
лательна, так как при этом затрудняется извлечение модели из
пресс-форм. Для модельных составов с малой усадкой приходится
проектировать пресс-формы с большими уклонами.
Усадку измеряют следующими способами.
1. Расплавленный модельный состав свободно заливают в ме-
таллическую форму. Температура формы и модельного состава
должна быть постоянной. Затем замеряют величину размера за-
твердевшей модели и сравнивают ее с величиной этого размера
в форме, в которую был залит модельный состав. Величина таким
образом определенной линейной усадки не должна быть больше
чем 1,8% [1 ]. Этот способ используют в ЧССР.
2. Линейную усадку определяют так же, как при 1-м способе,
но модельный состав запрессовывают при определенных условиях
в пресс-форму под давлением. Этот способ стандартизован в ФРГ
[4]. Величины такой усадки колеблются в пределах 0,5—1,0%.
3. Объемную усадку определяют по разнице удельных плот-
ностей, замеренных при 25° С в твердом и в жидком состоянии.
Об этом способе сообщается в некоторых английских источниках
[2, 3]. Величина объемной усадки значительно выше величины
линейной усадки и составляет 10—15% при изменении темпера-
туры с 90 до 25° С.
На практике, очевидно, наиболее приемлем 2-й способ, исполь-
зуемый в ФРГ, так как он более всего приближается к производ-
ственным условиям.
261
Расширение модельных составов определяют преимущественно
дилатометром [1, 2, 5]. В результате определения получают кри-
вую, которая показывает ход и величину объемного расширения.
Последнее находится в определенной зависимости от хода нагруже-
ния керамической формы при выплавлении модельного состава.
Иногда такую кривую используют и для оценки кинетики вели-
чины усадки [1, 2 5].
Следует учитывать, что величины расширения, определяемые
указанным способом, часто противоречивы и не соответствуют
реальным производственным условиям. Величина объемной усадки,,
определенная по разнице удельных плотностей модельного со-
става, хорошо согласуется с объемным расширением, определяе-
мым дилатометром.
Исследователи и производственники, занимающиеся литьем
по выплавляемым моделям, мало уделяют внимания вязкости мо-
дельных составов. В основных работах по этому виду литья [1, 6,7 ]
совершенно не приводится никаких методов по измерению вязко-
сти модельных составов как контрольных методов. Согласно по-
следним зарубежным источникам изготовители модельных соста-
вов относят вязкость модельного состава к очень важным параме-
трам и приводят ее измерение [2, 5]. Указано, что максимальным
пределом вязкости модельного состава при температуре запрес-
совки является величина, равная 0,2 МН - см2. К сожалению, в этих
источниках не приведена методика измерения и условия, при ко-
торых была измерена эта вязкость. По исследованиям авторов
книги, необходимо определять вязкость модельных составов, осо-
бенно при повторном их использовании, после регенерации.
Сопротивление течению модельного состава в расплавленном
и в пластическом состоянии также является наиважнейшим фак-
тором, который зависит от температуры, при которой модельный
состав будет запрессовываться в пресс-формы. Поскольку при мас-
совом производстве работают при одной температуре (на которую
настроены агрегаты и за прессовочные станки), следует с измене-
нием вязкости изменять давление запрессовки. Так как давление
запрессовки у большинства запрессовочных станков ограничено
в узких пределах, то изменение вязкости модельного состава при-
водит к возникновению брака при производстве при изготовлении
моделей [8]. '
В качестве контрольного способа определения вязкости оп-
равдал себя способ измерения ареометром Hoppler’a при постоян-
ных условиях. Этот способ основан на вдавливании шарика на
стержене в нагретый модельный состав при определенной нагрузке.
В наших исследованиях температура модельного состава соста-
вляла 95° С, а контактные напряжения изменялись от 1000 до
2000 Па. Способ простой, достаточно быстрый и надежный. Отри-
цательным является тот факт, что измерение производят в жидком
состоянии при температуре значительно выше температуры за-
прессовки модельного состава в пресс-форму.
262
Для установления вязкости или, точнее, реологических свойств
модельных составов в пластическом или в полужидком состоянии,
т. е. при температурах запрессовки, используют пластомеры или
вращающиеся вискозиметры.
Содержание золы является одной из основных величин, кото-
рую нужно определять как у свежих добавок модельного состава,
так и в основном составе при регенерации, так как в технологи-
ческом потоке модельный состав достаточно сильно загрязняется
огнеупорным порошком или песком. Содержание золы должно
быть минимальным, так как если в керамической форме остается
часть невыплавленного модельного состава, то большое содержа-
ние золы (по исследованиям авторов, более 0,4%) приводит к де-
фектам (засорам) отливок.
Интервал затвердевания также является важным фактором для
модельного состава, так как в этом интервале нужно установить
температуру, при которой модельный состав запрессовывается
в пресс-форму. Эта температура называется рабочей температурой.
Рабочая температура не является для модельного состава величи-
ной постоянной и изменяется с изменением условий давления при
запрессовке.
Модельные составы, являющиеся гетерогенными смесями воско-
образных веществ, не размягчаются и не расплавляются при одной
температуре, которая, как правило, тем выше, чем больше компо-
нентов в смеси. Определить фактический интервал затвердевания
очень трудно, поэтому на практике определяют температуру капле-
падения, которую принимают за верхнюю границу интервала, и
температуру затвердевания на шарике, которую считают нижней
границей. Температурный интервал, определенный этими методами,
вероятно, меньше интервала, определяемого точными физическими
методами. Определение температуры затвердевания по Жукову
(CSN 657011) пригодно только для парафина и церезина; определе-
ние температуры затвердевания по методу кольцо—шарик
(CSN 657060) пригодно для асфальтовых и смоляных масс. Третьим
способом является определение температуры затвердевания по
CSN 857012.
В литературе о модельных составах нет описания метода опре-
деления температуры затвердевания. Авторы опробовали пенетро-
метрический метод определения температуры размягчения, ис-
пользуемый для пластмасс. Температура размягчения (таяния)
могла бы определить нижнюю границу интервала затвердевания.
Основой метода является измерение глубины погружения норма-
лизованного тела в опытный образец в зависимости от темпера-
туры. Испытание относительно простое и проводится на приборе
несложной конструкции [9].
Образец модельного состава устанавливают в специальное при-
способление, в котором укреплена направляющая трубка. По
трубке движется стержень, конец которого представляет собой
263
пуансон в виде диска. На стержень с пуансоном опирается стер-
жень часового индикатора. В верхней части прибора имеется пло-
щадка, на которую можно укладывать груз различной массы.
При размягчении (или таянии) образца (при повышении темпера-
туры) пуансон внедряется в испытываемый образец модельного
состава. По индикатору определяют величину перемещения стержня
с пуансоном. Ясно, что температура размягчения, определенная
этим способом, зависит от величины применяемой нагрузки. Эта
температура, следовательно, является температурой, при которой
вещество тает и его кристаллическая решетка разрушается без
давления.
Для определения температуры таяния необходимо провести
ряд измерений с различной нагрузкой. Температурой таяния будет
температура, которая определится при нулевой величине нагрузки.
Обычно при определении температуры таяния используют постоян-
ную нагрузку.
Описание методики. Образец испытываемого мо-
дельного состава устанавливают в приспособление и прижимают
стержнем к пуансону. Положение стержня фиксируют с помощью
стопорного винта индикатором. При-
способление с испытываемым модельным
составом погружают в пробирку с рту-
тью. Пробирку устанавливают в емкость
с водой и подогревают спиралью тер-
мостата. Устройство изображено на
рис. 94, а, б. По индикатору отсчитыва-
ется глубина погружения пуансона в
Ч)
Рис* 94. Пенетрометр
Рис. 95. Зависимость глубины проник- Рис. 96. Зависимость температуры размяг-
новения иглы от температуры модель- чения от нагрузки
ного состава
испытываемый образец. Температура отсчитывается по термометру,
который установлен в чаше с водой. Замерять температуру образ-
ца не следует, так как ртуть в пробирке гарантирует почти со-
вершенную передачу теплоты от водяной ванны на образец.
Точку размягчения (таяния) находят на горизонтальной оси
температур как проекцию на нее точки пересечения касательных
к кривой, отражающей состояние образца при нагреве (рис. 95).
В качестве примера приведены данные по определению темпе-
ратуры размягчения пенетрометрическим способом чешского мо-
дельного состава № 869. При различном нагружении пуансона
построена кривая (рис. 96) и получены следующие данные:
Нагрузка, Н...................... 2,5 3,5 5,0 7,5 10,0 13,0
Температура размягчения, °C..... 64,1 62,8 65,5 59,5 57,0 56,0
На поршневых машинах модельный состав запрессовывается
при температуре, не превышающей температуру размягчения
(таяния). На практике будет наиболее выгодно и просто, когда
температура размягчения определяется как температура, при
которой разрушается кристаллическая решетка модельного со-
става при определенном напряжении (можно допустить равным,
например, 0,1 МПа).
Этим способом можно даже определять рабочую температуру,
так же как и температуру таяния при определенном напряжении.
12.1.2. КОНТРОЛЬ СУСПЕНЗИИ
Изменение качества керамических форм (их прочности, газо-
к.; проницаемости или теплового расширения) сигнализирует обычно
: о нарушениях технологического процесса. Поэтому необходимо
^хорошо знать влияние факторов, которые приводят к нарушению
I четкости технологии, особенно при массовом выпуске продукции.
I Поскольку в ЧССР для производства оболочковых форм ис-
I пользуют главным образом пылевидный кварц, кварцевый песок
I 9 И. Дошкарж и др. 265
264
й ^ТиЛсиликат, то контроль суспёйзий направлен на исследование
свойств этих исходных материалов.
На прочность керамических форм влияют следующие пара-
метры:
форма и величина зерен огнеупорного порошка в суспензии
и обсыпочного материала;
концентрация условной двуокиси кремния в суспензии;
количество связующего в суспензии;
технология нанесения слоев и их сушка.
Данные о влиянии величины зерен пылевидных огнеупоров
на свойства керамических форм рассмотрены очень подробно в тех-
нической литературе. При этом указывается, что правильный
интервал зернистости пылевидного огнеупора относится к глав-
ным факторам, определяющим его прочность, и что на прочность
керамических форм влияет не только величина, но и форма частиц
[10—12].
Обычно считается, что при крупнодисперсном пылевидном ог-
неупоре керамические формы имеют меньшую прочность при из-
гибе, чем при мелкодисперсном. С уменьшением величины зерна
и с увеличением его удельной поверхности растет прочность кера-
мических форм, но до определенной величины, а затем опять сни-
жается. Это доказывают результаты исследований, проведенных
на заводе ZPS г. Готвальдов.
При постоянных рабочих условиях (постоянной вязкости сус-
пензии, зернистости обсыпочного материала, концентрации услов-
ной двуокиси кремния в связующем, при постоянной технологии
нанесения слоев, сушке и прокаливании керамических форм)
испытывали [13] на прочность при изгибе керамические формы,
изготовленные из пылевидного кварца с различным распределе-
нием зернистости и с различной удельной поверхностью (табл. 74).
Из результатов видно, что максимальнаяч прочность керамических
форм достигается при удельной поверхности от 5000 до 8000 см2/г.
Пылевидный кварц изготовляют путем размола кварцевого
песка. При размоле происходит постепенное измельчение зерен
песка (в результате их раскалывания и истирания). При длитель-
ном размалывании частицы становятся очень мелкими, даже почти
коллоидными [14] *.
В зависимости от способа и времени размола образуется раз-
личное количество коллоидных частиц. Такие частицы имеют очень
большую поверхность, которая обладает так называемой механи-
ческой активацией. Так как способы размалывания поставляемого
пылевидного кварца различны (мокрые или сухие), то количество
коллоидных частиц будет разным. Влияние коллоидных частиц
* Авторы называют такие частицы аморфным кремнеземом. В переводе
взят термин коллоидный, указывающий на высокую дисперсность кристал-
лического кварца. (Прим. ред.).
266
Таблица 74. Результаты испытаний на прочность керамических форм
Величина зерна по Андерсену, мкм Зернистость пылевидного кварца, %
1 2 3 4 5
90 20,4 16,5 12,6 8,4 0,4
60 2,6 2,1 6,6 1,7 4,0 1,2 3,3 0,3
50 8,2 0,1
40 23,6 19,1 14,7 9,8 0,7
30 10,7 9,1 7,2 5,8 5,5 2,0
20 9,3 7,5 4,0 0,5
10 10,5 9,0 8,3 7,2 9,3 4,9
6 5,0 6,4 7,9 12,2
4 3,2 5,6 8,0 10,0 15,2
2 1,2 5,3 6,8 12,4 17,6 28,6
До 2 11,5 17,4 23,1 35,1
Химический состав, % 1 2 3 4 5
Потери при прокаливании 0,33 0,55 0,76 0,88 1,41
SiO2 98,78 97,9 87,0 96,3 84,66
AI2O3 0,86 1,37 1,87 2,38 3,4
Fe2O3 0,062 0,076 0,089 0,103 0,13
TiO2 0,135 0,143 0,151 0,159 0,175
CaO 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
MgO 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
K2O 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
NaaO 0,02 0,02 0,02 0,03 0,03
Удельная поверхность по Lea и Nurse, см2/г 1820 3570 6770 8350 10 800
Прочность при изгибе про- каленных оболочек, Н/мм2 0,8 2,8 3,5 2,7 1,1
пылевидного кварца на прочность керамических форм при изгибе
было исследовано на опытных образцах. Наносили слои из смеси
пылевидного кварца известной зернистости и пыли с высоким со-
держанием коллоидного кварца. Связующим был гидролизованный
раствор этилсиликата с содержанием 115 г/л условной двуокиси
кремния.
Опытные образцы изготовляли в постоянных условиях (нане-
сение слоев, сушка и прокаливание). Пыль представляла собой
почти коллоидный кремнезем — отход при производстве кристал-
лического кремнезема с величиной частиц до 1 мкм.
Результаты исследований (табл. 75) показали, что с увеличе-
нием доли коллоидного кремнезема в суспензии до 5% прочность
оболочек на изгиб снижается медленно, затем быстрее, а при 15%
образцы практически не имели прочности.
9* 267
Таблица 75. Влияние коллоидного
кремнезема в пылевидном кварце
на прочность оболочковых форм
№ п/п Состав суспензии, % Проч- ность при изгибе после прока- ливания, Н/мм2
1 100 молотого пы-
2 левидного кварца 95 молотого пыле- 2,20
3 видного кварца + + 5 коллоидного кремнезема . . . 90 молотого пыле- 1,90
4 видного кварца + + 10 коллоидного кремнезема . . . 85 молотого пыле- 0,78
видного кварца + + 15 коллоидного кремнезема . . . 0
Таблица 76. Зернистость
кварцевого песка
Вели- чина ячейки сита, мм Остаток на сите, %
I II III IV
0,5 20 — — " -
0,4 60 20 — —
0,3 20 60 20
0,2 — 20 60 20
0,1 — — 20 60
0,06 — — — 20
До 0,06 — — — -
Согласно литературным данным прочность на изгиб очень мало
зависит от обсыпочного материала с малым разбросом зернистости.
Но если разброс зернистости достаточно велик, то влияние на
прочность больше [11]. Отмечается также, что на прочность ке-
рамических форм влияет и форма зерен.
Практический опыт показал, что зернистость кварцевого песка
для обсыпки в пределах 0,06—0,5 мм не влияет на прочность обо-
лочковой формы в тех случаях, когда величина зерна более или
менее постоянна. С увеличением в песке очень мелких частиц проч-
ность формы повышается.
В табл. 76 приведены четыре сорта кварцевого песка различ-
ной зернистости, которыми обсыпали керамические образцы.
Образцы формировали из суспензии, приготовленной из пылевид-
ного кварца и связующего гидролизованного раствора этилсили-
ката с 104 г/л условной двуокиси кремния. В табл. 77 представлены
величины прочности на изгиб керамических форм.
Соотношение между качеством суспензии и величиной зерна
обсыпочного материала определяется вязкостью суспензии. Кера-
мическая форма из суспензии с максимальной вязкостью, обсы-
панная мелким песком, будет иметь максимальное содержание
суспензии по сравнению с формой, изготовленной из суспензии
с низкой вязкостью, но обсыпанной крупным песком. Согласно
работе [7 ] керамические формы с большим количеством суспензии
более прочные. Данные, приведенные в табл. 78, относятся к ке-
268
рамическим формам из пылевидного кварца и кварцевого песка.
Суспензия для этих образцов имела вязкость 40 2 с (при 24° С)
по воронке Форда (диаметр отверстия 6 мм). При очень густой
суспензии (65—70 с), т. е. при высоком соотношении суспензии
к массе обсыпочного материала, образуется форма с низкой проч-
ностью. Это, вероятно, можно объяснить тем, что при гелеобразо-
вании суспензии, в которой относительно мало песка, происходит
ее растрескивание. Сетка трещин является причиной снижения
прочности керамических форм. Прочность на изгиб керамических
форм, изготовленных обсыпкой кварцевым песком с величиной
зерна 0,2—0,4 мм с увеличивающейся вязкостью обмазки, при-
ведена в табл. 79.
Обсыпочный мелкий кварцевый песок также влияет на проч-
ность керамических форм при изгибе. Для густой суспензии не
пригоден мелкий обсыпочный песок, так как на слоях кера-
мической формы такой песок плохо держится и не обеспечи-
вает хорошую связь отдельных слоев. Керамические формы
из таких слоев имеют невысокую прочность (табл. 80). Вязкость
суспензии составляла 70 2 с по воронке Форда диаметром
6 мм.
Существенное влияние на прочность при изгибе керамиче-
ских форм оказывает концентрация условной двуокиси кремния
в связующем. В работе [11] указывается, что прочность силли-
манитовых керамических форм повышается с увеличением в гидро-
лизованном раствореэтилсиликата содержания условной двуокиси
Таблица 77. Прочность
керамических форм
Вяз- кость по воронке Форда (диаметр отвер- стия . 6 мм), с Сорт кварце- вого песка Прочность оболочек при изгибе, Н/мм2
сы- рых после прока- ливания
20±2 I II III IV 2,12 2,20 1,20 2,36 1,60 1,70 1,74 2,82
60—65 I II III IV 2,00 2,04 2,10 2,15 1,62 1,64 1,70 1,76
Таблица 78. Влияние зернистости
обсыпочного песка
на прочность форм
Зернистость обсыпочного песка, мм Прочность при изгибе форм после прокали- вания, Н/мм2
0,1—0,2 2,1
0,2—0,4 2,0
0,3-0,5 1,9
0,4—0,6 1,75
0,5—0,7 Г.62
Таблица 79. Влияние вязкости
суспензии на прочность форм
Вязкость Прочность при
по воронке Форда изгибе форм
(диаметром 6 мм), после прокали-
с вания, Н/мм2
30±2 2,05
45±2 1,98
55± 60 1,82
269
Таблица 80. Влияние зернистости
обсыпочного песка
на прочность форм
Зернистость обсыпочного песка, мм Прочность форм при изгибе, Н/мм2
в сыром состоя- нии после прока- ливания
0,06—0,1 2,1 1,38
0,1—0,2 2,35 1,58
0,2—0,4 2,43 1,70
0,5—0,7 2,50 1,85
Таблица 81. Влияние концентрации
SiO2 в связующем на прочность форм
Содержание условной SiO2 в связующем, % Прочность при изгибе форм после прокали- вания, Н/мм2
5 1,05
10 1,85
15 2,02
20 2,35
25 2,54
30 2,61
Таблица 82. Зернистость
корундового порошка
Порошок Величина зерна, мм Содер- жание, %
В к 280-320 Более 0,060 4
0,060 12
0,050 32
0,040 33
0,030 9
0,020 3
0,010 2
0,005 3
0,004 3
0,002 3
М32 по CSN 0,015 и менее 10
224014 0,032—0,022 50
0,040—0,032 25
0,050—0,040 4' /
Зернистость обсыпочного песка В К 36
Величина ячейки
сита, мм........ 0,20 0,12 0,06 0,06
Остаток на сите,
%............... 86,4 6,5 7,1 0
кремния. Это же относится и к керамическим формам из кремне-
земистых материалов (табл. 81).
Вязкость суспензии при всех концентрациях условной SiO2
одинакова и составляет 30 ± 2 с при 22—24° С.
Зернистость обсыпочного песка была в пределах 0,1—0,3 мм
(испытания проводили на заводе ZPS г*. Готвальдов).
На газопроницаемость керамических форм влияют следующие
факторы: величина и форма зерна пылевидного огнеупора и обсы-
почного материала; концентрация и тип жидкого связующего;
температура и время прокаливания керамических форм.
Газопроницаемость снижается с повышением дисперсности пы-
левидного огнеупора [16] (это относится к пылевидным огнеупо-
рам вообще). Подтверждением этого являются разультаты испыта-
ний корундовых форм, изготовленных из суспензии, твердой фазой
которой являлся искусственный пылевидный корунд различной
зернистости. Концентрация условной SiO2 в связующем составляла
20% (ZPS г. Готвальдов). Вязкость суспензии при 20—24° С была
18—20 с (по воронке Форда). Для экспериментов использовали
огнеупорный порошок корунда В К 280-320 и М32 (табл. 82).
В качестве обсыпочного материала применяли корундовый песок
ВК 36.
270
Критерием газопроницаемости являлась пропитываемость про-
каленных керамических форм по CSN 726010. Результаты измере-
ний представлены в табл. 83. Величины пропитываемости не отра-
жают газопроницаемость, определенную соответствующим изме-
рением объема воздуха, проходящего через материал в единицу
времени под постоянным давлением. Пропитываемость характе-
ризует только открытые поры (связанные с поверхностью), в кото-
рые может проникнуть жидкость [17 ]. По величинам пропитывае-
мости можно судить лишь о качественном изменении газопрони-
цаемости.
Влияние зернистости обсыпочного материала на газопроницае-
мость керамической формы из молохита описано в работе [2].
Согласно сообщениям авторов этой работы газопроницаемость
керамических форм увеличивается с увеличением величины зерна
обсыпочного материала только до определенной величины, а затем
с увеличением крупности зерна снова снижается, особенно при
суспензиях с высокой вязкостью/
Снижение газопроницаемости керамических форм с грубым
обсыпочным материалом объясняется тем, что между его части-
цами имеются свободные пространства, в которые при повторном
погружении легко проникла суспензия. Особенно это проявляется
в тех случаях, когда суспензия очень вязкая, не вытекает из за-
зоров и они полностью ею заполняются [18]. Аналогичные испы-
тания были проведены на ZPS г. Готвальдов и с кварцевыми кера-
мическими формами (табл. 84). Вязкость суспензии с пылевидным
кварцем составляла 30 2 с при 22—24° С по воронке Форда.
О влиянии качества связующего на газопроницаемость кера-
мических форм сообщается в работе [2]. Газопроницаемость кера-
мических форм из суспензии на гидрозолях меньше, чем газопро-
ницаемость форм, изготовленных на этилсиликатных связующих
с органическими растворителями.
Испытания с гидрозолем SiO2 на заводе ZPS г. Готвальдов по-
казали, что пористость керамических форм, определяемая пропи-
тываемостью, значительно выше, чем пористость керамических
форм из алкозолей.- Из этого следует, что газопроницаемость форм
с гидрозольными связующими должна быть не ниже газопрони-
цаемости формы с этилсиликатными связующими. Такая несогла-
сованность с литературными данными может быть, объяснена раз-
личным характером связующей пленки. Связующим при этих
испытаниях был Ludox SM40 с очень мелкой коллоидной диспер-
сией SiO2 (мельче, чем имеет связующее Syton 2). Наполнитель
суспензии — пылевидный кварц, обсыпочный материал — квар-
цевый песок. По данным работы [2 ], огнеупорным материалом был
молохит.
Исследования показали, что газопроницаемость, определенная
по пропитываемости, повышается, если смешиваются два огне-
упорных материала с различной формой зерна, причем прочность
на изгиб керамических форм не снижается. Пропитываемость кера-
271
Таблица S3.
Пропитываемость
прокаливаемых
керамических форм
Пылевидный огнеупорный и обсыпочный материал Пропиты- ваемость, %
Искусственный ко- рунд В К 280-320 14,8
Песок В К 36 Искусственный ко- рунд М32 .... 8,2
Песок В К 36
Таблица 84.
Пропитываемость
кварцевых керамических
форм
Зернистость обсыпочного материала, мм Пропи- тывае- мость оболоч- ки, %
0,06—0,1 11,2
0,1—0,2 15,8
0,1—0,3 16,0
0,2—0,4 16,8
0,3—0,5 14,1
0,4—0,6 13,6
0,5—0,7 11,6
Таблица 85.
Пропитываемость форм
после прокаливания
Состав суспензии, % Средняя про- питываемость, % (CSN 726012)
100 пылевидного кварца 14,5
80 пылевидного кварца и 20 искус- ственного корун- да В К 280-320 22,6
мических форм, изготовленных из смеси пылевидного кварца и
молотого корунда зернистостью 280/380 с алкозольным связую-
щим, содержащим 118 г/л условной двуокиси кремния, после про-
каливания была более высокая (табл. 85).
Повышение газопроницаемости керамических форм подтвер-
дилось и при практическом испытании на отливках. На рис. 97
представлены литые сверла по дереву, отлитые в керамических
формах, изготовленных при постоянных условиях (как и опыт-
ные образцы для определения пропитываемости). На рис. 98
представлены те же отливки, изготовленные из суспензии
с 80% пылевидного кварца и 20% порошка искусственного
корунда В К 280-320. Отливки, особенно более мелкие (рис. 97),
имеют дефекты — недоливы. На рис. 98 все отливки без
этого дефекта.
Рис. 97. Сверла для дерева, отлитые в формах из кварца
272
Рис. 98. Сверла для дерева, отлитые в формах из кварца с ко-
рундом
При повышении температуры и длительности прокаливания
прочность керамических форм повышается. Газопроницаемость по-
вышается только в том случае, если в суспензии нет веществ, сни-
жающих температуру плавления огнеупорных материалов. В про-
тивном случае происходит снижение газопроницаемости керами-
ческих форм.
В исследованиях, проведенных на заводе ZPS г. Готвальдов,
изучали влияние технологии на важнейшие свойства, такие, как
прочность на изгиб и газопроницаемость. При обычном изготовле-
нии керамических форм для первых слоев использовали более
жидкую суспензию, а для последующих более густую. Для жидкой
суспензии применяли мелкий обсыпочной материал, для густой —
крупный.
Керамические формы можно изготовить также погружением
блока сначала в жидкую, а после стекания избытка — в густую
суспензию. Цель испытаний — проверить, влияет ли существенно
такая технология на прочность и газопроницаемость керамических
форм.
Из суспензии, состоящей из пылевидного кварца и гидролизо-
ванного раствора этилсиликата с концентрацией 115 г/л условной
двуокиси кремния и кварцевого песка в качестве обычного мате-
риала, изготовляли опытные образцы четырьмя различными спо-
собами при нанесении слоев:
1) первый слой — жидкая суспензия, обсыпка мелким песком.
Остальные слои — густая суспензия, обсыпка крупным песком;
2) первый слой — жидкая суспензия, обсыпка мелким песком.
Второй слой — густая суспензия, обсыпка крупным песком.
Остальные слои — так же, как первый слой;
3) первый слой — густая суспензия, обсыпка [крупным песком.
Остальные слои—жидкая суспензия, обсыпка очень мелким песком;
273
Таблица 86. Влияние пропитываемости и толщины оболЬчек
та их прочность при изгибе
Ва- рианты техно- логии Обо- лочка (номер слоя) • Вяз- кость суспен- зии, с Зер й- стость обсы- почного песка, мм Прочность при изгибе, Н/мм2 Пропи- тывае- мость, % Толщина оболоч- ки, мм
в сыром состоя- нии после просу- шивания
а 1 2—4 35+2 40+2 0,1—0,3 0,4—0,6 2,4 2,1 13 4,1
а 1 2—4 40+2 50—55 0,1—0,3 0,4—0,6 2,6 2,2 12 4,5
ь 1 2 3—4 30±2 45+2 30±2 0,1—0,3 0,4—0,6 0,1—0,3 2,6 2,05 12 4,4
ь 1 2 3—4 45±2 55—60 45—2 0,1—0,3 0,4—0,6 0,1—0,3 2,6 2,25 11,8 4,5
с 1—4 10—15 60—65 0,3—0,6 2,5 2,15 13,5 4,5
с 1—4 10—15 45±2 0,3—0,6 2,6 2,05 13,0 4,3
d 1 2—4 45±2 25+2 0,4—0,6 2,6 2,1 12 - 4,5
4) все опытные образцы сначала погружали в жидкую сус-
пензию, а после стекания ее избытка — в более густую; обсыпка
крупным песком. Вязкость суспензии определяли по вороке Форда
с отверстием диаметром 6 мм при 21—23° С.
Из данных табл. 86 видно, что изменение в технологии по всем
вариантам на прочность при изгибе, пропитываемость и на тол-
щину керамических форм существенно не влияет.
В другой серии экспериментов проверяли влияние выдержки
модельного блока в суспензии и времени стекания ее избытка
перед обсыпкой на те же свойства керамических форм. Из данных
табл. 87 следует, что изменения в технологии не влияют суще-
ственно на свойства керамических форм.
Исследовали также влияние вязкости суспензии при постоян-
ных условиях на газопроницаемость керамических форм при раз-
личных температурах (табл. 88). Из этих данных видно, что с по-
вышением вязкости суспензии газопроницаемость оболочки суще-
274
ственно снижается при всех вариантах сушки форм. Толщина кера-
мических оболочек была постоянной, равной 4,5 мм (±5%).
Газопроницаемость оценивали по прохождению количества га-
зов (в см3) через 1 см2 поверхности керамической формы за 1 мин.
Другими технологическими факторами, которые влияют на
основные свойства керамических форм, являются сушка слоев,
продолжительность и температура прокаливания. Прочность кера-
мических форм с наполнителем—пылевидным кварцем при сушке
на воздухе составляет 3,1—3,3 МПа; после отверждения аммиа-
ком — только 1,48—1,56 МПа. В качестве связующего использо-
вали гидролизованный раствор этилсиликата с разбавителем —
спиртом.
У керамических форм, изготовленных из суспензии с гидрозо-
лем кремнезема, также происходит изменение прочности, если
их отверждают химическим способом вместо спокойной сушки на
воздухе. В табл. 89, по данным английской литературы [16],
даны для сравнения свойства керамических форм из молохита и
гидрозоля (SYNTON 2х) с 30% SiO2, высушенных на воздухе и
отвержденных химическим способом. Наибольшую прочность
имели керамические формы с гидрозолем SiO2, которые высуши-
вались спокойно на воздухе.
Контроль суспензии ограничивается измерением вязкости.
В большинстве стран вязкость суспензии определяют по времени
истечения суспензии из воронки Форда типа В или из вискози-
метра Zahn (рис. 99). Только в исключительных случаях (со-
гласно литературным данным) измеряется динамическая вязкость
* Таблица 87. Влияние выдержки форм в суспензии и времени стекания суспензии на прочность форм в сантипуазах на вращающемся вискозиметре Брукфильда [11 ]. В ЧССР используют воронку Форда. Форма и размеры такой воронки и способ измерения в ЧССР, как и в некоторых дру- гих странах, нормализованы. Таблица 88. Газопроницаемость керамических форм в зависимости
Номер слоя Выдержка бло- ка в суспен- зии, с Время стекания суспензии с блока, с Общая толщина оболочки, мм Прочность форм при изгибе, Н/мм2 Пропитывае- мость, %
1 10 30 0,7 от вязкости суспензии
2 3 4 45 65 65 60 65 65 1,8 3,3—3,7 4,8—5,1 1,75 13,1 Вяз- кость Г азопроницаемость при температуре, °C
1 2 3 4 10 30 15 45 0,65 1,6—1,8 3,0—4,2 4,8—5,2 1,61 12,75 суспен- зии, с 20 650 1100
50 56 50 50 30 130 40 20
1 2 3 4 10 60 80 80 30 60 65 65 0,75 1,0—1,25 1,8—3,2 4,8—5,2 2,01 12,3 • 45 60 75 60 7,0 5,0 29 9,5 6,5 17 7 5
275
Таблица 89. Свойства керамических
форм при различных способах сушки
Способ сушки оболочек Толщина оболочки, мм Прочность при изгибе, Н/мм2 Газопрони- цаемость, см8/мин
На воздухе .... Отверждение аммиа- 5,25 3,10 180
ком 4 1,34 90
Отверждение угле-
кислым газом . . . 5,75 0,77 130
Рис. 99. Схема усовершенствованного вискозиме-
тра Zahn
Замеренные величины вязкости должны быть всегда дополнены
данными о величине отверстия воронки и температуры при опре-
делении вязкости.
В Англии диаметр отверстия воронки обозначается цифрой,
которая ставится у буквенного обозначения типа воронки Форда —
воронки В2, 53, В4, В5.
Вискозиметр Zahn имеет сменные втулки с пятью различными
диаметрами. При определении вязкости по воронке Форда за конец
измерения принимают момент, когда струя суспензии прерывается,
переходя в отдельные капли; при измерении вязкости вискози-
метром Zahn окончанием измерения считают момент времени,
когда на снижающемся уровне суспензии показывается острие
стержня, установленного на дне воронки (рис. 99).
Важным фактором при измерении времени истечения суспен-
зии является температура, так как с ее изменением изменяется и
время истечения. Согласно данным работы [3] время истечения
значительно сокращается при повышении температуры. Так,
если время истечения суспензии из воронки Форда В4 при 26° С
составляет 130 с, то вязкость снижается при повышении темпера-
туры до 36° С до 96 с.
Время истечения суспензии имеет, естественно, объективное
значение только при условии, что состав связующего и зернистость
пылевидного огнеупора не изменяются. В противном случае сус-
пензия при одинаковом времени истечения будет иметь различные
соотношения между пылевидным огнеупором и связующим и из-
готовленные керамические формы будут иметь различные свойства.
Поэтому данные о вязкости суспензии должны всегда сопровож-
даться сведениями о концентрации условной SiO2 в связующем,
276
а также о составе и зернистости пылевидного огнеупора или о его
величине удельной поверхности.
С увеличением концентрации условной SiO2 в жидком связую-
щем и величины поверхности пылевидного огнеупора при постоян-
ном отношении связующего и пылевидного огнеупора время исте-
чения суспензии будет увеличиваться.
Из анализа всех этих условий, влияющих на вязкость суспен-
зии, следует, что вязкость не может быть определяющим фактором
для оценки качества керамической формы. Поэтому изыскивают
методики, которые позволили бы найти зависимость качества кера-
мических форм от их прочности и газопроницаемости.
Контроль исходных материалов для приготовления суспензий.
В предыдущей главе был рассмотрен ряд факторов, которые ока-
зывают влияние на качество керамических форм. Установлено,
что качество керамических форм зависит прежде всего от стандарт-
ного качества используемых исходных материалов. Значит, од-
ним из важнейших этапов входного контроля является контроль
всех исходных материалов. Поэтому исследователи всех стран
стремятся создать производственные способы испытания исходных
материалов для осуществления быстрого и точного контроля про-
изводства керамических форм.
Контроль пылевидного кварца состоит в опре-
делении влажности, количества примесей, щелочности и зернисто-
сти. Наибольшая допускаемая влажность 1 % (если она выше, не-
обходимо пылевидный кварц сушить). Содержание примесей в пы-
левидном кварце должно быть минимальным; согласно данным ра-
боты [19] молотый Р-кварц, используемый в США, состоит из
99,8% SiO2 и примесей: 0,11% А12О3, 0,033% Fe2O3, 0,022% TiO2
и СаО и MgO (следы). Кварцевые порошки, используемые в ЧССР,
не отличаются такой чистотой. Содержание в них А12О3 и Fe2O3
бывает выше. Так как эвтектика с низкой температурой плавле-
ния в системе SiO2—А12О3 образуется при 5% А12О3, то при нагреве
кварца до 1300° С практически не образуется соединений с низкой
температурой плавления, а только твердые растворы [20]; это
не влияет на огнеупорность и на газопроницаемость керамических
форм, содержащих 0,25—0,30% А12О3 или Fe2O3. Но это может
сказаться на хрупкости керамических форм, так как Fe2O3 при
температуре 575—900° С диффундирует в кристаллическую ре-
шетку SiO2. Содержание окислов кальция и магния в пылевидном
кварце ЧССР бывает больше указанного.
Совершенно не допускается содержание элементарного железа
которое окисляется в кислой среде жидкого связующего и сдви-
гает pH до неустойчивой области, чем вызывает преждевременное
гелеобразование связующего. Живучесть суспензии при этом
сокращается. При прокаливании керамических форм железо окис-
ляется, а его соединения с кислородом (FeO, Fe2O3) образуют с SiO2
соединения с низкой температурой плавления. Это сопровождается
появлением дефектов на поверхности отливок.
277
Количество щелочных примесей в наполнителе должно быть
минимальным. Высокая щелочность сокращает живучесть суспен-
зии. Щелочность можно снизить повышением содержания кислоты
в суспензии по эквиваленту, соответствующему количеству, по-
требному для связывания ионов Са++ или других веществ, повы-
шающих концентрацию ионов ОН".
Опыт показал, что щелочность, вызываемая СаО при его со-
держании до 0,035%, не уменьшает живучесть суспензии. Щелоч-
ность определяют кипячением навески пылевидного кварца в опре-
деленном количестве кислоты деци нормаль ной концентрации.
Неизрасходованную кислоту оттитровывают деци нормальным рас-
твором едкого натра. Кислоту, израсходованную для нейтрализа-
ции растворенных щелочей, пересчитывают на содержание СаО
(в %).
По CSN 721531 зернистость пылевидного огнеупора определяют
просеиванием на ситах по CSN 721263; мельчайшие частички (до
0,06 мм) определяются седиментационными испытаниями по
Andreasen или Casagrand (CSN 721127). Эти способы простые,
но требуется длительное время испытания для того, чтобы полу-
чить правильные и воспроизводимые результаты.
Долю мелких частиц можно определить и другими способами.
Имеются сообщения о проведении ситового анализа и очень мел-
ких огнеупорных порошков — до величины зерна около 2 мкм;
при этом применяют металлические плетеные сетки [21]. Сито-
вой анализ проводят мокрым способом и результаты сравнивают
с результатами других способов [22].
Наиболее простым является способ определения с помощью
седиментационных весов; на них определяют количество'частиц,
осадившихся за определенное время [23]. Специальные фирмы
изготовляют седиментационные весы с автоматическим регистри-
рованием результатов взвешивания, как, например, седиментаци-
онные весы фирмы Sartorius-Werke G. М. В. Н. (Геттинген, ФРГ).
Долю мелких частиц в пылевидном огнеупоре можно опреде-
лить и турбидиметрическим способом, основанным на измерении
интенсивности света при прохождении его через дисперсионную
среду с частицами пылевидного огнеупора [24—27]. Анализ про-
водится при помощи фотоэлектрического турбидиметра Вагнера
[24]. Преимущество турбидиметрического способа по сравнению
с остальными седиментационными способами состоит в существен-
ном сокращении времени анализа.
Для получения точных кривых распределения величины зерна
и крупных частиц рекомендуется комбинировать турбидиметри-
ческий способ с седиментационным взвешиванием. Седимента-
ционные методы обычно не позволяют точно определять частицы
менее 2 мкм. Седиментация таких мелких частиц длится долгое
время, и определенные величины не точны вследствие броунов-
ского движения молекул.
278
Величину зерна можно определять и при помощи вычислитель-
ных машин [28], например прибором Coulter-Counter. К суспен-
зии анализируемого порошка добавляют электролит (NaCl), чтобы
она была электропроводна, и измеряют сопротивление между
двумя сосудами, разделенными капиллярной стенкой. По этому
капилляру проходит суспензия. При проходе каждой частицы уве-
личивается сопротивление, изменение которого регистрирует
электронный прибор. Максимальное увеличение сопротивления
характеризует величину зерна [29]. Если известна величина зерна,
то можно определить величину удельной поверхности, и наоборот
[30, 31].
Наиболее часто для измерения удельной поверхности частиц
применяют способы, основанные на адсорбции мономолекулярных
слоев. Самым обычным является определение удельной поверх-
ности частицы адсорбцией азота в соответствующих устройствах
[32].
Способ ВЕТ используют только для частиц с относительно
большой удельной поверхностью. Для кремнезема, например,
такой поверхностью обладают частицы размером менее 20 мкм [30 ].
Кроме ранее приведенных приборов для измерения величины
зерна иностранные фирмы предлагают много различных приборов.
Некоторые из них работают в автоматическом режиме, такие, как
гранулометр TURZ62 производства VEB Transformatoren und
Rontgenwerke (Дрезден, ГДР); седи граф — модель 5000 производ-
ства Micromeritics Corp. (США); фотоседиментометр производства
Microseal Ltd. (Лондон, Англия); турбидиметр производства Evans
Electro Scienium Ltd. (США); автоматический анализатор величины
зерна SF 82, ASTMD-422 производства Matodo Testing:Machine Со.
(Токио, Япония).
Чтобы контроль зернистости пылевидного кварца был целесо-
образным, требуется знать допускаемые отклонения в^величинах
зерен. По опыту ZPS г. Готвальдов оказалось наивыгоднейшим
следующее распределение величины зерна в пылевидном квар-
цевом порошке (рис. 100):
Величина зерна,
мкм .......... 40 40—10 До 10
Содержание, % 30—40 50 15
Наибольшую прочность при изгибе имеют керамические формы
из суспензии с пылевидным кварцем следующей зернистости
(см. рис. 100):
Величина зерна,
мкм .......... 60—50 40 30—10 До 10
Содержание, % 10 20 50 20
d60 = <20; число равномерности
ность 5000—8000 см2/г.
= 0,20;
удельная
поверх-
279
Размер частиц
Рис. 100. Оптимальный грануло-
метрический состав пылевидного
кварца
Контроль этилсиликата
и спирта. Обычно контроль этил-
силиката 40 ограничивают определением
плотности пикнометром, которая харак-
теризует содержание условной дву-
окиси кремния, и определением концен-
трации соляной кислоты методом титро-
вания. Рекомендуется также определять
содержание фракции с температурой ки-
пения до 110° С и содержание низкомо-
лекулярных веществ.
Для этилсиликата 40 производства
ГДР (завода VEB Chemie-Werk Nunch-
ritz) по стандарту TGL 21405 характер-
ны следующие величины: плотность при
20° С 1,04—1,06 г/л, температура воспламенения 60° С, содержа-
ние SiO2 38—42%, НС1 не более 0,1%, низкомолекулярных
веществ не более 15%. Это чистая несмешиваемая с водой и смеши-
ваемая со спиртом в любом соотношении жидкость, смесь этокси-
пол исилоксанов (преимущественно додекаэтоксиполисилоксанов).
По данным завода ZPS г. Готвальдов в этилсиликате 40 может
быть до 8% фракции с температурой кипения до 110° С.
Изготовители рекомендуют оценивать пригодность этилсили-
ката для приготовления связующего определением времени геле-
образования. Этот параметр определяют следующим образом.
В пробирке смешивают последовательно 10 мл пробы этилсиликата
с 2 мл этилового спирта и 4 мл концентрированной соляной ки-
слоты. Раствор в пробирке тщательно перемешивают, чтобы он
стал гомогенным, и затем пробирку с раствором устанавливают
в термостат, где выдерживают при 20 ± 0,5° С. Начало гелеобра-
зования определяют по моменту очень медленного течения раствора
при наклоне пробирки. Время гелеобразования — это промежуток
от начала испытания до полного гелеобразования (прекращение
движения раствора при наклоне пробирки).
В безводном этиловом спирте (CSN 660835), денатурированным
добавкой 2 % технического бензина, определяют содержание спирта
спиртометром. При производственных испытаниях рекомендуется
определять пригодность спирта для приготовления связующего
следующим образом: 200 мл этилсиликата разбавляют 100 мл испы-
тываемого этилсиликата спирта, добавляют 20 мл воды и 1 мл
концентрированной соляной кислоты. Всю смесь хорошо переме-
шивают интенсивным встряхиванием колбы, в которой находится
жидкость. Если температура раствора начинает значительно повы-
шаться (40—45° С), то это свидетельствует о прохождении гидро-
лиза. Одновременно аналогично^определяют пригодность этил-
силиката для приготовления связующего.
Все испытания исходных материалов подробно описаны в спе-
циальной литературе [1].
280
Контроль связующего.
’ Простейшим и быстрым ис-
пытанием качества связую-
щего, т. е. его связующей
способности, является испы-
тание методом нанесения свя-
зующего на кварцевое стекло,
Метод позволяет определить
прохождение реакции гидро-
лиза этилсиликата. Методика
испытания следующая: свя-
зующий раствор наносят тон- 3
КИМ СЛОеМ На стеклянную рис, lot. Зависимость плотности связующего
пластинку И оставляют СОХ- от содержания в нем SiO2
нуть. Если гидролиз этилси-
ликата прошел, то высохшая пленка растрескивается на мелкие
чешуйки, которые отслаиваются от стекла. В противном случае
связующее не высыхает и на стекле остается масляное пятно.
Быстро определять качество связующего позволяет метод за-
мера его плотности ареометром. Плотность характеризует содер-
жание условной двуокиси кремния в связующем. Для этого свя-
зующее выдерживают в стеклянном цилиндре при 20° С, а затем
в него погружают ареометр со шкалой 0,800—1,00 с ценой деления
0,002. На диаграмме (рис. 101) показана зависимость плотности от
содержания условной двуокиси кремния в связующем.
Наиболее правильным является испытание связующего по тех-
нологической пробе. Изготовляют образцы и определяют их проч-
ность при изгибе. Однако такое технологическое испытание очень
длительно.
12.2. МЕЖОПЕРАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ
Межоперационный контроль применяют при изготовлении
выплавляемых моделей, при сборке моделей в модельные блоки,
при изготовлении керамических форм, при удалении модельного
состава из керамических форм, при плавке и заливке металла, при
выбивке и очистке отливок.
12.2.1. КОНТРОЛЬ ВЫПЛАВЛЯЕМЫХ МОДЕЛЕЙ
И МОДЕЛЬНЫХ БЛОКОВ
Точность выплавляемых моделей должна быть в пределах
размерных допусков по классификации ISO 13—14, а в отдельных
случаях и в более узких пределах по ISO 11.
Контроль выдерживания размерных допусков моделями явля-
ется для экономики производства точных отливок очень важным.
Все выплавляемые модели перед сборкой в модельные блоки кон-
тролируют визуально. Модели с поверхностными усадочными ра-
281
ковинами отбраковывают, модели с плохо очищенными заусен-
цами по линии разъема, приливами возвращают на доработку.
При сборке моделей в модельные блоки важно, чтобы выдержи-
вались заданные размеры прибылей и правильное распределение
отдельных моделей на стояке. Это необходимо для предотвраще-
ния образования усадочных раковин на отливках. При сборке мо-
делей в блоки следует предусмотреть возможность отделения отли-
вок от стояка с наименьшим числом резов. Все это контролируют
в соответствии с технологическими картами. В картах содержатся
важнейшие производственные указания, например размеры лит-
никовой системы, моделей и прибылей, число рядов на каждом
блоке, число отливок в одном ряду, фотографии или эскизы модель-
ного блока и готовой отливки и т. д. Пригодность литниковой
системы и качество отливок всегда проверяют на пробных сериях.
12.2.2. КОНТРОЛЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Этот производственный участок особенно важен, так как пре-
имущественно здесь определяется качество отливок. На этой
технологической операции необходимо выдерживать все требова-
ния по приготовлению связующего, определению вязкости сус-
пензии, выдерживать предусмотренную зернистость обсыпочного
материала. Величина зерна во время обсыпки изменяется, доля
более крупных зерен увеличивается, так как на сыром модельном
блоке удерживается прежде всего мелкая фракция обсыпочного
материала. Поэтому такой материал необходимо освежать периоди-
чески добавками свежего песка. Необходимо также выдерживать
время сушки отдельных слоев оболочки и следить за тем, чтобы
при дальнейших технологических операциях не произошло рас-
трескивания керамических форм.
Свойства материалов, используемых при изготовлении керами-
ческих форм, влияют на прочность, газопроницаемость и на тепло-
вое расширение форм. Отклонение свойств исходных материалов
от установленных инструкцией прямым образом сказывается на
качестве форм при последующих операциях. Поэтому необходимо
правильно измерять прочность при изгибе, газопроницаемость и
в особых случаях тепловое расширение керамических форм и тре-
бовать поставки только качественных исходных материалов.
Прочность при изгибе высушенных керамических форм гаран-
тирует сохранность ее при операциях удаления модельного со-
става, установки на прокаливание и при транспортировке. Проч-
ность прокаленной керамической формы гарантирует выдерживание
допускаемого гидростатического давления заливаемого металла.
Газопроницаемость обеспечивает качество поверхности отли-
вок и хорошее заполнение форм жидким металлом.
Определение прочности при изгибе керамических форм. Предел
прочности при изгибе керамических форм определяют многими
способами. Диттрих и Крингс определяли его при помощи прило-
282
’ жения давления на внутреннюю поверхность оболочки (до ее раз-
рушения), выполненной в виде полого шара, куба или цилиндра.
Шефард и Левич изгибали до разрушения плоский образец, изго-
товленный по принятому в производстве способу получения оболоч-
ковой формы [11]. Фишер и Дитерт испытывали образцы в виде
кубиков из затвердевшей суспензии [34]. У керамических огне-
упорных изделий прочность на сжатие определяют обычно по
стандарту CSN 726013.
В литье по выплавляемым моделям наиболее часто определяют
прочность оболочки на специально изготовленных образцах.
Образцы имеют форму пластинок, их изготовляют многократным
нанесением суспензии на выплавляемую модель или на полоску
жести. Состав суспензии, обсыпочный материал и параметры сушки
каждого слоя должны соответствовать принятому технологическому
процессу. Образцы извлекают из модели механическим путем или
модель расплавляют.
Высушенные или прокаленные керамические образцы устана-
вливают на две горизонтальные цилиндрические опоры гладкой
стороной. Расстояние между опорами обычно постоянно. К образцу
в средней части со стороны обсыпанного песком слоя приклады-
вается нагрузка до его разрушения. Скорость нагружения об-
разца должна быть равномерной и иметь определенную величину.
В ЧССР принята скорость нагружения 1,5 Н/с.
Скорость нагружения влияет в определенной мере на величину
прочности: с увеличением скорости нагружения растет кажущаяся
прочность. Точность измерения нагрузки ±1% [35]. В месте из-
лома замеряют толщину образца. При известном расстоянии между
опорами, ширине и толщине образца (в виде пластинки) прочность
при изгибе рассчитывают (Н/мм2) по уравнению
__ ЗР/
°и — 2bh2 ’
где Р — сила, необходимая для разрушения образца, Н; Z —
расстояние между опорами, мм; b — ширина образца, мм; h —
толщина образца, мм.
Прибор для испытания образцов при изгибе, применяемый
в ЧССР, показан на рис. 102. На этом приборе испытываемые
образцы — пластинки поднимаются на двух опорах. Упираясь
в середине о расположенную неподвижную призму, они ломаются.
Другие приборы имеют иную схему нагружения. Так, например,
в приборе для определения прочности при изгибе керамических
материалов по CSN 51030 производства фирмы Netzsch Geratban,
Selb (ФРГ) испытываемый образец — пластинку нагружают снизу
подвижной призмой (рис. 103).
Размеры керамических образцов для испытания в разных стра-
нах различны: в ЧССР используют пластинки размером
100x25x5 мм, в Англии 102,4x25,4x3,2 мм, в ГДР 40x10 мм
[15].
283
Рис. 102. Прибор для определения прочно-
сти при изгибе керамической оболочки
(ЧССР)
Прочность при изгибе кера-
мических форм определяют
обычно при нормальной темпе-
ратуре. Такое испытание при
необходимости можно прово-
дить при повышенных темпера-
турах. Практическое значение
имело бы измерение прочности
при 1200—1400° С, но это сде-
лать очень трудно.
Диттрих и Крингс опреде-
лили, что при нагреве до 500° С
прочность керамики медленно
нарастает; максимальная проч-
ность наблюдалась при 500—
700° С. Затем наступает сниже-
ние прочности и при 900° С проч-
ность такая же, как и при нор-
мальной температуре.
Прочность при изгибе кера-
мических образцов при повыше-
нии температур определил В.
Доелман [37 ]. Образцы — плас-
тинки f размером 25,4 X 31,8 X
X5,6| мм [изготовляли нанесе-
нием суспензии на металлическую пластинку, покрытую модель-
ным составом. Образцы испытывали на приборе для испытания
песчаных образцов. Опытные пластинки с опорным устройством
вставляли в рабочее пространство трубчатой электрической печи со-
противления. Схема опорного устройства представлена на рис. 104.
Измерение газопроницаемости форм. Газопроницаемость опре-
деляется скоростью прохода потока газа через единицу поверх-
Рис. 103. Прибор для определения прочности при изгибе керамической оболочки
284
Рис. 104. Схема установки образца для
определения прочности при высоких тем-
пературах
ности при определенном давле-
нии и определенной толщине об-
разца. Газопроницаемость кера-
мической формы зависит от ко-
личества пор, от того, как сильно они взаимно соединены, и от
используемого прибора при измерении. Основой стандартного
метода является скорость прохождения газа по опытному образцу.
Для измерения чаще всего используют воздух при температуре
окружающего пространства. Газопроницаемость рассчитывают по
фо М ле К ~~ °бъем газа X толщина опытного образца
площадь X время X давление
Так как газопроницаемость керамических форм, используемых
в литье по выплавляемым моделям, по сравнению с газопроницае-
мостью традиционных песчано-глинистых форм является несоиз-
меримой, ее нельзя измерять на стандартном приборе для измере-
ния газопроницаемости песчано-глинистых формовочных смесей.
Поэтому следует изыскивать другие способы измерения и созда-
вать другие приборы.
Шепард и Левич, например, определяли газопроницаемость
керамического образца созданием внутри него вакуума. Поверх-
ность измеряемого образца была равна 1,77 см2 [11].
Комитет по формовочным материалам BICTA разработал метод
испытания газопроницаемости керамических форм в холодном
состоянии при помощи конусной пробы, которая позволяет изме-
рять газопроницаемость с точностью ±10% [32]. Выплавляемая
модель, так называемый * Лидбеттеровский конус, представляет
собой цилиндр, переходящий в конус. Диаметр основания конуса
50,8 мм, высота 76,2 мм; диаметр цилиндрической части 57,15 мм,
высота 25,4 мм. Цилиндрическая часть — пустотелая с внутрен-
ним диаметром 50,8 мм и высотой 25,4 мм. На конусную пробу
наносят необходимое число слоев суспензии, обсыпают ее и сушат.
Модель выплавляют и полученный пустотелый керамический обра-
зец прокаливают. Затем обрезают абразивным инструментом ци-
линдрическую часть образца, точно выдерживая высоту конусной
части. Микрометром замеряют среднюю толщину оболочки и уста-
навливают образец в кольцевой паз приспособления для измере-
ния газопроницаемости. Кольцевой паз заполнен ртутью, которая
обеспечивает герметичность. Верхний уровень ртути устанавли-
вается на соответствующей высоте от основания конуса.
При применении конусного образца газопроницаемость опре-
деляют по уравнению
dv
PtA ’
285
Температура
Рис. 105. Зависимость газопроницаемости
от температуры
где d — средняя толщина ке-
рамического образца, см; V —
объем прошедшего воздуха, см3;
Р — давление, выраженное вы-
сотой водяного столба, см; t —
время, необходимое для про-
хода измеренного объема воз-
духа; А — внутренняя поверх-
ность, см2, над уровнем ртут-
ного уплотнения.
Если Р и V постоянны при
А = const или изменяются не-
значительно, то формула упро-
щается: К = -у-.
В Англии стандартным производственным методом [12] яв-
ляется определение газопроницаемости с помощью конусной
пробы.
Об измерении газопроницаемости керамических форм при по-
вышенных температурах указано в работе И. Доелмана. Керами-
ческий образец представляет собой шар, от которого отходит кера-
мическая трубка. Шар вводят в нагретое рабочее пространство
электрической печи сопротивления. Открытый конец трубки, на-
ходящийся вне печи, соединяют с прибором для измерения газо-
проницаемости формовочных смесей [39]. С подобным прибором
работали также В. Диттрих и В. Кринге, когда определяли газо-
проницаемость керамических форм, изготовленных из молохита
и циркона при 900 и 1200° С. Результаты их измерений при тем-
пературе 900° С приведены на диаграмме (рис. 105). На этой
диаграмме видно, что газопроницаемость формы с увеличением
температуры уменьшается.
В Англии для измерения газопроницаемости керамических
форм в горячем состоянии используют керамическую пробу, пред-
ставляющую собой полый керамический шар с отводной трубкой
из плавленого кварца. Трубку шлангом подсоединяют к измери-
тельному прибору, а шаровую пробу нагревают в электропечи.
Моделью для керамической формы служит пластмассовый шарик
(для пинг-понга), к которому приклеивают трубку из плавленого
кварца. После прокаливания шарик сгорает [12].
Измерение теплового расширения. Тепловое расширение кера-
мической формы является важной величиной потому, что объемные
изменения керамических форм могут быть причиной дефектов и
брака продукции. Величина теплового расширения зависит прежде
всего от химического состава огнеупорных материалов и от режима
прокаливания форм. Особенно важно правильно выбрать вели-
чину припуска на усадку при изготовлении мастер-модели (в со-
ответствии с известными коэффициентами усадки сплавов, из ко-
торых изготовляют отливки). Необходимо учитывать изменение
286
Рис. 106. Прибор для определения теплового расширения керамиче-
ских материалов (тип BS 1902, 1966)
объема формы при кристаллизационных превращениях огнеупор-
ных материалов в интервале температур прокаливания, сообенно
кварца, который наиболее широко используют в литье по выпла-
вляемым моделям. Одна из первых фирм, занимающаяся литьем
по выплавляемым моделям (фирма Austenal), ввела определение
теплового расширения керамических форм в контрольные ме-
тоды [191.
Для измерения теплового расширения керамических форм ис-
пользуют обычно дилатометры горизонтального типа. Такой при-
бор описан в работе [41 ]. По данным автора работы, этот способ
пригоден идя измерения теплового расширения при температуре
до 1150° С.
Способ измерения теплового расширения керамических форм
был введен в Англии как контрольный [12]. Керамический обра-
зец для испытания имеет форму цилиндра длиной 75 мм, его при-
готовляют заливкой суспензии в бумажную трубку. Устройство
для измерения теплового расширения сконструировано фирмой
British Ceramic Research Association. Его описание дано в англий-
ском стандарте BS 1902 от 1966 г. Это прибор горизонтального
типа, его схема представлена на рис. 106.
Керамический образец вставляют в дилатометр в трубочке из
кварцевого стекла. Удлинение образца фиксируется цифровым
индикатором со шкалой, разделенной на десятые и тысячные доли
миллиметра. Опытный образец нагревают с определенной ско-
ростью (скорость нагрева, установленная английским стандартом
SAZ, равна 6° в минуту) и через короткие интервалы времени реги-
стрируют температуру и данные цифрового индикатора. Такая
схема определения теплового расширения керамических форм ре-
комендуется до температуры не выше 1100° С. Испытание при
температуре выше 1100° С требует электрического способа
регистрации изменения длины образца. Подобный прибор опи-
сан в работе [41 ].
Горизонтальный дилатометр с программным тепловым режимом
изготовляет фирма Netzsch-Geratbau GmbH (ФРГ).
12.3. КОНТРОЛЬ УДАЛЕНИЯ МОДЕЛЬНОЙ МАССЫ
ИЗ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ
И ПРОКАЛИВАНИЯ ФОРМ
Очень тщательный контроль требуется при выплавлении мо-
дельного состава в горячей воде/ Если температура воды при
выплавлении снижается ниже 95° С, то не образуется демпфи-
287
рующий слой расплавленного модельного состава и керамические
формы потрескаются. При выплавлении в автоклаве качество
выплавления зависит также от выдерживания условий созда-
ния резкого теплового удара. Если все же произошло растре-
скивание керамических форм, значит не были выдержаны техно-
логические условия при выплавлении в автоклаве. Чаще всего
растрескивание форм наблюдается при недостаточной температуре
и давлении в автоклавах.
При прокаливании форм контролируют температуру и продол-
жительность прокаливания. Непрокаленная керамическая форма
приводит к получению отливок с недоливами, раковинами и пло-
хим качеством поверхности. Прокалочные печи должны быть обо-
рудованы измерительными приборами.
12.4. КОНТРОЛЬ ПЛАВКИ
Контроль плавки начинается прежде всего с проверки каче-
ства металлической шихты. Так как плавильные печи, используе-
мые в цехах литья по выплавляемым моделям, являются индук-
ционными печами средней частоты или дуговыми печами для пере-
плава металла, то в них нельзя проводить металлургические про-
цессы. Поэтому в качестве шихты используют сплавы известного
состава.
Для плавки применяют материалы и легирующие присадки,
на которые имеются сертификаты или аттестаты. Если использу-
ется скрап, то проверяют его степень чистоты (влага, масло,
ржавчина), величину кусков (чтобы их можно было загрузить
в тигель). Правильное ведение плавки — залог получения ка-
чественного металла. Окислы изменяют состав шихты и могут от-
рицательно влиять на стойкость тигля. Если стальные отходы
имеют неблагоприятную форму (не входят в тигель целиком, по-
висают), то плавка удлиняется и металл перегревается. Это при-
водит к угарам отдельных элементов и изменению химического со-
става металла. За правильное ведение плавки отвечает плавиль-
щик, который должен точно выдерживать предписания по выплавке
данного материала и вести плавку так, чтобы расплавленный ме-
талл после раскисления в тигле и тщательного удаления шлака
был вылит в сухой ковш при заданной температуре.
Остальные общие основы для ведения плавки приведены в гл. 8.
На качество металла оказывает влияние ряд факторов. Одним
из них является температура металла при плавке и заливке, ко-
торую следует измерять и контролировать. Это условие выполнимо
в тех случаях, когда имеются приборы для измерения температуры
и если при их использовании проводится систематическая оценка
результатов таких замеров.
Для измерения температуры жидкого металла используют
два способа измерения: бесконтактный (при помощи пирометров)
и контактный (при помощи термопар погружения).
288
Принцип работы пирометра основан на сравнении интенсивно-
'сти излучения замеряемого нагретого тела с контрольным (из-
вестным) излучением тела, размещенного в приборе. Интенсивность
излучения тела зависит от его температуры. Пирометры частично
отфильтровывают спектр, излучаемый нагретым телом, пропу-
скают цвет одной волны, который сравнивается со светящейся
нитью накаливания прибора. Радиационные пирометры улавли-
вают весь спектр излучения нагретого тела, который с помощью
оптической системы фокусируется на температурный датчик.
Электрические сигналы, величины которых пропорциональны
интенсивности излучения, переводятся в температурные пара-
метры.
Пирометры — относительно дешевые и доступные приборы,
легко переносимые и не требующие замены изношенных частей.
Отрицательной особенностью пирометров является то, что изме-
ренная температура должна корректироваться в зависимости от
вида расплавленного металла. Также требуется учитывать, что
измеренная температура зависит от обслуживающего персонала.
Замеренная температура зависит объективно от условий окружаю-
щей среды: освещения рабочего места, наличия дыма и пыли в за-
меряемой зоне, поверхности расплавленного металла (окислы,
шлак) и т. д.
Измерение температуры термопарами погружения основано
на явлении возникновения электрического потенциала в цепи при
нагреве места соединения двух проводников. Электрический по-
тенциал тем выше, чем сильнее нагрет спай двух проводников.
Для измерения температуры расплавленного металла используют
в качестве термопар платину и платинородий. Термопару необхо-
димо защищать от прямого контакта с металлической ванной,
от паров металлов, углерода и фосфора. На опускаемый в металл
конец термопары надевают защитный колпачок, чаще всего из
плавленого кварца. Электрический потенциал фиксируется мил-
ливольтметром, шкала которого пересчитана на температурные
величины. Для фиксирования температур в любое время или
для непрерывного по времени замера температур применяют
вторичные приборы, записывающие эти показания. Анализ этих
записей позволяет определить связь между температурой металла
и качеством отливок. Преимущество контактных приборов —опре-
деление абсолютной величины температуры без субъективного
влияния обслуживающего персонала и внешних условий окру-
жающей среды при измерении. Недостаток — большая стоимость
прибора и расходы при эксплуатации.
12.5. КОНТРОЛЬ ЗАЛИВКИ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ
При заливке керамических форм контролируют температуру
заливаемого металла и температуру керамической формы. Опти-
мальная температура заливки определяется эмпирически и изме-
289
1
няётся в зависимости от типа сплава или конфигурации отливки.
Постояноне внимание уделяют необходимой температуре керами-
ческих форм при заливке. Следует контролировать время транс-
портировки раскаленной формы из печи до места заливки; оно
должно быть минимальным.
Кроме температуры формы и температуры заливки металла
следует контролировать полную заливку металлом прибылей
форм, а также засыпку залитых прибылей теплоизоляционной мас-
сой по окончании заливки. Это необходимо для того, чтобы при-
быль обеспечивала хорошее питание отливки. Контролер должен
замаркировать залитые керамические формы (поставить номер
плавки). По требованию заказчика проводят контроль механиче-
ских свойств металла на литых образцах.
12.6. КОНТРОЛЬ ОТЛИВОК
Контроль отливок включает визуальный контроль поверхно-
сти, контроль размеров, контроль внутреннего качества (разру-
шающими или неразрушающими методами), контроль свойств
отливок (разрушающими или неразрушающими методами).
Контрольные методы и пределы допускаемых дефектов отливок
определяют технические условия на приемку отливок, которые
должны быть очень тщательно разработаны еще при оформлении
заказа. Могут быть еще и некоторые специальные требования,
как, например, допускаемая степень обезуглероживания, герме-
тичность при газовом или гидравлическом давлении, состояние
структуры, величина зерна в литом состоянии и т. п.
Визуальный контроль применяют при контроле формы и со-
стояния поверхности отливок, а также при рассортировании отли-
вок по видам брака: отливки с недоливом, спаями, с зазорами,
пригаром, наростами, трещинами, ужиминами, обвалами, конце-
трированными усадочными раковинами и т. п. Все дефектные от-
ливки сортируют на исправимые и неисправимые.
Визуальный контроль предусматривает также контроль шеро-
ховатости поверхности отливок при помощи сравнения с литыми
эталонами, шероховатость поверхности которых замерена профи-
лометром или поверхностным анализатором. При некоторых спо-
собах шероховатость обозначают по стандарту, например, лите-
рой В или № 6. Обычными способами литья по выплавляемым мо-
делям можно достичь шероховатости поверхности 3,2—12,57?а.
Если условия приемки не предусматривают чистоту поверхности,
то местная шероховатость может быть и выше, но не должна пре-
вышать 10% величины шероховатости контролируемой поверхно-
сти. Шероховатость поверхности, заданная условиями приемки,
обозначается на чертеже.
Поверхностные дефекты обычно просматриваются через лупу.
Если этого недостаточно, то можно обнаружить мелкие трещинки
известными способами: пропитыванием маслом, подкрашенными
или флюоресцирующими жидкостями, электромагнитным способом
290
или ультразвуком. Все эти испытания может проводить опытный
-контролер, который способен оценить и обсудить результаты ис-
пытаний, а также установить, может ли испытанная точная от-
ливка выдержать эксплуатационные нагрузки.
Размеры контролируют по чертежам или соответствующим нор-
малям, например CSN 014470. Размеры точных отливок контро-
лируют так же, как и размеры отливок, полученных в песчано-
глинистых формах. При этом используют измерительные средства—
калибры, шаблоны, циркули, кронциркули или специальные кон-
трольные приспособления [42]. Это зависит также от договора
между заказчиком и изготовителем точных отливок, где должны
быть указаны средства контроля размеров.
Контроль внутреннего качества отливок предусматривает об-
наружение внутренних усадочных раковин, рыхлот, газовых рако-
вин и т. п. Такой контроль проводят в тех случаях, когда этого
требуют условия приемки. Пределы внутреннего контроля отли-
вок должны быть точно указаны и описаны в условиях приемки.
При этом необходимо также согласовать пределы и способы испра-
вления дефектов; способ контроля исправленных отливок также
должен быть оговорен. Внутреннее качество отливок чаще всего
контролируют неразрушающими методами контроля, такими, как
рентгено-, гамма-дефектоскопия или ультразвук.
В условиях приемки должно быть указано, например, как
производить рентгеновское просвечивание отливки (или ее части),
или сколько отливок из одной партии должно быть подвергнуто
рентгеновским исследованиям. При этом следует учитывать, что
контроль при помощи рентгеноскопических методов является бо-
лее быстрым и более дешевым, чем изготовление рентгенограмм.
Разрушающими методами контроля проверяют обычно пори-
стость, структуру материала и поверхностное обезуглероживание
на металлографических шлифах. Механические испытания мате-
риала отливки и химический анализ относят к разрушающим ис-
пытаниям.
Механические свойства точных отливок контролируют в тех
случаях, когда этого требует заказчик. Вообще контролируют
предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и
сужение, твердость; иногда также определяют ударную вязкость.
У всех литых металлических материалов механические свойства
изменяются с увеличением расстояния от поверхности [43].
Было экспериментально проверено влияние толщины стенки
отливки на механические свойства отливок [44]. Установлено,
что эти свойства зависят от условий охлаждения при затвердева-
нии металла, а следовательно, и от толщины стенки. Это относится
также и к сужению, и к ударной вязкости [45, 46].
Обычно пробы для изготовления испытываемых образцов изго-
товляют в виде клиньев; при этом установлено, что сопоставимость
значений механических свойств в этом случае наиболее велика;
291
Клиновые пробы для образцов относительно массивны, для них
необходимо много металла, а изготовление из них образцов для
испытания на металлообрабатывающих станках трудоемко. По-
этому на практике в некотрых странах стандартизована методика
получения литых образцов. Такие образцы используют для кон-
троля качества литых материалов, их химических свойств или для
проверки режима термообработки.
Механические свойства, определенные при испытаниях ли-
тых образцов, не всегда отражают свойства металла точных от-
ливок. Это зависит от температурных условий охлаждения образ-
цов, от их плотности и т. д. Чтобы можно было максимально при-
близить величины механических свойств к величинам, характери-
зующим материал отливок, следовало бы отливать опытные образцы
одновременно с точной отливкой и охлаждать их при постоянных
условиях [47, 48]. Так как это практически неосуществимо, то
контролируют свойства материала отливок в исключительных
случаях, когда опытные образцы вырезают непосредственно из
определенной части отливки. Если такие испытания требуются,
то в условиях приемки это должно быть оговорено и указано,
каких значений должны достигать эти величины. Эти величины
могут отличаться от данных стандарта (в зависимости от того,
из какого места отливки был вырезан испытываемый образец).
У отливок, которые термически обрабатываются, контроли-
руют глубину обезуглероженного слоя при помощи микроскопа.
Область полного обезуглероживания имеет чисто ферритную струк-
туру, ее замеряют от поверхности отливки до места, где начинается
перлит или другая структура. Глубину обезуглероживания изме-
ряют в миллиметрах; максимально она должна быть 0,3 мм. Если
не требуется высокой твердости на рабочих поверхностях отливки,
то обезуглероженный слой не удаляют механической обработкой.
Химический состав контролируют химическими и спектраль-
ными методами анализа. Отливки из плавок, химический состав
которых не соответствует составу по условиям приемки, не пере-
дают на дальнейшую обработку.
На основе определения качества все отливки разделяют:
а) на удовлетворительные, т. е. такие, которые удовлетворяют
всем пунктам чертежа и условиям приемки или стандарта;
б) на исправимые, т. е. такие, на которых можно устранить
дефект и которые включаются в дальнейший цикл обработки как
годные отливки. Это относится прежде всего к отливкам с поверх-
ностными дефектами, которые проявляются в виде выступающих
наплывов металла над поверхностью отливки (обвалы, пригар,
наросты и т. п.) и которые относительно просто удалить. Дефекты
в виде поверхностных раковин, пор, засоров, горячих и холодных
трещин исправляют более сложно, например сваркой. Если подоб-
ные дефекты появляются в местах, подвергаемых механической
обработке, отливки не следует забраковывать (если это позволяют
условия приемки);
292
в) на негодные, т. е. отливки, имеющие такой вид и размеры
поверхностных дефектов, которые нельзя устранить, и не удов-
летворяющие по своим свойствам условиям, указанным на чертеже
или согласованным с заказчиком.
Необходимо отметить, что только хорошо организованный
входной контроль, полное фиксирование производственного про-
цесса точных отливок при помощи целенаправленного контроля
в отдельных производственных отделениях и специальный хорошо
оснащенный контроль готовых отливок гарантируют производству
получение качественных точных отливок, которые могут с успе-
хом и с экономическим эффектом заменить некоторые машино-
строительные детали, получаемые механической обработкой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. DoskaF J. a kolektiv. Presne liti do keramickych forem. Praha, SNTL 1961.
2. Marsel, Kramer, Sanders. Engineering Properties of pattern waxes. The Tool
Engineer, 1957, s. 95—98.
3. Booth J. H. W. Pattern waxes for investment casting. Foundry Trade Jour-
nal, 1962, s. 707—711.
4. Firemni literatura firem Hochst, BASF, Argiieso, Blayson.
5. Moore C. D., Bell M. Synthetic waxes in metalworking. Metalworking
Equipment News, 1963, s. 13—14.
6. Allendorf H. Prazisionsgiessverfahren mit Ausschmelzmodellen, Leipzig,
1956.
7. Cklennik J. I., Ozerov J. A. Litje po vyplavljajemym modeljam. Leningrad,
1961.
8. Sevcik F., Gabriel J. Zkouseni modelovych hmot pro presne liti Slevarenstvi
XX, 1972^ 12, s. 509—514.
9. Sevcik F., Gabriel J. Hodnoceni jakosti voskovVch modelu pro presne liti
plastometrem. Slevarenstvi, XX, 1972, 11, s. 473—476.
10. Lawrence W. Precision casting mold materials. Modern Casting, Vol. 38,
1960, 2, s. 10.
11. Shepherd J., Lewis N. T. Ethylsilicate and colloidal silica as bonding
agents ceramic shell molds, Foundry Trade Journal, 2. 11. 1961, s. 550—557.
12. Bidwell H. T. Investment casting. The Machinery Publishihg Co., London,
1961, s. J3—53.
13. Sevcik F., Gabriel J. Mefeni roztafcnosti a pevnosti skofepin z vybranych
Zarovzdornych materialu pro pfesne liti. Slevarenstvi, XX, 1972, 4, s. 155—158.
14. Salmang H., Scholze H. Die physikalishen und chemischen Grundlagen
der Keramik, Berlin, Springer Verlag 1968, s. 18.
15. Koch E. Freiberger Forshungshefte В 152, Giessereiwesen, 1970 (pfeklad
ve Slevarenstvi, XYIII, 1970, 10, s. 430).
16. Dittrich W., Krings W. Effect of temperature on permeability of ethylsi-
licate — bonded shell molds for investment casting. Preprint for discussion
at first world conference of investment casters. London, 9.—12. May 1966.
17. Zagart. Ermittlung der Grossenverteilung von Poren in feuerfesten Baus-
toffen. Archiv fiir das Eisenhiittenwesen, 26, 1955, s. 561—562 a 27, 1956, s. 657—
663.
18. Fischman J. Techniques and Binders for investment casting. Ceramic Age,
IX, 1967, s. 24—30.
19. Feagin R. C., Bebbingtons P. J. Mould and Crucible Refractories for the
Investment Casting Industry, Foundry Trade Journal, July, 2, 1964, s. 15—26.
20. Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie, 8. Aufl., Verlag Chemie,
Weinheim 1959, System Nummer 15, Teil B, s. 556.
293
21. Zwiker J. D. Sieve Analysis to Below Two microns using Micromash Sieves.
Amer. Ceram. Soc. Bull., 45, 1966, s. 716—719.
22. Zwiker J. D. Comparison of Particle Size Analysis Methods, Amer. Ceram.
Soc. Bull, 46, 1967, s. 303—306.
23. Cohen L. A Sedimentation Balance for Particle Size Analysis, Instument
Particle, 13, 1959, str. 1036—1041. Bachmann, D. — Gerstenberg H.: Korngrossen-
bestimungen am Kunstoffpulvern, Chemie—Ingenieur — Technik, 31, 1959,
s. 183—191.
24. Wagner L. A. Rapid Method for Determination of Specific Surface of Port-
land Cement, ASTM, Proc., 33, Part 11, 1933, s. 553—570.
25. Rose H. E. The Design and Use of Photoextinction Sedimentometers.
Engineering, 169, 1950, s. 350—351 a 405—408.
26. Rose H. E. Eine Stidie uber das Problem der Korngrossenmessung. Che-
mie — Ingenieur — Technik, 91, 1959, s. 57—86.
27. Clifford C., McMahon. Particle Size Analysis by the Method of Musgrave
a Harner, Journal, of the American Ceramic Society, Ceramic Bulletin, Vol. 49,
1970, № 9, s. 794—796.
28. Berg R. H. Electronic Size Analysis of Subsieve Particles by Flowing
Through a Small Liquid Resistor, A. S. T. M. Special Technical Pub., No 234,
1958.
29. Bell J., Dinet A. Le Compter — Coulter, fetude Pratique de Son Utili-
sation, BVH. Soc. Franc. Ceram. 69, 1965. *
30. Batel W. Einfiihrung in Korngrossenmesstechnik, 2—Afl. Berlin —
Gottingen, Springer 1964.
31. Gallit C. F. Practicle Size Measurement, Interpretation and Application.
New York, J. Wiley a Sons 1963.
32. Lea F. M., Nurse R. W. Rpecific Surface of Fine Powders. S. Soc. Chem.
Ind., London, 58, 1939, s. 277—283.
33. Brunauer St., Emet P. H., Teller E. Absorption of gases in multimo-
lecular layers, J. Amer. Chem. Soc. 60, 1938, s. 309—319.
34. Test Methods^developed by Georg Fisher Limitedjand Haary Dietert Com-
pany.
35. Jaiicar R. Slevarenstvi, XV, 20, 1967, s. 403—406.
36. Hoffmann H. Priifmethoden und Gerate zur Qualitatskontrolle bei Modell —
und Formstoffmaterialen fiir das Keramikformverfahren, Giesseiretechnik, VIII,
1962, 12, s. 311—316.
37. Doelman J. Standardisation of methods of determining permeability and
strength of ceramic shells. Preprint for discussion at first world conference of in-
vestment casters, London, May 1966.
38. Anonym. Permeability test for ceramic shell molds. Foundry Trade Jour-
nal, 2. 4. 1964, s. 427—434.
39. Doelman J. Giesserei, XX, 1965, s. 626.
40. Leadbetter M., Lindop T. W. Significance of thermal expansion in Invest-
ment casting. Foundry Trade Journal, 2. 12. 1965, s. 761—766.
41. Baudran A. Bulletin de la Societe Fran^aise de Ceramique, 27, 195, s. 13.
42. How to design and buy investment casting. Investment Casting Institute.
Edited by R. H. Hermann, Chicago, 1960.
43. Engler S. Giessereitechnik. Jahresiibersicht (VDI — Z107), 1965, 24,
s. 1183—1185.
44. Eiserman F. Einfluss von Wanddicke und Reinheit des Einsatzes auf die
mechanischen Eigenschaften von Stahlguss, Giesserei, 51, 1964, s. 1—4.
45. Patterson W. Wanddickeneinfluss als Forschungsproblem, Giesserei, 51,
1969, s. 133—141.
46. Rosenthal H. Solidification of investment castings. Referat na konferenci
evropsk^ch slevaren pfesnych odlitku, Stockholm, 1963.
47. Taylor L. S. British Investment Casting. Specification A. M., A. С. T.,
Birmingham, Chairman В. I. С. T. A., Metalurgy Comitee.
48. Beer O. W. Modern Investment Casting. Foundry Trade Journal, 114, 1963,
2430, s. 1526.
294
6ГЛАВЛЁНИЁ
Глава 1. Точное литье..............................*................ 5
1.1. Развитие точного литья .................................... 5
1.2. Определение точного литья.................................. 7
1.3. Экономика литья по выплавляемым моделям ................... 8
Список литературы............................................ 13
Глава 2. Технологичность отливок................................... 14
2.1. Проектирование отливок............................-. . . 15
2.2. Толщина стенок и их сопряжения ........................... 17
2.3; Конструкция отливки ...................................... 18
2.4. Размеры и масса отливок. Качество поверхности ............ 22
Список литературы ......................................... 23
Глава 3.. Пресс-формы. Модельные материалы. Изготовление моделей 25
3.1. Пресс-формы............................................... 25
3.2. Модельные составы......................................... 38
3.3. Изготовление выплавляемых моделей ........................ 40
3.4. Регенерация модельных составов ........................... 45
3.5. Сборка моделей............ ............................. 46
i Список литературы . . ....................................... 58
Глава 4. Изготовление карамических форм при литье по выплавляемым
моделям............................................................ 60
4.1. Формовочные смеси....................................... 60
4.2. Изготовление литейных форм................................ 77
Список литературы............................................. 95
Глава 5. Изготовление керамических стержней........................ 99
5.1. Материалы для изготовления • керамических стержней .... 103
5.2. Изготовление керамических стержней ................. 104
5.3. Применение вставляемых керамических стержней............... 107
Список литературы............................................. 107
Глава 6. Литье в керамические формы по постоянной модели ..... 109
6.1. Изготовление керамических форм............................ НО
6.2. Получение точных отливок из алюминиевых, магниевых и мед-
ных сплавов по постоянной модели.............................. 114
Список литературы........................................... 118
Глава 7. Сплавы и их термообработка.............................. 120
7.1. Сплавы для отливок, получаемых литьем по выплавляемым
моделям........................................................ 120
7.2. Рекомендуемые стали для изготовления отливок по выплавля-
емым моделям................................................... 128
7.3. Термообработка точных отливок .......................... 178
Список литературы........................................... 192
Глава 8. ПлаЬка и заливка......................................... 194
8.1. Плавильные печи.......................................... 194
8.2. Шихтовка и плавка........................................ 199
Список литературы.......................................... 206
Глава 9. Обработка отливок *...................................... 207
9.1. Удаление отливок из форм................................. 207
9.2. Отделение отливок от литниковой системы.................. 208
9.3. Очистка отливок.......................................... 208
Список литературы........................................... 216
Глава 10. Дефекты точных отливок.................................. 217
Список литературы ...................................... . 237
295
Глава 11. Оборудование цехов литья по выплавляемым моделям . . . 238
11.1. Машины для изготовления выплавляемых моделей.......... 238
11.2. Оборудование для удаления моделей из керамических форм . . 242
11.3. Устройства для регенерации модельного состава........... 246
11.4. Механизация операций по нанесению слоев суспензии . .. . 247
11.5. Пескосып с кипящим слоем................................ 251
11.6. Формовка керамических форм в кипящем слое............... 251
11.7. Печи для прокаливания форм ............................. 252
11.8. Охладительный туннель .................................. 253
11.9. Межоперационный транспорт .............................. 255
11.10. Устройства для приготовления связующего............... 255
11.11. Складирование пылевидного кварца и других пылевидных
огнеупорных материалов......................................... 257
11.12. Устройства для сушки и складирования песка ............ 257
11.13. Оборудование для приготовления суспензии ...... 257
Список литературы........................................... 258
Глава 12. Контроль исходных материалов и технологического процесса 259
12.1 .Входной контроль........................................ 259
12.2. Межоперационный контроль................................ 281
12.3. Контроль удаления модельной массы из керамических форм
и прокаливания форм............................................ 287
12.4. Контроль плавки ............................... 288
12.5. Контроль заливки керемических форм...................... 289
12.6. Контроль отливок........................................ 290
Список литературы ........................................... 293
Поправка
В выпускных данных
читанной цены книги 1
указана цена книги 1 р.
на стр. 296 вместо напе-
Р- 70 к. должна быть
80 к. как на переплете.
ИБ № 2068
ПРОИЗВОДСТВО точных отливок
Редактор Н. С. Степанченко
Технические редакторы А. Ф. Уварова и А. И. Захарова
Корректор А. М. Усачева
Переплет художника А. Я. Михайлова
Сдано в набор 20.09.78. Подписано в печать 18.01.79. Формат бОхЭО1/^ Бумага
типографская № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 18,5.
Уч.-изд. л. 20,3. Тираж 6000 экз. Заказ 1120. Цена 1 р. 70-к.
Издательство «Машиностроение» 107885, Москва, ГСП-6, 1-й Басманный пер., 3
Ленинградская типография № 6 Ленинградского производственного объединения
«Техническая книга» Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам
издательств, полиграфии и книжной торговли.
193144, г. Ленинград, С-144, ул. Моисеенко, 10.