Рабочие свойства формовочных масс

Прочность на сжатие при различных температурах. Результаты проведенных исследований прочности па сжатие отечественных формовочных масс и импортной формовочной смеси «К-90» при нагреве, последующем прокаливании и охлаждении представлены графическими зависимостями на рис. 35.

Анализ этих кривых позволяет сделать следующие выводы:

1. Исходная прочность на сжатие у импортной формовочной массы К-90 (кривая 1) выше, чем у всех отечественных. При прокаливании прочность на сжатие массы К-90 уменьшается вплоть до температур 550 — 600°С, а затем возрастает до 8 кгс/см2 при 1000°С. При охлаждении литейиой формы, изготовленной из массы «К-90», до температуры заливки (около 550°С), ее прочность на сжатие резко понижается (до 3,2 — 3,5 кгс/см2).

 

2. Прочность на сжатие отечественной формовочной массы ДГА (кривая 2) при температуре нагрева 500°С уже выше, чем у смеси К-90. При всех более высоких температурах эта закономерность сохраняется. Следует особо отметить, что при охлаждении литейных форм, изготовленных из этой формовочной массы, прочность на сжатие значительно выше, чем у импортной массы К-90 и составляет около 8,0 кгс/см2 при температурах 800 — 600°С.

3. Уменьшение содержания гипса в отечественных формовочных массах до 7,5% и 2,5% (кривые 3 и 4 соответственно) приводит к снижению их прочности на сжатие при нагреве вплоть до температур 500 — 600°С, однако при охлаждении литейных форм до температуры заливки прочность их резко возрастает до 7,5 кгс/см2 при 600° С (кривая 3) и до 10,0 кгс/см2 при 700°С (кривая 4). Эти показатели значительно превосходят прочность на сжатие импортной формовочной массы К-90.

Таким образом, удалось, используя динас, добавки азотной кислоты и высокопрочного гипса марки 350, получить формовочную массу с прочностными рабочими свойствами, превосходящими импортную формовочную массу К-90, хотя последняя содержит отсутствующий в СССР высокопрочный гипс марок 800 и 1000.

Наличие высокой прочности на сжатие у отечественной формовочной массы с содержанием гипса 2,5% при температуре 1000°С и последующем охлаждении весьма интересно с точки зрения ее использования как единого наполнителя литейной формы при литье цветных и черных металлов и сплавов, имеющих температуру плавления выше, чем у золота и серебра. Высокое содержание огнеупорного динаса и весьма малое содержание гипса позволяет осуществлять литье некоторых специальных сталей в кремнеземисто-гипсовые формы, что считалось (невозможным из-за термического разложения гипса и пригарообразования.

Газопроницаемость. Результаты измерений газопроницаемости крсмнеземисто-гипсовых формовочных масс графически представлены на рис.36. При изучении кривых можно сделать следующие выводы.

1. Газопроницаемость импортных и отечественных формовочных масс существенно зависит от водомассового отношения (В/М).

2. С уменьшением содержания гипса в смесях увеличивается их газопроницаемость. В этом отношении обращает на себя внимание газопроницаемость отечественной формовочной массы с 10% гипса и KHNO3 = 75 мл/л, а также массы с 3% гипса и добавками HNO3 и H2C2O4.

3. Отечественные формовочные массы при оптимальных водомассовых отношениях имеют более высокую газопроницаемость, чем импортные, и, следовательно, с большим успехом могут использоваться при литье методом вакуумного всасывания, где это свойство является главным.

Тепловое расширение. На рис.37—41 приводятся графики линейного теплового расширения литейных форм из исследуемых кремнеземисто-гипсовых формовочных смесей. Во многих из них зависимости tпрσ настолько сложны, что в данной книге, в круг задач которой не входит детальное исследование физико-химических процессов, происходящих в указанных смесях, пока не представляется возможным полностью объяснить тот или иной ход кривой. Однако ряд общих вполне очевидных закономерностей можно и необходимо отметить. К ним относятся:

  1. Увеличение максимального значения теплового расширения от 0,66 до 1,92% (см. рис.41), с уменьшением содержания гипса в смеси от 30 до 3% за счет снижения доли усадки гипса и возрастания доли расширения тридимита и кристобалита в общем балансе его изменения.
  2. Сопоставление результатов химических анализов и ‘измерений показывает, что кривые зависимостей 6 от тем сложнее, чем больше примесей и технологических добавок содержат соответствующие кремнеземисто-гипсовые формовочные смеси.
  3. Кривая зависимости σ от tпр, полученной на образцах их смеси К-90 (см. рис.37), содержащих наименьшее количество примесей и технологических добавок, имеет два максимума a и с, соответственно при 240 и 620° С, и один минимум b — при 380°С. Максимум а соответствует началам превращения α и β-кристобалитов и усадки гипса, минимум при температуре 380°С соответствует окончанию обезвоживания гипса [27]. Этот процесс протекает в интервале температур 320—360° С и сжатие образца при этом заканчивается; вышесказанное означает, что в интервале 240—380°С, опасном в смысле образования трещин, формы из смеси К-90 должны нагреваться осторожно, с минимальной скоростью (70°С/ч). Участок bс соответствует дальнейшему расширению кристобалита без изменения

 

состояния гипса; максимум с означает начало разложения гипса, обусловленное каталитическим воздействием кремнезема и борной кислоты [30, 31]. Это разложение особенно сильно развивается в интервале температур 900—1000°С и сопровождается значительной усадкой образца с отрицательными значениями σ.

 

  1. Более сложный ход имеет кривая для образцов из смеси «Суперкаст» (см. рис. 38), в которой первая ступенька а’ при 80—130°С соответствует дегидратации двуводного а-гипса с переходом в полуводный a-гипс [27]. Максимум а при 280°С обусловлен началом перехода

 

 гипса а и а1 при начавшемся превращении крпстобалита b в a минимум; b при 480° С означает окончание перестройки молекулярной решетки a1-гипса; таким образом, наиболее опасными в смысле образования трещин в образцах из смеси «Суперкаст» являются интервалы 80 — 130° С и 280 — 480° С, в пределах которых нагрев форм должен производиться с малой скоростью. Максимум с при 640° С соответствует началу разложения гипса, обусловленному рядом причин, к главным из которых можно отнести каталитическое воздействие SiO2, замедлителя (буры) и примесей (FeO, А12О3) [29]; однако формы из смеси «Суперкаст», прокаленные при 1000° С, имеют значительно меньшую усадку, чем формы из смеси «К-90».

 

5. Еще более сложный ход имеет кривая расширения у образцов из смеси «Силаур 3б», применяемой в зубопротезировании (см. рис.39); максимум а и минимум b при температурах, соответственно 360 и 380°С отвечают началу и концу перестройки молекулярной кристаллической решетки ß и ß1-гипса. Их величины менее значительны по сравнению со смесями К-90 и «Суперкаст», по-видимому, за счет более поздней дегидратации сложных гипсосодержащих фаз. Максимум g при 730°С соответствует началу разложения гипса; связанная с ними усадка образца сопровождается двумя замедлениями h и i соответственно, при 810—870°С и 920—970°С, происходящими, очевидно, вначале процесса спекообразования.

6. К наиболее сложным относятся зависимости σ = f(t) у азотнокислых динасо-гипсовых форм [28, 29, 31]:

а) у образцов из смеси с 15% гипса (см. рис.40) характерна остановка теплового расширения образца при 280—340°С за счет перестройки ß в ß1 фазу гипса; максимум а при 410°С, минимум b при 480°С, а также остановки сd (540 — 580°С), ef (600 — 670° C), gf (720 — 770°С), повидимому обусловлены дегидратацией различных сложных фаз на основе динаса, азотной кислоты и гипса, образовавшихся при формовке; максимумы i (830°С), l (950° С) и минимум k (890°С), очевидно, обусловлены вышеупомянутыми процессами спекообразовaния;

б)    у образцов из смесей с 3% гипса (рис. 41) перегиб а” при 150—180°С на кривой расширения связан, очевидно, с промежутком между превращениями γ в ß и ß в α — тридимит [28], а остановка а’ — с перестройкой молекулярной кристаллической решетки гипса; остальные остановки, максимум и минимумы от а до i обусловлены, повидимому, процессами дегидратации, спекообразования и разложения гипса; причины, указанные выше (для смеси с 15% гипса), также обусловливают отсутствие усадки образцов из данной смеси при 900 — 1000°С).

7. У динасо-гипсовых азотнокислых смесей с содержанием от 15 до 3% гипса (особенно для последней) характерно отсутствие резких скачков при нагреве (по сравнению со смесями К-90 и «Суперкаст»), что связано с преобладающей тенденцией данных смесей к равномерному расширению, обусловленной большей весовой долей содержания суммы тридимита и кристобалита и незначительной долей — гипса. Опасными температурными интервалами нагрева, в смысле появления трещин, в динасо-гипсовых азотнокислых формах являются: а) для смеси с 15% гипса — от комнатной температуры до 480°С; б) для смеси с 3% гипса — от комнатной температуры до 350°С.

Из сравнения зависимостей σ от tпр, приведенных на рис. 37— 41, можно сделать вывод, что для предотвращения значительной усадки отливок необходимо в каждом конкретном случае учитывать линейное термическое расширение кремнеземистогипсовой литейной формы данного состава.

Процесс приготовления динасового порошка и изготовления форм. Для практического использования отечественных формовочных масс при литье сплавов золота и серебра необходимо получить порошок динаса с крупностью частиц не более 70 мкм. Технологическая схема этого процесса дана на рис. 42. Порошок динаса до операции

 

Рис. 42. Технологическая схема приготовления динасового порошка

смешивания с высокопрочным гипсом проходит обработку рабочим раствором, содержащим 50 — 75 мл азотной кислоты и 0 — 1,5 г щавелевой кислоты на 1 л дистиллированной воды (рис. 43). Данная суспензия вакуумируется в течение 4 мин. Обработка динаса азотной кислотой, а в ряде случаев и щавелевой, приводит к разложению стекловидной составляющей его, окислению двухвалентного железа до трехвалентного, образованию растворимых нитратов и нитритов кальция, алюминия, железа и других элементов, что способствует снижению вязкости суспензий формовочных масс и их высокой устойчивости к образованию трещин.

При работе с различными сортами и технологическими разновидностями динаса в 1971—73 гг. было установлено, что оптимальная концентрация азотной кислоты в рабочем растворе зависит от рН водно-динасовой суспензии (при водомассовом отношении, равном 0,4 л/кг). Характер этой зависимости показан на рис. 44.

 

Рис. 43. Технологическая схема изготовления отечественных литенных форм

Увеличение добавок азотной кислоты выше оптимальной концентрации, приводит к уменьшению периода текучести, т.е. ускорению схватывания формовочной массы, а уменьшение — к трещинообразованию.

Применение добавок щавелевой кислоты, для удлинения периода текучести, эффективно только при рНд<8,5 и при отсутствии в динасе хромомагнезитовых добавок.

После обработки порошка динаса рабочим раствором и вакуумирования он смешивается с расчетным количеством высокопрочного гипса марки 350. На практике использовался гипс вышеуказанных марок производства Куйбышевского и Пешеланьского гипсовых комбинатов. Для получения хороших отливок весьма важно строго соблюдать оптимальные соотношения между водородным показателем воднодинасовой суспензии (рНд), концентрацией азотной кислоты в рабочем растворе (kHNO3) и водомассовым отношением формовочной смеси (В/Мо). Эта зависимость графически показана на рис.45.

 

После двукратного вакуумнрования и затвердевания форм производят выплавление воска и прокаливание.

Режим нагрева форм установлен следующий:

 

Температура нагрева, °С                 Время нагрева, ч

от 20 до 120                                      1 — 1,5

120    180                                           1 — 1,5

180    300                                           1 — 1,5

300    480                                           1 — 1,5

480    800                                           2,5 — 8

Регламентированные режимы охлаждения литейных форм приведены в табл. 20.

Таблица 20. Режимы охлаждения литейных форм

 

Марка сплава Температура охлаждения, °С Время охлаждения, ч
ЗлМНЦ 750-100 От 800 до 600 1-1,5
ЗлСрМ 750-150 От 800 до 600 1,5-2
ЗлСрМ583-80
ЗлСрПдМ375
СрМ875 От 800 до 400-450 2-2,5
СрМ916

Опытно-промышленные испытания отечественных формовочных масс на ряде предприятий Союзювелирпрома, а также использование их вместо импортных в производственных условиях на предприятиях показали возможность полной замены импортных формовочных масс отечественными динасо-гипсовыми при обязательном тщательном соблюдении технологии производства литейных форм.

Л.А. Гутов     Литье по выплавляемым моделям сплавов золота и серебра

Рабочие свойства формовочных масс
Пролистать наверх