Плавленого кварца

В настоящее время большинство металлургических производств машиностроительного комплекса при изготовлении керамических оболочковых форм при литье по выплавляемым моделям в качестве связующего в основном используют этилсиликат (ЭТС).

Недостатки этого связующего: нестабильность состава и структуры, сложность проведения гидролиза и большая зависимость качества керамики и отливок от этих факторов. Кроме этого, при достаточной прочности керамических оболочковых форм на ЭТС – связующем и огнеупорном наполнителе, не обеспечивается их термостойкость вследствие ЭТС – структуры к образованию и развитию трещин оболочки при её сушке, выплавлению модели, прокаливанию форм.

Особо следует отметить высокую стоимость этого материала, его токсичность, взрыво- и пожароопасность.

Широкие применение ЛВМ и всё возрастающие требования к качеству заготовок ставят новые задачи: необходимость упрощения и стабилизации технологического процесса, а также его удешевления при повышении надёжности керамических оболочковых форм.

Отмеченные недостатки ЭТС в JIBM в достаточной мере могут быть исключены при использовании готового термостойкого связующего «Сиалит–20», изготовленного на основе кремнезоля «Сиалит–30–50».

Применение «Сиалит–20» в качестве термостойкого связующего основано на его низкой стоимости, отсутствии недостатков, присущих ЭТС, а также возможности его внедрения без изменения существующей технологии нанесения слоёв на модельную массу.

При использовании «Сиалит–20» увеличивается срок годности суспензии и повышается качество заготовок вследствие стабилизации геометрических размеров, снижения шероховатости поверхности керамических форм за счёт подавления реакций на границе металл – форма; также сокращается расход энергии на её приготовление и, как следствие, получение качественных отливок с минимальными затратами.

Чистота поверхности керамических форм на один класс выше по сравнению с моделью. Полученные на основе

«Сиалит–20» керамические оболочковые формы дешевле, легче при обработке, в них отсутствуют дефекты расширения при прокаливании.

Большим достижением в изготовлении оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям явилось применение плавленого кварца, т.е. огнеупорного материала, имеющего минимальный коэффициент линейного расширения при высоких температурах.

Это свойство плавленого кварца обеспечило возможность заменить такие дорогостоящие огнеупорные материалы, как корунд и маршаллит. Кроме того, плавленый кварц обеспечивает термоустойчивость без образования трещин керамических оболочек, что позволяет изготовлять не только мелкие и средние отливки, но и крупногабаритные отливки (массой более 700 кг), так как наиболее часто этим методом ЛВМ получают отливки с толщиной стенок 2 – 5 мм, размером до 250 мм и массой до 2,0 кг. Особенности метода таковы, что при изготовлении толстостенных отливок (более 6 мм) в них может образовываться усадочная пористость, а стенки площадью более 100 100 мм² могут иметь значительные колебания по толщине вследствие деформации формы. С увеличением массы отливок форма может разрушаться или деформироваться при заполнении её жидким металлом и в процессе затвердевания. Для устранения вышеуказанных дефектов изготовители выбирают подходящие варианты процесса, применяют специальные технологические приемы. Тем не менее возможности ЛВМ в производстве отливок больших масс и размеров ограниченны. Основным сдерживающим фактором для производства крупногабаритных литых деталей является собственно тонкостенная оболочковая форма (ОФ).

Одно из направлений развития способа ЛВМ – серийное производство крупных заготовок массой до 400 кг, основанное на применении ОФ из плавленого кварца. Это обусловлено рядом достоинств, которыми обладает плавленый кварц как формовочный материал. Низкая плотность плавленого кварца по сравнению с другими огнеупорными окислами придаёт суспензии на его основе хорошую седиментационную устойчивость, а формам из плавленого кварца меньшую массу. После заливки ОФ сталью плавленый кварц как вещество аморфное кристаллизуется только в поверхностных слоях с уменьшением объёма, что позволяет оболочке легко отделяться от поверхности отливки. Плавленый кварц хорошо сочетается с наиболее универсальным и технологичным связующим – этилсиликатом, так как имеет одинаковый химический состав и структуру со связующим окислом, образующимся из этиленсиликатного связующего раствора. Эти уникальные свойства плавленого кварца в наибольшей степени подходят для литья крупных отливок.

Практически единственным предприятием, где было осуществлено крупномасштабное внедрение плавленого кварца для изготовления ОФ, является Воронежский механический завод.

Базой для отработки технологического процесса изготовления крупногабаритных деталей стало создание собственного участка по производству плавленого кварца.

В результате комплекса проведённых работ был разработан технологический процесс изготовления методом ЛВМ крупных отливок массой до 100 кг. Для получения качественной поверхности отливок из высоколегированных сталей и сплавов применяли комбинированную ОФ на основе плавленого кварца, в которой первые два слоя состояли из электрокорунда. Высокая плотность корпусных отливок достигалась при специальных режимах заливки и охлаждения: перед заливкой в ОФ создавался перепад температур нижней её части и верхней в 150 – 200 °С, скорость охлаждения металлического расплава после заливки не менее 50 °С/мин, использовалась эффективная литниково-питающая система с утеплением её при формовке ОФ.

Дальнейшим шагом в развитии крупногабаритного литья ЛВМ на заводе связано с освоением производства фонтанной арматуры для добычи нефти и газа. Отдельные детали такого оборудования испытывают давление рабочих сред до 105 МПа, подвергаются воздействию температур от плюс 100 °С до минус 60 °С, а в добываемых средах могут содержаться в значительных количествах такие агрессивные компоненты, как сероводород и углекислый газ. К таким деталям относятся запорные и регулирующие устройства (ЗРУ) фонтанной арматуры, предназначенные для управления работой нефтяных и газовых скважин или служат для выполнения необходимых технологических операций. По отношению к ЛВМ заготовки ЗРУ являются очень крупными и массивными и по совокупности таких характеристик, как масса, габариты и толщина стенок их изготовление находится за пределами достигнутых технологических возможностей способа ЛВМ.

Поиск решений по изготовлению и отработке техпроцесса осуществлялся с учётом необходимости контроля поверхности деталей методами капиллярной дефектоскопии, объёмного контроля методами ультразвукового контроля и рентгенопросвечиванием, герметичности деталей в условиях длительной эксплуатации и обеспечения требований по механическим характеристикам, в том числе по ударной вязкости при отрицательных температурах. Характерной особенностью отливок ЗРУ является их значительная протяженность, наличие толстых стенок и фланцев. Отливки имеют по несколько тепловых узлов, требующих питания от прибылей, что предопределяет необходимость использования сложной ЛПС. Размеры модельного блока могут достигать габаритных размеров 900 800 700 мм. При использовании воскообразного состава (типа ВИАМ–102) с монолитной конструкцией блока его масса будет достигать величины 150 кг. Расчёты показали, что дли изготовления отливок ЗРУ по существующей технологии массой ~ 250 кг необходима ОФ с количеством огнеупорных слоёв 20 – 25, а для отливки в 500 кг – не менее 30 слоёв. Ясно, что получение ОФ с такими параметрами приведёт к резкому увеличению расходов формовочных материалов и длительности технологического цикла. Кроме того, увеличивается масса собственно ОФ, что создаёт трудности для выполнения технологических операций при её изготовлении.

Исследования технологических свойств ОФ из плавленого кварца при крупногабаритном литье отдельных корпусов ЗРУ позволили установить следующее. Увеличение количества огнеупорных слоев формы снижает её газопроницаемость, а при температурах выше 1200 °С плавленый кварц начинает деформироваться под нагрузкой, что может привести к искажению контура отливок. В то же время способность пластически деформироваться при высоких температурах и низкий коэффициент термического расширения объясняют высокую термостойкость ОФ из плавленого кварца. Было установлено, что опорный наполнитель в условиях крупногабаритного литья является сильным фактором стабилизации точности размеров отливок.

Проведенные исследования позволили за счёт оптимизации зернового состава плавленого кварца при обсыпке слоёв ОФ, рационального размера сыпучего опорного наполнителя, использования защитных лицевых слоёв покрытия и т.д. разработать техпроцесс изготовления ОФ с уменьшенным количеством слоёв покрытия до 13.

На этапе подготовки ОФ ЗРУ к заливке была разработана двухэтапная схема прокаливания оболочек. На первом этапе прокаливания ОФ без опорного наполнителя при температуре 960 +

+ 40 °С форма загружалась в прокалочную печь при температуре не выше 500 °С и нагревалась со скоростью 100 – 150 °С /ч., после прокаливания охлаждалась вместе с печью до температуры ниже 500 °С и затем извлекалась из печи. На втором этапе ОФ уплотнялась в металлической опоке огнеупорным наполнителем, загружалась в прокалочную печь и нагревалась до температуры 550 + 50 °С. Затем форму извлекали из печи и устанавливали на устройство принудительного охлаждения сжатым воздухом, где в ОФ перед заливкой создавался градиент температур 100 – 150 °С между нижней её частью и верхней. Разработанная схема подготовки крупногабаритных форм отливок ЗРУ к заливке, позволила в 1,5 раза сократить общую длительность технологического цикла прокаливания и дала почти 2-кратную экономию электроэнергии по сравнению страдиционной. Возможность заливки сталью ОФ, охлажденной до температур 350 – 450 °С на толстостенных отливках ЗРУ с требуемым качеством по чистоте поверхности была подтверждена экспериментально.

Разработанная технология получения точных отливок в формах из плавленого кварца с использованием ряда новых технологических решений на промежуточных этапах технологии позволила начать на ВМЗ серийное изготовление стальных корпусов массой от 100кг и до 500 кг.

В настоящее время в России централизовано налажен выпуск плавленого кварца высокого качества для литейного

производства под торговой маркой «Экосилмелур» по

ТУ 5931–002–13803232–03 (г. Санкт–Петербург).

Дата добавления: 2015-08-13