Формование литьем

Отливка изделий в гипсовых формах имеет ряд пре­имуществ перед пластическим формованием: сокращает­ся производственный цикл обезвоживания массы в ре­зультате устранения фильтрации и переработки массы, появляется возможность транспортировать шликер на любые расстояния и изготовлять тонкостенные изделия, отпадает необходимость в бомзах для чашек и др. На фарфоровых изделиях, отлитых в гипсовых формах, луч­ше, чем на изделиях, изготовленных формованием, прояв­ляются такие ценные свойства, как просвечиваемость, повышенная белизна (с красивым голубоватым оттен­ком), легкость и ажурность форм, высокие эстетические качества. Кроме того, при отливке изделий можно ис­пользовать малопластичные массы. Существенные недо­статки формования изделий способом литья: высокая трудоемкость, тяжелые условия труда, необходимость использования электролита и значительных производст­венных площадей, быстрый износ гипсовых форм, суще­ственные возвратные отходы, отсутствие высокопроизво­дительного оборудования — привели к резкому сокраще­нию литья изделий на заводах (4—6% общего объема выпуска изделий).

Шликерное литье основано на способности компо­нентов массы давать устойчивые суспензии в водной среде, на реологических свойствах шликеров и на по­глощении воды из шликера порами гипсовой формы благодаря действию капиллярных сил с образованием на ее поверхности твердого слоя массы. Способность шликера заполнять гипсовую форму обусловлена его те­кучестью, а воспроизводить конфигурацию формы — его литейной способностью. Вода как жидкая фаза и элект­ролиты придают шликеру требуемые свойства.

Механизм набора стенки изделия заключается в осаждении твердой фазы шликера на внутренней по­верхности гипсовой формы при одновременном поглоще­нии жидкой фазы порами формы. Скорость набора стен­ки изделия зависит от скорости поглощения формой жидкой фазы шликера (проницаемость гипсовой формы составляет 2, 5-10~9—6-Ю" 11 л/см2), гранулометриче­ского состава твердой фазы, соотношения твердой и жидкой фаз, а также от скорости диффузии воды из шликера слоем массы, образовавшегося на гипсовой форме (проницаемость сформировавшегося слоя (2, 4— 3)-10" л/см2). Этот слой нарастает пропорционально корню квадратному из времени набора стенки изделия. Пористость (42—47%) и средний размер пор (0, 38± ±0, 01 нм) в образовавшемся слое не зависят от струк­туры гипсовой формы. Процесс образования слоя мас­сы на гипсовой форме обеспечивает капиллярное дав­ление, создающее мениски воды в порах гипсовой формы.

В процессе фильтрации участвуют поры наименьше­го диаметра (0, 3—0, 45 нм), а также более крупные поры (до 1 нм). Скорость набора черепка возрастает (при том же среднем размере пор) с увеличением пористости гипсовой формы (рис. 50) и обусловлена главным обра­зом сопротивлением образовавшегся слоя массы, так как сопротивление гипсовой формы капиллярному дав­лению незначительно. Скорость образования слоя мас­сы при возрастающей пористости формы и зависимость этой скорости от средних размеров пор в форме дости­гают максимума при таком размере пор, при котором проницаемость слоя становится равной проницаемости формы. Структура гипсовой формы не определяет структуру сформировавшегося слоя массы. Скорость по­глощения жидкой фазы шликера пористыми стенками

формы должна быть вы­ше или равна скорости подхода ее к поверхности формы. При значитель­ном опережении скорости поглощения воды формой на наружной стороне от­ливки образуется более уплотненный слой, чем в остальной части, что свя­зано с возникновением внутренних напряжений, возможностью отслаива­ния от стенки формы и появления трещин. При запаздывании поглоще­ния воды формой она на­капливается в ее поверх­ностных слоях, что при­водит к размыванию формы и прилипанию изделий к ней.

Гранулометрический состав твердой фазы шликера также влияет на скорость набора стенок изделий. Она будет выше, если поверхностный слой изделия образует­ся из частиц, не дающих плотной упаковки. Однако по­вышенное содержание крупных частиц способствует чрезмерному возрастанию скорости набора стенок, что приводит к разнотолщинности изделий и затрудняет ре­гулирование процесса набора стенок изделия. При по­вышенном содержании в шликере тонкодисперсных фракций резко снижается скорость набора стенок изде­лия и возможно прилипание отливки к форме.

Нарастание прочности образовавшегося слоя массы в гипсовой форме обусловливается тиксотропным обра­зованием структуры под действием флокуляции, вызы­ваемой миграцией ионов Са2+ из гипсовой формы в шликер, а также вследствие отбора влаги порами фор­мы под действием капиллярных сил. Глинистые части­цы в наружной части отливки располагаются так, что их большие плоскости размещаются параллельно по­верхности, через которую проходит фильтрация, т. е. ориентированно, а внутри отливки — неориентированно. Такая структура отливок предопределяет анизотропию усадки при сушке, порождающую внутренние напряже­ния и нередко вызывающую коробление и трещинова-тость полуфабриката. Разность усадочных напряжений по направлениям обусловливается различием толщины водных пленок между примыкающими одно к другому ребрами частиц, а также склонностью более плотных участков слоя к упругим, а не пластическим деформа­циям. Ориентированное положение глинистых частиц, возникшее в процессе набора стенки изделия при литье, сохраняется и в обожженном изделии, что фиксируется ориентированным положением муллитовых новообразо­ваний. Такая структура понижает прочность изделия.

Частичному устранению ориентированной структуры отливки способствует применение жидкотекучих шлике­ров при неизменном содержании в них твердой фазы, что достигается использованием соответствующих деф-локулянтов (разжижителей). С этой же целью повыша­ют содержание отощающих компонентов в массе.

В результате поглощения воды шликера формой об­разовавшийся слой уплотняется, изделие дает усадку при снижении влажности до 18—20% и отделяется от стенки, что облегчает извлечение его из формы.

Подогревание форм до 60° С более чем в 2 раза ус­коряет набор стенки изделий в результате увеличения текучести шликера. В этих температурных условиях толщина слоя массы пропорциональна повышению тем­пературы.

При повышении давления корость набора черепка также возрастает. На этом основано литье изделий под давлением. При давлении до 0, 5 МПа снижается усадка изделий при сушке, а также влажность отлитых изде­лий на 2—3%, ускоряется сушка изделий, отпадает не­обходимость в сушке гипсовых форм, так как под дав­лением процесс набора слоя зависит не от отсоса воды" формой, а от величины давления. Влажность шликера при этом снижается на 2—3%.

Вакуумирование гипсовых форм способствует также значительному (в 2—4 раза) уменьшению времени набо­ра стенок изделий.

Применение вибрации при литье изделий (3000— 6000 колебаний в минуту) и обработка шликера ульт­развуком (частота колебаний 20 кГц) на 1—2% сни­жают вязкость шликера, влажность отливок и на 15— 20% повышают их прочность. Предельное напряжение сдвигу возрастает на 10—30%, а предел прочности при изгибе после сушки —на 20%. Вибрация улучшает структуру изделий, уменьшает возможность образова­ния раковин в отливках благодаря ускоренному^набору стенок изделия. Основной ассортимент изделий, изго­тавливаемых литьем: тонкостенные полые изделия (сер­визные чашки), изделия больших размеров или слож­ной формы (суповые вазы, подливочники, соусники, овальные блюда, скульптура и др.), а также пристав­ные детали (ручки, носики).

Способы литья. Отливают изделия вручную на ли­тейных столах, механизированных установках и на ли­тейных полуавтоматах.

Известны следующие способы формования литьем: наливной, сливной и доливной (комбинированный). При наливном способе набор стенок изделия осуществляется между двумя стенками гипсовой формы. Шликер не­прерывно доливают в форму до полного заполнения ее массой.

Влажность шликера при стендовом наливном спосо­бе литья изделий 31—34% (без бентонита) и 38—40% (с вводом в массу бентонита), при литье на полуавто­матической конвейерной линии 29—30%, текучесть 10— 15 с, загустеваемость через 30 мин—1, 3—2 ед. Этим способом изготовляют комплектные изделия с большой толщиной стенок (овальные блюда, селедочницы, дета­ли ручек и т. д.). Для литья наливным способом тре­буются формы сложной конфигурации (рис. 51). При наливном способе изделия не имеют разнотолщинности стенок, а влажность и расход шликера минимальны.

При сливном способе шликер, налитый в форму, сли­вают после набора стенок изделия требуемой толщины. Набор стенки осуществляется односторонне — внутрен­ней поверхностью гипсовой формы. Шликер должен иметь повышенную текучесть 15—20 с и влажность 33— 42%. При заливке шликера в форму необходимо сле­дить за тем, чтобы струя шликера не била в стенку формы, не «захватывала» воздух. Шликер должен рав­номерно без вспенивания заполнять форму. Это дости­гается при использовании специального наконечника — литейного конуса (рис. 52), прикрепляемого к резиново­му шликеропроводу.

Последовательность технологических операций, вы­полняемых при наливном и сливном способах литья из­делий, приведена на рис. 53.

При наливном способе отливки особое внимание уде­ляют правильной сборке форм и промазке каналов в форме, по которым поступает шликер. Для промазки используют смесь из 30% минерального масла и 70% стеарина. Наливной способ более сложен и трудоемок из-за необходимости использования разборных форм.

Сливной способ проще, однако шликера расходуется больше, толщина стенок неравномерна, так как набор черепка происходит односторонне. Используют сливной " метод для литья мелких тонкостенных изделий, в том числе носиков на литейных автоматах и поточных лини­ях производства чашек, чайников, кувшинов и др.

При доливном способе сначала отливают приставные детали (ручки), затем их собирают в составной гип­совой форме и доливают шликер для окончательного оформления изделия, например, корпуса чайника. Этот способ применяют редко.

Изделия с поддонов снимают при снижении их влаж­ности до 17—18%. В зависимости от вида изделий сушка может осуществляться в две стадии: подвялка до влажности 14—16% плоских и 16—18% полых изделий, оправка, приставка деталей и затем окончательная суш­ка до влажности не более 2%.

Значительные работы по созданию литейных полуав­томатов выполнены во ВНИИФ. Разработано несколько моделей литейных полуавтоматов для литья фарфоро­вых чашек: однорядный и двухрядный карусельные по­луавтоматы и четырехструйный автомат. Принципиаль­ной особенностью этих моделей является то, что подача и точная дозировка шликера в формы осуществляется вакуумным дозатором. Избыточный шликер отсасывает­ся из форм также с помощью вакуума, затем возвра­щается в питатель дозатора и используется в дальней­шем в смеси со свежим шликером.

Четырехструйный автомат (рис. 54) состоит из 16-позиционного карусельного стола, получающего преры­вистое вращение от механизма в виде мальтийского креста, четырехструйного дозирующего и четырехструй-ного отсасывающего устройства. На каждой позиции стола 7 в специальных четырехгнездных формодержате-лях 6 устанавливаются гипсовые формы 8. Шликер из резервуара с мешалкой 5 по гибкому шлангу 2 подает­ся в дозатор / и затем одновременно в четыре гипсовые формы вместимостью 360—500 см3 каждая. При пово­роте стола формы, залитые шликером, поступают на по­зицию 10 отсоса излишка шликера, который удаляется из формы благодаря вакууму, после чего шликер по шликеропроводу 9 поступает в мешалку 5 для повтор­ного использования. Клапаны 12 служат для подклю­чения дозирующего и отсасывающего устройств гибким шлангом 3 с вакуум-насосом 4. Через клапаны 11 дози­рующее и отсасывающее устройства сообщаются с ат­мосферой.

За 2 мин до поступления залитых шликером форм на позицию отсоса излишка шликера происходит набор стенок толщиной 1, 4—1, 6 мм, а до подхода на позицию выемки формы — их закрепление. Далее форма с изде­лием передается в сушилку. Производительность агре­гата составляет 480—600 чашек в час, установленная мощность электродвигателей 6, нагревателей 15 кВт.

Отлитые изделия подвяливают в формах, выбивают из форм и подвергают оправке при влажности плоских изделий 11—18%, полых изделий—16—18%.

Гипсовые формы регулярно сушат до влажности около 8% при механизированной и до 10%—при руч­ной отливке.

Приставляемые детали — ручки, носики и т. д. изго­товляют методом многосерийной отливки в многогнезд-ных двусторонних гипсовых формах с центральным ка­налом. Операции отливки выполняют на механизирован­ных установках, а также вручную на литейных столах. Последовательность технологических операций изготов­ления и приставки ручек к изделиям приведена на рис. 55.

Приставка деталей к корпусу изделия, обожженному на утель, имеет свои особенности и выполняется в по­следовательности, приведенной на рис. 56.

Дефекты литья. При литье изделий возможны сле­дующие дефекты.

Литейные пятна появляются в местах удара струи шликера о стенку гипсовой формы. Их образованию способствуют: повышенное давление подачи шликера и его чрезмерная текучесть, увеличенная высота заливки шликера в форму, пониженная влажность гипсовой формы, повышенное содержание в шликере глинистых материалов и полевого шпата. В литейных пятнах на­блюдается расслоение черепка изделий.

Наколы и пузырьки на изделиях могут образовы­ваться при быстрой заливке шликера в форму и его вспенивании, а также при отсутствии вакуумирования

Шликера. Струя шликера должна быть короткой и Ши­рокой, что достигается использованием специальных на­конечников. Давление струи не должно превышать 0, 015 МПа.

Полосность появляется при недостаточной текучести шликера, неправильной заливке и неравномерной пори­стости формы, а также в местах ее сужения.

Неоднородность структуры черепка возникает при использовании шликера, склонного к коагуляции, а так­же при излишнем содержании в нем воды.

Неравномерность толщины изделий образуется при медленном сливе шликера из формы при сливном спосо­бе, а также при неправильном изготовлении и сборке форм при наливном способе.

Выплавки образуются при нарушении условий от­ливки гипсовых форм и их эксплуатации, от чего воз­можно засорение отливки выкрошивающимися кусочка­ми гипса.

Деформация изделий из-за недостаточной прочности может возникнуть при преждевременном извлечении их из форм, нарушении принятого рецепта массы, излиш­ней влажности шликера.

Трещины после сушки появляются в результате не­достаточной пластичности массы, а также из-за разной воздушной усадки в местах резкого перехода от одной толщины стенки к другой. Трещины также образуются при заливке форм с перерывами, при отливке в очень сухие или влажные формы, наличии пузырьков воздуха в начале использования новых гипсовых форм, а также свежеприготовленного шликера.

Горячее литье изделий под давлением способствует расширению сырьевых ресурсов промышленности, так как позволяет использовать тощие, непластичные мас­сы, исключает необходимость ввода в массы бентони­та, химических добавок, обеспечивает высокую проч­ность полуфабриката и стабильность размеров изделий, в 2—3 раза снижает трудовые затраты на изготовление и сокращает число технологических операций (рис. 57).

Для горячего литья под давлением 0, 2—0, 4 МПа ха­рактерно образование промежуточной системы (литей­ного шликера) из тонкодисперсного порошка и техноло­гической связи (парафина). Агрегатное состояние промежуточной системы определяется не количеством технологической связки, а температурными условиями:

твердое состояние до 35—40° С, жидкое —от 60° С и выше.

Преобразование полуфабриката в готовое керамиче­ское изделие происходит в два этапа: сначала обжигом удаляется технологическая связка, а затем после оправ­ки и глазурования при более высоких температурах на­ступает спекание материала изделия. Способ горячего литья под давлением не нашел применения в производ­стве фарфоровой и фаянсовой посуды. Его используют преимущественно в производстве электротехнических из­делий и изделий технической керамики.