нанесение закрепляющего слоя (методом распыления или методом окунания).

3.Теплофизические свойства материалов оболочки, в частности ко­ эффициенты термического расширения материалов оболочки (КДСП (кон­ центрат дистен-силлиманитовыи порошкообразный) + электрокорунд; электрокорунд + электрокорунд; добавки кварца).

4.Вид связующих растворов (ГЭТС или кремнезоли), в частности содержание двуокиси кремния в связующем.

5.Режим вытапливания модельного состава из оболочки (горячая во­ да; пар; бойлерклав; пропитка форм перед вытапливанием водой).

6.Режим сушки и прокалки оболочек.

7.Климатические условия формирования оболочки:

мольное соотношение — « jp -

с2н5о,

-температура суспензии и воздуха в помещении сушки оболочки;

-относительная влажность воздуха в помещении сушки оболочки;

-температура и влажность паров аммиака для катализа ГЭТС;

-наличие воздушных потоков в помещении сушки оболочки (осо­ бенно для лицевых слоев оболочки);

-вид сушки - воздушно-аммиачная, вакуумно-аммиачная либо их комбинация;

-наличие непросушенных участков на оболочке в результате скоп­ ления зерен обсыпки и затрудненного доступа паров аммиака и водяных паров к поверхности очередного слоя.

8. Химический состав материала оболочки, в частности влияние вред­

ных примесей в основе (РегОз; Si02i ИагО).

4.1.3. Термическая стойкость

На термическую стойкость оболочки существенно влияют:

-коэффициент термического расширения;

-модуль упругости конструкции оболочки;

-перепад температур в оболочке.

При прокаливании оболочки ее наружные слои нагреваются до более высоких температур и расширяются, чему препятствуют внутренние более холодные слои (рис. 4.3). В последних возникают растягивающие напря­ жения, которые при быстром нагреве оболочки могут превысить ее предел прочности и вызвать образование в ней трещин. Через некоторое время после окончания заливки контактная поверхность оболочки нагревается до температуры, близкой к средней температуре затвердевания сплава. Тем­ пература же наружных слоев некоторое время остается первоначальной.

Вследствие этого в контактном слое возникают сжимающие напряжения, а в наружных - растягивающие.

II

5-6

Рис. 4.3. Схемы температурных полей в оболочках: I - прокаливание, II - заливка стали; 1 - оболочка; 2 и 2 ' - нагрев соответственно от печи и от металла; 3,4 - распределение температуры в начале и в конце прокалива­ ния; 5,6 - распределение температуры перед заливкой и после затвердева­ ния отливки

В результате термического расширения контактного слоя возможны три явления, приводящие к дефектам отливок:

-вспучивание облицовочного слоя, под который проникает металл;

-выкрашивание поверхностных зерен по линиям наибольших напря­ жений с образованием засоров в отливках и протяженных бороздок на их поверхностях;

- образование трещин в контактном слое, которые могут стать сквоз­ ными с уходом металла из формы.

Значительная потеря прочности может привести к образованию тре­ щин и искажению геометрии отливки (раздутие формы), а также к полно­ му ее разрушению.

При изготовлении отливок, внутренняя полость которых оформляется керамическими стержнями, актуальной проблемой становится различие коэффициентов термического расширения (КТР) материалов оболочки и керамических стержней. В отличие от КТР стержней на величину КТР оболочки существенно влияет связующее - находящаяся в коллоидальном состоянии двуокись кремния (SiC>2), которой в форме до 25 %. Она обу­ словливает изменение КТР и снижение термической стойкости форм. Дан­ ное обстоятельство отрицательно сказывается на качестве лопаток ГТД, т.к. разные КТР стержней и форм приводят к короблению стержней и не­ оформлению стенок лопатки. Чтобы избежать этого, проводят специаль­ ные технологические мероприятия: раззазоривание знаковых частей стержня, использование жеребеек, подбор материалов с известными значе­ ниями КТР.

4.1.4. Газопроницаемость и газотворность

Литейную оболочковую форму можно представить как пористое ог­ неупорное тело. Поры формируются при изготовлении оболочки в основ­ ном за счет трех факторов:

-неплотной упаковки зерен при использовании пескосыпов типа «ки­ пящий слой»;

-применения крупных фракций обсыпочных песков;

-усадки пленок связующего послойно в процессе воздушной и амми­ ачной сушки.

От газопроницаемости во многом зависит степень удаления газотвор-

ных составляющих из оболочки.

Готовая литейная оболочка со стороны лицевого слоя пропитана ос­ татками модельного состава и содержит этоксильные группы (С2Н5О) свя­ зующего из этилсиликата.

Все газотворные составляющие из состава оболочки должны быть удалены. Обычный способ удаления - прокалка оболочек при температуре 950+5° °С в течение не менее 4 часов.

4.1.5. Химическая стойкость и инертность

При заливке металла с момента его соприкосновения с лицевым слоем горячей оболочки и еще некоторое время в процессе его кристаллизации

происходит взаимодействие расплава с кислородом воздуха, в результате на его поверхности образуется окисная пленка. После заливки продолжа­ ется окисление сплава и взаимодействие его с окислами оболочки. Появ­ ляющиеся при этом легкоплавкие эвтектики заполняют капилляры оболоч­ ки и, пропитывая ее, образуют контактную зону, обычно называемую при­ гаром: механическим или химическим.

Устранение пригара - процедура сложная и трудоемкая, поэтому, что­ бы его исключить, для оболочек обычно подбирают огнеупорные материа­ лы с хорошими физико-химическими свойствами. Тщательный подбор ог­ неупорных материалов, представляющих собой либо чистые окислы, либо соединения окислов, позволяет избежать плавления металлов и восстанов­ ления вредных металлов из окислов за счет присутствия в сплаве сильней­ шего восстановителя - углерода.

Для исключения механического пригара необходимо формировать плотный глянцевый лицевой слой оболочки и снижать температуру зали­ ваемого металла (за счет увеличения скорости слива металла в форму). Снижение содержания углерода в сплаве (в пределах требований ТУ на сплав), являющегося сильным восстановителем металлов из окислов тигля и оболочки, также способствует уменьшению механического пригара на отливках.

Степень химической инертности материалов оболочки, а также нали­ чие вредных (легкоплавких) примесей в материале основы определяют термостойкость и химическую стойкость оболочки и, как следствие, вели­ чину пригара на отливках.

4.2. Материалы для оболочковых форм, их характеристика и подготовка

Формовочные материалы включают в себя:

-материал основы (пылевидный);

-зерна для обсыпки слоев суспензии на блоках моделей;

-связующее.

4.2.1. Основа оболочковых форм

Материал основы состоит из окислов или их соединений (табл. 4.1). Окислы. В литейном производстве применяются кварцы (Si02) кри­

сталлической и аморфной модификации.

Кристаллический кварц - природный материал, который добывают в карьерах в виде кварцевого песка;

Аморфный кварц - искусственный материал, получаемый плавлением кварцевых песков. Отличаются эти кварцы строением и коэффициентами

термического расширения. При нагреве и нормальном давлении кристал­ лический кварц претерпевает четыре полиморфных превращения с изме­ нением плотности от 2650 до 2200 кг/м (рис. 4.4). Наиболее существенно быстропротекающее превращение при нагреве до 573 С, в результате ко­ торого линейный размер увеличивается на 1,4 %. Превращение при 870 °С происходит крайне медленно и для практики литья значения не имеет. При заливке сплавов контактный слой оболочки нагревается до 1500 °С, что приводит к кристобалитизации кварца (третье превращение) с увеличени­ ем размеров зерен. Данный процесс позволяет снижать прочность оболоч­ ки в момент кристаллизации сплава и улучшать ее податливость при его усадке. Количество кристаллического кварца в основе оболочки определя­ ется по результатам технологических испытаний.

Рис. 4.4. Схема полиморфных превращений кристаллического кварца

Кварц аморфный - кварцевое стекло - представляет собой затвер­ девшую переохлажденную жидкость с неупорядоченным строением. По­ рошки кварцевого стекла обладают ничтожно низким коэффициентом тер­ мического расширения и высокой термостойкостью, однако в силу целого ряда-причин кварцевое стекло не нашло широкого применения для изго­ товления огнеупорных оболочек.

Электрокорунд (а-А^Оз) - искусственный материал, получаемый восстановительной плавкой бокситов в дуговых печах. Электрокорунд хи­ мически стоек, не подвержен полиморфным превращениям, обладает плавным расширением. Оболочки на его основе имеют достаточную тер­ мическую стойкость, что позволяет использовать их в горячем виде без опорного наполнителя. Однако взаимодействие имеющихся в электроко­ рунде небольших количеств алюмината натрия (в виде относительно мяг­ ких включений) со связующим ЭЮг из ГЭТС при прокаливании оболочек или заливке их сплавом может привести к образованию на поверхности зе­

рен основы легкоплавких соединений типа Na20 А120 3 4Si02 (жадеит) с температурой плавления 1060 °С или Na20 А120 3 6Si0 2 (альбит) с тем­ пературой плавления 1100 С. Это приведет к размягчению оболочек при температуре 1060 °С и резкому падению их прочности при температуре 1200°С.

В литейном производстве по выплавляемым моделям (ЛВМ) электро­ корунд, содержащий минимальное количество вредных примесей (Si02, Na20 , Fe20 3), нашел самое широкое применение из всех известных оки­ слов. Он используется и в качестве основы (порошкообразный), и качестве обсыпки (в виде зерен) слоев суспензии на блоках моделей. Нельзя исполь­ зовать глинозем (у-А120 3) для изготовления оболочковых форм и стержней при ЛВМ, т.к. из-за его активного химического взаимодействия с окислами сплавов образуется пригар. Кроме того, при прокаливании и заливке форм происходит необратимое полиморфное превращение у-А120 3 -» а-А120 3с

уменьшением объема зерен, т.к. плотность у-А120 3 = 3700 кг/м3, а плот­ ность а-А120 3= 3900 кг/м3

Соединения окислов. Наиболее широко применяются алюмосилика­ ты: муллит, высокоглиноземистый шамот и дистен-силлиманит.

Муллит (3Al20 3-2Si02) обладает небольшим коэффициентом терми­ ческого расширения, устойчив при высоких температурах. Запасы природ­ ного муллита ограничены, а его синтез при плавке глинозема и очищенно­ го кристаллического кварца крайне трудоемок. Поэтому муллит не нашел широкого применения.

Силлиманитовая группа алюмосиликатных соединений окислов включает в себя: силлиманит, андалузит, дистен-силлиманит (кианит). Они имеют одинаковую формулу (Al20 3-2Si02), но различаются полиморфным состоянием. Методом обогащения силлиманитовых пород получают кон­ центрат, который после прокалки при 900-1000 °С поставляют потребите­ лю. Наибольшее применение при изготовлении отливок методом ЛВМ на­ шел концентрат дистен-силлиманита пылевидный (КДСП), который ис­ пользуют как наполнитель огнеупорной суспензии. КДСП содержит в сво­ ем составе: А120 3 > 57 %, Fe20 3 < 0,8 %, СаО < 0,2 %, MgO < < 0,4 %, ТЮ2< 1,5 %, остальное Si02. При 1300-1350 °С в дистен-силлиманите проходит реакция образования муллита с выделением Si02и увеличением объема зерен до 15%.

Данный факт объемного изменения КДСП в сочетании с имеющейся разницей в КТР дистен-силлиманита и электрокорунда (см. рис. 3.1) широ­ ко используется литейщиками для снижения прочности огнеупорной обо­