Технология за изработване на еднократни модели

Обикновено за производството на модели се използват смеси, състоящи се от два и повече компоненти, наречени моделни смеси. Кьм тях се предявяват следните изисквания:

1. Да са безвредни за здравето на работниците, а компонентите им - евтини и недефицитни.

2. Да имат ниско пепелно съдържание.

3. Свиването при втвърдяване в пресформата и охлаждането до стайна температура, както и температурното разширение при нагряване да са възможно най-малки и постоянни.

4. При температурата на наливане или шприцоване да запълват добре пресформата и да възпроизвеждат точно формата на работната кухина с най-остри ръбове и фини елементи по нейната повърхнина. Полученият модел да има повърхнина с малка грапавост и без повърхностни дефекти.

5. Да имат достатъчна якост при температурата на изваждане на модела от пресформата и температурата, при която се изработва керамичната черупкова форма, за да не се деформират моделите.

6. Моделната смес добре да се омокря от суспензията.

7. Компонентите на моделната смес да не реагират с компонентите на свързващия разтвор.

8. Моделните смеси, които се отстраняват от формата чрез разтопяване или разтваряне, да са приспособени за многократно използване, без да се влошават свойствата им.

9. Топимите моделни смеси да имат нисък вискозитет, добра тънколивкост и да се отделят лесно от формата.

10. Времето за втвърдяване на моделната смес в пресформата да бъде минимално.

11. Желателно е температурата, при която моделната смес cе вкарва в пресформата да бъде в интервала 40-80°С, това улеснява изработването на моделите и изваждането им от пресформата.

12. Да осигуряват добро спояване.

13. Приготвянето на моделната смес и работата с нея да са опростени и лесни.

В зависимост от изискванията по отношение на качеството на отливките, тяхната форма и размери, характера на производството и приетия технологичен процес, едни или други изисквания могат да станат най-важни и да определят техния избор.

Понастоящем в прецизното леене най-широко се използват топими еднократни модели. Те се изработват от моделни смеси, състоящи се от восъци и восъкоподобни материали. Восъците са мастноподобни вещества, предимно от растителен или животински произход.

Карнаубски восък. Отделя се върху долната страна на листата на определен вид палма, която се среща главно в Бразилия.

температура на топене 83-90°С.

Канделилски восък. Получава се от тревата канделила, която расте в изобилие по пустинните хълмове на Мексико.

Той има жълтозелен цвят и температура на топене 64-82°С.

Обезсмоленият восък има следните показатели: тъмнокафяв цвят, температура на топене, не по-ниска от 78°С, съдържание на восък, не по малко от 90%, и съдържание на смолисти вещества не повече от 10%.

Въглищнuят восък се извлича от кафяви въглища.

Парафuн. Той е нискотопима (до 71°С) смес от твърди наситени въглеводороди (C_nH_2n+2) с основен състав от С₂₀ до C₃₃.

У нас се произвежда по БДС 10101-77 технически парафин; в четири марки А, Б, В и Г, които имат температура на топене по-ниска от 52°С, и съдържание на масло съответно не повече от 0,5, 0,8, 1,8 и2,3%.

За моделни смеси трябва да се използва високопречистен и дълбокообезмаслен- парафин с температура на топене 56-62°С

Парафинът практически не се разтваря в етилсиликат, разтворим е слабо в абсолютен спирт.

Съществен недостатък на парафина, особено на нискотопимия, е това, че омеква и се деформира при температура над 30°С. Освен това той има склонност към образуване на повърхностни всмукнатини и лесно образува пяна в течно състояние.

Церезин. Смес от висококипящи наситени твърди въглеводороди от метановия ред, които се отделят от тежките маслени фракции и остатъци от дестилацията на нефта.

В съответствие с БДС 10614-78 техническият церезин се произвежда в три марки: 67, 75 и 80. Марката на церезина се определя от температурата на кипенето му.

Полиетиленовите восъци, получени от различни производители, имат температура на топене от 80 до 110°С и cе използват като компонент в моделните смеси.

Те намират най-широко приложение. По своя състав и свойства могат да се разделят условно на два вида: меки - на основата на парафин и церезин с температура на топене 58-62°С, и твърди - на основата на твърди восъци с температура на топене 65-90°С.

Използваните понастоящем водоразтворими моделни материали не се употребяват в чисто състояние, а към тях се добавят много други компоненти, които подобряват свойствата им.

Те се изработват чрез отливане, шприцоване и пресоване. Отливане на модели в каучукови или гипсови пресформи за изработване на единични модели се прилага много рядко, главно в бижутерията.

Шприцоване на моделите най често се извършва след предварително превръщане на моделната смес в пастообразно състояние чрез охлаждане от стопено състояние при постоянно разбъркване.

Изработването на еднократни модели за прецизно леене има свои особености в зависимост от вида на моделите - топими, разтворими или горими. Топими модели. Те се изработват чрез отливане, шприцоване и пресоване. Отливане на модели в каучукови или гипсови пресформи за изработване на единични модели се прилага много рядко, главно в бижутерията.

Широко разпространение намират смесители във вид на многостепенни зъбни помпи, чийто външен кожух се охлажда със вода.

При този вид смесител в моделната смес може да се вкара въздух, който намалява свиването на моделите.

Недостатъци на този начин са трудното регулиране на количеството въздух, равномерното му разпределение и ефектът от неговото влияние върху свиването.

Напоследък широко развитие получава производството на топими модели чрез пресоване в автоматични пресоващи машини.

Моделната смес се подава във вид на цилиндрични прътови заготовки, нагрети до температура 50°С. Предимството на пресоването на топимите модели е малката продължителност на процеса и липсата на дефекти на моделите, дължащи се на свиването на моделната смес, тъй като тя се вкарва в пресформата в пластично състояние.

Регенерация на топимите моделни смеси. Топимите моделни смеси се използват повторно след отстраняване от керамичните форми. За тази цел моделната смес се очиства от замърсяващите я примеси като вода, пясък и др. При нагряване до 120°С се добавя определено количество свежа моделна смес. Това намалява рязко вискозитета и възстановява основните 11 свойства. Тези операции се провеждат в съоръжение, показано схематично на фиг. 4.3.
б) Разтворими модели.

Карбамидната моделна смес се стопява в корозоустойчив съд с маслена баня при температура 135-137°С. При превишаване на посочените температури се получава постепенно преминаване на стопилката в амид, което е съпроводено с отделяне на амоняк.
в) Горими модели.

Използването на горими еднократни модели от пенопласти открива нови възможности за усъвършенстване на технологията на прецизното леене. Моделите от пенопласти са много термоустойчиви и процесът на изсушаване на отделните слоеве на керамичната черупкова форма може да се осъществи при температура 60-80°С, което рязко съкращава този най-продължителен процес на прецизното леене. Понастоящем най-използван пенопласт за еднократни модели в прецизното леене е пенополистирола.

Съвременният начин за получаване на пенополистиролови модели е чрез шприцоване под високо налягане.
1.3.4. Изработване на моделните блокове.
Еднократните модели се изработват в пресформи по отделно или в моделни звена, след което се събират в моделен блок. Само при големи детайли моделният блок се състои от един модел със закрепена леякова система.

Моделните блокове се получават чрез спояване на отделните модели към леяковата система, закрепване на моделите в кондуктор със следващо заливане на леяковата система и механично сглобяване на моделни звена върху метален държач.

Монтажът на моделите чрез спояване е производителен метод и съединението се получава много качествено.
1.4. Технология на изработване на керамични черупкови форми
1.4.1. Особености при изработване на керамичните черупкови форми.
Керамичните черупкови форми при прецизното леене се характеризират със следните особености:

Течна формовъчна смес (обмазка). Формовъчната смес за изработване на леярската форма представлява суспензия, съставена от разтворител -спирт, ацетон или вода, свързващо вещество с молекулна или колоидна дисперсност и огнеупорен материал с размери 1-40 μm. Формата се образува, като по повърхността на модела чрез потапяне или по друг начин се нанася тънък слой от тази суспензия. Тя плътно се разстила по повърхността на модела и навлиза в най-финия негов профил.

Нанесеният слой от суспензията върху моделния блок веднага се посипва със зърнест огнеупорен материал с едрина 0.1-0,25 мм

Леярската форма се образува от няколко такива слоя, като всеки слой се получава чрез нанасяне на суспензия, обсипване с едър огнеупорен материал и следващо сушене до необратимо втвърдяване.

Получената около модела форма остава цяла, без да се раздели на части, за да се извади моделът. Той се отстранява чрез стопяване, разтваряне или изгаряне.

1.4.2. Огнеупорни материали

Решаващо значение за осигуряване на високо качество на повърхността и размерна точност на прецизните отливки има изборът на огнеупорните материали за керамичната черупкова форма. Като огнеупорен материал за изработване на керамичните форми се използват главнo окиси, карбиди, бориди и силикати. Кварцът (SiO₂) е разпространен широко в природата минерал. В чист вид се среща главно като кварцит и кварцов пясък. В прецизното леене се използва във вид на кварцов пясък, прахообразен кварц и топен кварц. При нагряване кварцът претьрпява полиморфни превръщания с изменение на обема в следната последователност:

β - кварц ↔575° α - кварц ↔870° α-тридимит ↔1470° α-кристалобалит ↔1713° стопилка. При прецизното леене имат значение превръщанията при 575 и 1470°С. Може да се използва кварцов пясък 01ПК 025 (БДС-4035-71) за всички cлoeвe на черупковата форма. Когато се предявяват повишени изисквания за грапавост на повърхнината на отливките, добри резултати се получават при използването за обсипване на първия слой - фракция 01 ПК 010, на втория слой-фракция 01 ПК 025, а за следващите - 01 ПК 063 и 01 ПК 1,00. При употребата на едри фракции (01 ПК 0,63 и 01 ПК 1,00) черупковата форма ,е по-дебела, по-здрава и по-малко склонна към образуване на пукнатини при сушене. Заменянето на кварцовия пясък с топен кварц оскъпява формата, но въпреки това се получава съществен ,икономически ефект от намаляване на брака на формите и на отливките и от повишаване на качеството им.

В световната практика на прецизното леене различни огнеупорни материали имат следното предназначение:

- кварцов пясък - за суспензия и обсипка за прецизни отливки с общо предназначение и понижена точност на размерите;

- мулит - за суспензия и обсипка в случай на отливки с повишено качество;

- циркон - за суспензия и засипване на първия слой при висококачествени прецизни отливки;

- електрокорунд - в особени случаи за големогабаритни детайли и вакуумно леене;

- топен кварц - за тънкостенни отливки с повишено качество при леене без използване на вакуум.
1.4.3. Методи за хидролиза на етилсиликата.
Еднофазен метод. В апарата за хидролиза (хидролизатор) се наливат изчислените количества разтворител, вода и солна киселина, сместа се разбърква 1-2 минути, за да се хомогенизира. След това при постоянно бъркане постепенно се налива етилсиликатът. Реакцията на хидролиза протича с отделяне на топлина и се съпровожда с повишаване на температурата на разтвора.

Комбиниран метод. Неговата същност се състои в това, че процесът на хидролизата е обединен с процеса на приготвянето на суспензията. В специално пригоден внсокооборотен хидролизатор се налива изчисленото количество разтворител, подкиселена вода и се разбърква. Налива се етилсиликатът и веднага се насипва прахообразният огнеупорен материал. Бъркането продължава 40-60 минути при непрекъснато охлаждане на реактора с течаща вода. Освен своята простота чрез комбинирания метод при равни други условия се получават керамични черупкови форми с по-голяма якост, отколкото чрез еднофазния метод.

Комбинираният метод трябва да се използва широко, тъй като дава възможноcт да се намали количеството на етилсиликата в суспензията при запазване на технологично необходимата якост на керамичните форми.

Технологичният процес за изработването на керамичните черупкови форми се състои от следните операции: приготвяне на суспензията; нанасяне на отделните слоеве на керамичната черупкова форма, сушене на отделните слоеве; отстраняване на моделите, накаляване на черупковата форма.

Суспензията се приготвя чрез смесване на прахообразен огнеупорен материал и свързващ разтвор взети в точно определени съотношения. 3а тази цел в бъркалка се налива свързващият разтвор, включва се механизмът за разбъркване и се насипва прахообразният огнеупорен материал. При комбинираното хидролизиране се получава направо готова суспензия.

Изключително голямо значение има интензивността и времето на разбъркванe. Суспензията, която е формовъчната смес при прецизното леене, се характеризира с вискозитет, който лесно се определя в производството. Измерва се с времето, изразено в секунди, за изтичане на определен обем суспензия през точно калиброван отвор. Използва се вискозиметър В3-4, който има отвор 4 мм и обем на изтичащата течност 100 см³.

При покриването им със суспензия потопеният моделен блок се завърта и накланя едновременно така, че суспензията равномерно да покрие всички негови части, като в ъглите и отворите на моделите не се образуват въздушни джобчета, в които да остане въздух и те да не се покрият със суспензия.

Времето за задържане на моделния блок в ,суспензията зависи от неговите габарити и форма.

След това моделният блок се изважда от суспензията, завърта се във въздуха в различни направления, за да се излее излишъкът от суспензията и да се получи равномерен слой по всички негови повърхнини, и веднага се посипва със зърнест огнеупорен материал.

При обсипване с огнеупорен зърнест материал суспензията омокря и него и между тях възникват адхезионни сили на привличане, в резултат на което обсипи ата се задържа върху суспензията. Сушенето-на отделните слоеве, от които се състои керамичната черупкова форма, е една от най-важните операции при изработването й и се състои от физични и химични процеси. Повишената якост на черупките при използване на хидролизиран етилсиликат с малко количество вода се дължи на голямото количество остатъчни епоксидни групи, които допринасят за образуване на еластична ципа от висококондензирани хидролизирани полимери.

Понастоящем най-често се използува стопяване на моделната смес от формите с наситена водна пара в автоклави.

Сплави за прецизно леене;

- Конструкционни стомани.

- Корозионноустойчиви и огнеупорни стомани и сплави.

- Инструментални стомани.

- Алуминиеви и медни сплави.

При топене на легирани стомани се използват феросплави като феросилиций, фероманган, ферохром, феромолибден, ферованадий, феротитан, фероволфрам, хромметален, никел,

феробор, манган метален и др.

В условията на индукционните пещи за топене при изчисляването на шихтата обикновено се има предвид само изгарянето на отделните елементи в процеса на топене и отливане. Изчисляват се и необходимите количества откислители и модификатори.

Стопяването на шихтовите материали в индукционните пещи започва в долната част на тигела, при което зоната на най-високата температура с разполага примерно на 1/3 височина на тигела. За ускоряване на топенето се препоръчва тигелът да се покрие с огнеупорен капак-свод.

В стопения метал не трябва да се внася студена, а още повече влажна шихта, тъй като стопилката може да изкипи и част от нея да изтече от пещта. Легираните елементи се внасят в пещта като феросплави или чисти метали в последователност, зависеща от окисляемостта им. Главно правило е всички феросплави да се нагреят предварително до 600-650°С, за да се намалят съдържащите се в тях гoлеми количества водород. Легираните елементи се внасят в пещта като фероспляви или чисти метали в последователност, зависеща от окисляемостта им. Главно правило е всички феросплави да се нагреят предварително до 600-650°С, за да се намалят съдържащите се в тях гoлеми количества водород.

Температурата, до която се нагрява стопилката, се определя за всеки вид стомана или сплав в съответната технологична инструкция.

В практиката на стоманолеенето отдавна е формулирано изискването, че за получаването на качествен метал той трябва да се топи „горещо”, а да се отлива „студено”.

Ето защо стопените метали и сплави трябва да се рафинират (пречистят) от разтворените в тях газове - кислород, водород и азот, както и от неметални включвания, образувани в стопилката през време на нейното топене или внесени с шихтовите материали.

Рафинирането е последна операция при топенето на сплавите и от ефективността на нейното провеждане зависи в голяма степен качеството на отливките.
1.5.3. Окисляване на стоманите
Кислородът е елемент със силно изразени металоидни свойства, който се разтваря ограничено в течното желязо. Разтворимостта му в стопеното желязо зависи от температурата и може да се изрази чрез експериментално установената зависимост....

При 1650°С разтворимостта на кислорода в желязото е 0,276% а при температурата на кристализация 0,17%. При преминаване на метала в твърдо състояние разтворимостта скокообразно намалява.

За отстраняване на всички отрицателни последствия от наличието на кислорода стоманите се откисляват чрез свързване на разтворения в стопилката кислород в устойчиви окиси. Това е първата задача на откисляването. Втората задача е максимално отстраняване на образувалите се продукти при откисляването - неметалните включвания от течната стомана. Останалите в стоманата чужди включвания по форма и разположение трябва да бъдат такива, че да не намаляват съществено механичните и свойства.
1.5.4. Модифициране
Модифицирането е технологичен процес на изкуствено изменение на структурата на металите или техните сплави чрез въздействието с модификатори (не големи количества добавки) върху протичащата кристализация.

Модификаторите улесняват образуването на кристализационни центрове или изменят междуфазовата енергия на границата зародиш-течност.

Свободно (гравитационно) отливане се извършва чрез леярска кофа и с нищо не се различава от отливането на другите видове леярски форми. За отливане на алуминиеви сплави се използват графитови тигли или добре покрити с огнеупорна обмазка стоманени кофи. Медни сплави се отливат с графитови тигли или облицовани стоманени кофи.

При отливане на стомана облицовката на леярската кофа трябва да бъде основна или кисела в зависимост от облицовката на топилната пещ. За предпазване от попадане на шлака в отливките се препоръчва да се използват кофи с преграда, която да задържа шлаката. Отливането трябва да се извърши за възможно най-кратко време.

Отливане с допълнително ниско налягане спомага не само за по-добро запълване на кухината на формата, но и повишава плътността на отливките. То се осъществява в порционните индукционни или електродъгови пещи, при които след завъртването им на 180° веднага над изтичащия метал се подава под налягане въздух или инертен газ (аргон).

Центробежното отливане повишава плътността, а следователно и механичните свойства, както и спомага за по-добро запълване на формите със сложна форма и тънки сечения. При отливането на керамичните черупкови форми е необходимо да се вземат предвид два основни фактора- температурата на керамичната форма и повторното окисляване на метала при леене. Възможността да се отливат форми, загрети до високи температури, практически се реализира само при прецизното леене, докато вторичното окисляване на метала е общ въпрос на металолеенето. Тъй като керамичната черупкова форма е една висококачествена леярска форма и в нея трябва да се отлива също много висококачествен метал, трябва да се обръща необходимото внимание на повторното окисляване на стоманата.