Огнеупорные массы (компоненты, свойства)

Силикатные формовочные материалы. Окись кремния Si0₂ является химической основой кварцевых песков, которые могут содержать также некоторые примеси. Кварцевые пески, имеющие не больше 2% глинистых примесей, идут для приготовления формовочных смесей, используемых при литье сплавов с высокой температурой плавления (свыше 1000°С).

Окись кремния — основной компонент смесей. Она придает формовочной массе огнеупорные свойства и в определенных температурных интервалах вызывает расширение литейной формы, способное компенсировать усадку отливки. Из трех известных аллотропических форм окиси кремния (кварц, тридимит и кристобаллит) способностью к расширению при нагревании обладают кварц и кристобаллит. Эти две формы окиси кремния используются при составлении формовочных смесей.

Особенностью аллотропических переходов окиси кремния является их обратимость. Кварц, тридимит и кристобаллит при нормальных температурах имеет а-форму. При нагревании до температур, обозначенных на схеме, происходит переход а-форм в р-формы, при этом кварц и кристобаллит увеличиваются в объеме. Этим важным качеством не обладает тридимит, в связи, с чем он не используется для составления формовочных смесей.

Формовочные материалы, из которых изготавливаются огнеупорные оболочки, должны обладать высокой степенью дисперсности. От величины частиц материала, составляющего оболочку литейной формы, зависит чистота поверхности отливки. Чистота поверхности отливки определяется по высоте неровностей, измеряемой в микронах. Хорошая чистота поверхности достигается при применении кварцевого порошка, проходящего полностью через сито № 140 (с отверстиями диаметром 0, 1 мм) и через сито № 270 (отверстия диаметром 0, 05 мм) с остатком на нем не более 50%.

Такой мелкодисперсный прокаленный порошок называют кварцевой мукой (маршалит). Кварцевая мука должна быть свободной от примесей. Допустимое их присутствие не должно превышать 1, 5%. Для этого ее промывают и затем подвергают термической обработке при температуре 900°С в течение 2 ч. Очищенная кварцевая мука должна содержать не меньше 98% Si0₂. Она является наиболее важным компонентом формовочной смеси, употребляемой для создания облицовочного слоя (огне­упорной рубашки).

Этилсиликат [этиловый эфир ортокремниевой кислоты Si(OC₂Hs)4] используется в качестве связующего вещества при изготовлении литейных форм. При смешивании его с порошком окиси кремния образуется сметанообразная масса, из которой получают огнеупорную оболочку восковой модели.

Этилсиликат представляет собой прозрачную жидкость желтовато-зеленого цвета с легким эфирным запахом. Применение этилсиликата, как связующего вещества основано на его способности, при гидролизе образовывать ряд кремнийсодержащих веществ (силоксаны), которые при прокаливании переходят в чистую окись кремния. Таким образом, главная часть литейной формы (облицовочный слой) оказывается состоящей целиком из окиси кремния.

Гидролиз этилсиликата происходит в следующей последовательности:

1) образование силоксанов

2Si(OC₂H₆)₄+H₂0-> (C₂H₆0)Si-0-Sl(OC₂H₅)+2C₂H₆OH

Si(OC₂H₅)₄ + 4H₂0 -v Si(OH)₄ + 4C₂H₅OH;

2) разложение полисилоксана и высвобождение окиси кремния

п Si(OH)₄ -* (Si0₂)tt + 2Н₂0.

Для ускорения процесса гидролиза к воде добавляют этиловый спирт и 0, 2—0, 3% хлористоводородной кислоты.

Кварцевый песок используется в качестве наполнителя литейной опоки (кюветы). Им присыпают облицовочную оболочку сразу же после нанесения ее на поверхность восковой модели. Это задерживает стекание жидкой облицовочной массы и повышает прочность огнеупорной оболочки. Кварцевый песок проходит тщательную очистку: промывку и прокаливание. Допустимое ко­личество глинистых примесей в песке не больше 1, 5%. Дисперсность песка должна обеспечивать хорошую газопроницаемость формы. Таким требованиям удовлетворяют пески, просеивающиеся через сита № 70 (0, 25) и № 40 (0, 4) (марка К, 40/70). Кварцевый песок подверга­ется обязательной термической обработке (прокаливанию) при температуре 900°С в течение 2 ч.

Глиноземистый цемент используется для связи кварцевого песка в опоках (кюветах) и создания достаточно прочной формовочной наполнительной массы.

В состав цемента входит: 35—55% А1₂0₃, 5—12% Si0₂, 35—45% СаО, около 15% Fe₂0₃. Затвердевание цемента вызывают алюминаты кальция СаО-А1₂0₃.

Глиноземистый цемент обладает способностью схватываться и твердеть в течение 1 ч. Он огнеупорен. Прочность на сжатие цемента марки 500 около 450 кгс/см². Сухая смесь кварцевого песка и глиноземистого цемента составляется в соотношении 6—7: 1. Заполнение опоки производится смесью, смоченной водой (4—5 частей сме­си и 1 часть воды). Хранить цемент и готовую смесь следует в сухом месте. Во влажной среде цемент поглощает воду, и его способность к схватыванию ухудшается.

Жидкое стекло является материалом, способным связывать формовочную смесь. Оно входит всостав ряда рецептов формовочных масс, и до недавнего времени применялось широко.

Жидкое стекло представляет собой водный раствор силиката натрия или калия Na₂0-Si0₂, КгО-БЮа. Плотность жидкого стекла 1, 43—1, 65 г/см³. Связывающее действие жидкого стекла основано, на способности при химической реакции с хлоридом аммония, образовывать двуокись кремния, которая при высушивании смеси прочно связывает зерна наполнителя.

Na₂0 • /iSi0₂ + 2NH₄C1 -* «Si0₂ -f 2NaCl + 2NH₃ + H₂0

Формовка с использованием жидкого стекла не отвечает всем современным требованиям, предъявляемым к литейным формам. При литье в такой форме не достигается надлежащая чистота поверхности отливки, так как образующееся в ходе реакции вещество (хлорид натрия) вызывает коррозию облицовочной оболочки.

Калиевое жидкое стекло обладает некоторыми преимуществами перед натриевым стеклом: большей жидкотекучестью, термоустойчивостью. Оно используется как вспомогательный материал при сухой формовке для удерживания формовочной массы в опоке.

Сульфатные (гипсовые) формовочные материалы. Формовочные материалы, в которых связывающим веще­ством является гипс, называются гипсовыми. Основными компонентами их могут быть окись кремния и окись алюминия (минутник).

Гипсовые формовочные смеси находят применение при литье сплавов, имеющих температуру плавления до 1100°С. При литье сплавов с более высокой температурой плавления, пользоваться такими смесями не следует. Уже при температурах свыше 400—500°С наступает частичное разложение гипса с образованием сернистого газа, сероводорода и других газообразных продуктов.

Однако при температурах плавления сплавов до 1100°С применение гипса для связи огнеупорных наполнителей допустимо, так как действие высокой температуры за очень короткое время практически не успевает вызвать разрушение оболочки и на качестве небольшой по массе отливки не сказывается.

Следует учитывать некоторые особенности гипсовых формовочных материалов, связанных со свойствами гипса.

1. При затвердевании формовочной массы происходит ее расширение вследствие уменьшения плотности массы, вызванного задержкой воды между кристаллами огнеупорного наполнителя. Если заполненную опоку в начальной стадии затвердевания погрузить в воду, то произойдет насыщение формовочной массы водой. Это приведет к еще большему расширению массы. Суммарная величина гигроскопического расширения может достигнуть 1-2%.

2. При термической обработке литейной формы, проводимой с целью выжигания воска и прокаливания огнеупорного наполнителя, происходит дегидратация гипса и он дает усадку до 2%.

3. Термическое расширение формовочной массы, способное существенно компенсировать усадку металла, достигается при использовании в качестве огнеупорного на­полнителя окиси кремния (кристобаллит или кварц).

Применение кристобаллита, имеющего большую способность к термическому расширению, дает возможность при литье в горячую форму (температура около 350— 400°С) получить расширение ее до 1, 25%, что может компенсировать усадку сплавов, имеющих относительно небольшую усадку при затвердении (сплавы на основе золота, палладия и т. д.).

Фосфатные формовочные материалы. В фосфатных формовочных материалах в качестве связующего вещества используются фосфаты, по составу подобные фосфат-цементам, применяемые в стоматологии.

При смешивании окислов металлов (цинк, магний, алюминий), входящих в состав порошка, с жидкостью (фосфорная кислота) происходит образование фосфатов, которые прочно связывают частички наполнителя формовочной смеси (кристобаллит, кварц и т. д.). В результате термической обработки фосфаты переходят из орто- в пироформу, обладающую большой термоустойчивостью при температуре 1200—1600°С. Компенсационное расширение формы при использовании этих формовочных масс может быть получено только за счет наполнителя (окиси кремния).

Формовочные массы, выпускаемые промышленностью

Ленинградским заводом медицинских полимеров «Медполимер» для литья сплавов на основе золота выпускается масса «Силаур». Это гипсовый формовочный материал. Основу массы составляют кремнезем и гипс. Обычное соотношение их 3: 1. Замешивание массы производится с водой, схватывание происходит через 10—30 мин. Для отливки мелких деталей повышенной точности (вкладки, полукоронки и т. д.) используется масса силаур № 3-Б, для получения более крупных деталей применяют силаур № 9.

При литье золотых сплавов применяют формовочные массы других составов на основе окиси кремния (кристобаллита) и гипса. К таким массам относится также чехословацкий препарат «Эксподента». Для получения отливок из золотых сплавов, не требующих большой точности, часто используют смесь 1 части гипса с 2 частями чистого кварцевого песка. Перечисленные формовочные массы используются также для литья серебряно-палла-диевых сплавов.

Для литья деталей из нержавеющей стали и кобальто-хромовых сплавов промышленность выпускает массу «Формолит». Она состоит из материалов для изготовления огнеупорной оболочки (пылевидный кварц и этилси-ликат) и наполнительной массы для заполнения кюветы (формовочный песок и глиноземистый цемент).

Облицовочную массу приготавливают смешиванием пылевидного кварца с этилсиликатом. Полученную смс-танообразную массу наносят на восковую форму. Массу для заполнения кюветы составляют из формовочного песка и глиноземистого цемента в соотношении 10: 1 и замешивают на воде. Вместо глиноземистого цемента может быть использована борная кислота Н3ВО3 в том же соотношении. Качественное литье нержавеющей стали получают также при использовании формовочных масс, состоящих из жидкого стекла, кварцевой муки и кварца.

Формовочные массы для изготовления огнеупорных моделей. В последние годы широкое распространение получили методы литья металлических сплавов на огнеупорных моделях, Такими методами получают наиболее

сложные конструкции, отличающиеся большой точностью размеров и высокой чистотой поверхности. Огнеупорные модели изготавливают из различных модификаций окиси кремния, способных при нагревании расширяться, с добавлением к ним связующих веществ на основе фосфатов или силикатов.

Огнеупорная масса ОЛ (бюгелит) относится к силикатным формовочным материалам. Она состоит из огнеупорного порошка (наполнителя) и жидкого связующего компонента (гидролизованного этилсили-ката). Отвердителем массы служит раствор едкого натра. Порошок и жидкость для получения модели берутся в соотношении 4: 1. Масса начинает схватываться через 3—4 мин и затвердевает полностью через 40—60 мин. При нагревании до 800°С термическое расширение бюгелита около 1, 8%.

Огнеупорная масса «Силамин» относится к фосфатным формовочным материалам. Масса представляет собой порошкообразную огнеупорную композицию, в состав которой входит фосфатная связка. Для формовки массу смешивают с водой. Схватывание массы происходит через 7—10 мин. Окончание затвердевания наступает через 50—60 мин. Термическое расширение при температуре 800°С около 1, 4%.

Огнеупорная масса «Кристасил-2» является огнеупорным материалом, состоящим из порошка-наполнителя—кристобаллита и фосфатной связки. При смешивании с водой получается пластичная масса, начинающая твердеть через 5—7 мин и окончательно затвердевающая через 40—45 мин. При затвердевании массы происходит ее расширение на 0, 4—0, 5%. Термическое расширение кристасила-2 при нагревании до 700°С составляет 0, 8—1%. Суммарное расширение модели может достигать 1, 2—1, 5%.

Огнеупорные массы бюгелит, силамин, кристасил-2 обладают хорошей термической стойкостью в темпера­турном интервале 1400—1700°С, химически устойчивы, обладают достаточной прочностью. Термическое расширение этих масс при обжиге опоки (кюветы) способно компенсировать сокращение объема кобальтохромовых и других сплавов, имеющих близкие величины усадки (1, 5-1, 8%).