Особенности получения литых изделий из драгоценных сплавов

 

 

4. ВЫПЛАВЛЯЕМЫЕ МОДЕЛИ

Литье по выплавляемым моделям в настоящее время считается наиболее прогрессивным способом получения сложных фасонных тонкостенных отливок повышенной точности (4 – 7 классов) и с шероховатостью поверхности до 6-го класса, что часто позволяет использовать их как готовые детали, без дополнительной механической обработки. Это один из самых древнихспособов обработки металлов. В настоящее время, старинный способ литья по выплавляемым моделям значительно изменен и усовершенствован. Из процесса сугубо индивидуального производства (модели создавались каждый раз заново, как самостоятельное творение художника) он превратился в процесс массового производства отливок. Применение литья по выплавляемым моделям для изготовления изделий из сплавов золота, платины и серебра имеет характерные особенности, что связано с необходимостью получения весьма мелких тонкостенных и ажурных изделий сложной конфигурации, а также обеспечения высоких параметров шероховатости поверхности и дефицитностью используемого металла. Эти особенности обусловили и специфичность технологии изготовления изделий рассматриваемым методом. Так, при литье по выплавляемым моделям сплавов золота, платины и серебра используют специальные резиновые пресс-формы (технология изготовления приведена выше), синтетические воскоподобные материалы для получения выплавляемых моделей, формовку единым кристобаллито-гипсовым наполнителем с его предварительным вакуумированием, а также применяют принудительное заполнение литейной полости жидким металлом под действием центробежных сил или атмосферного давления. Метод литья по выплавляемым моделям позволил значительно расширить ассортимент ювелирных изделий из сплавов драгоценных металлов, повысить их качество и снизить трудоемкость изготовления. Для производства отливок из сплавов драгоценных металлов, по литературным данным, было опробовано более 500 модельных составов. Свойства этих составов в значительной степени определяются технологическим процессом литья по выплавляемым моделям и выбором применяемого оборудования. В связи с этим к модельным составам предъявляется ряд требований, включающих физико-механические, химические, технологические, технико-экономические и санитарно-технические показатели, конкретные для каждого случая.

В мировой научно-технической литературе (в связи с ее конфиденциальностью) практически отсутствует информация по модельным составам, используемым в ювелирной промышленности. Только в американской литературе приводятся рецептуры двух базовых модельных составов, которые применяются для производства отливок из сплавов золота и серебра:

Состав 1: инден-кумароновая смола средней молекулярной массы от 500 до 1200 ед. – 5 %, пчелиный воск 20 – %, карнаубский " – 5 %, монтановый " – 35 %, церезин – 30 %, диэтиленгликольмоностеарат – 5 %.

Состав 2 представлен в массовых частях (м.ч). Диэтиленгликольмоностеарат – 12 м.ч, воск марки "Акровоск" – 14 м.ч, пчелиный воск – 16 м.ч, Церезин – 30 м.ч.

Приведенные составы дают четкое воспроизведение оригинала с хорошей поверхностью, достаточно эластичны, выплавляются легко и без остатка. Однако отсутствие данных по физико-химическим и механическим свойствам не дает оснований утверждать преимущество этих составов над другими. Воспроизведение составов 1 и 2 не представляется возможным из-за отсутствия отечественных компонентов (природных и синтетических), входящих в рецептуры.

Для изготовления выплавляемых моделей используется специальный инжектор (рис. 1, а), который позволяет автоматически поддерживать необходимую температуру воска и давление инжекции. Инжектор состоит из резервуара для модельного состава, электронагревателя и терморегулятора. Скорость нагрева модельного состава изменяется регулятором мощности, а температура нагрева контролируется контактным термометром или термопарой. Заполнение резиновой пресс-формы (рис. 1, б), которую помещают в зажим, происходит через инжекторное сопло (рис. 1, в) под действием сжатого воздуха, давление которого контролируется манометром, установленным на верхней крышке инжектора. Инжекторное сопло оснащено системой индивидуального обогрева до 50 °С.

 

                         а                                                                    в 

а – восковой инжектор; б – способ зажима пресс-формы; в – сопло инжектора

Рис. 1. Изготовление выплавляемых моделей

 

Физико-химические свойства модельных составов и шероховатость поверхности выплавляемых моделей в существенной степени определяют качество изготовленных отливок. Особое значение эти факторы получают при производстве отливок из сплавов золота и серебра. Модельный состав и резина имеют низкие теплофизические характеристики, т.е. низкую теплопроводность и высокую теплоемкость. При запрессовке жидкого модельного состава, происходящей циклично, в резиновую пресс-форму, имеют место накопление тепла в резиновом массиве и повышение его температуры. В результате существенно увеличивается время затвердевания выплавляемой модели, катастрофически повышается шероховатость ее поверхности за счет взаимодействия с газами и стенками резиновой пресс-формы, а также происходит искажение формы выплавляемой модели.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. ОГНЕУПОРНЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ ФОРМЫ

В настоящее время технологические приемы изготовления литейных форм процесса литья по выплавляемым моделям можно разделить на две основные группы:

- нанесение огнеупорных облицовочных (слоистых) покрытий на     поверхность выплавляемых моделей, т.е. изготовление слоистых форм оболочек;

- заполнение жидкими облицовочно-наполнительными суспензиями опок с установленными в них модельными блоками, т.е. изготовление литейных форм-монолитов.

В обоих случаях процесс затвердевания слоев или монолитов протекает по коллидно-химической схеме с аморфным, смешанным или кристаллическим состоянием вяжущих компонентов. Аморфное состояние характерно, главным образом, для органических связующих (сульфитно-спиртовой барды, масел, лаков и др.), смешанное состояние для минерально-органических связующих (этил-силиката, щелочных силикатов, алюминатов и др.), кристаллическое состояние для минеральных связующих (гипса и цемента).

Используемая технология литья по выплавляемым моделям в формы, изготовленные последовательным нанесением на поверхность модельных (восковых) блоков нескольких слоев огнеупорных покрытий на этил-силикатном связующем, не может быть использована при производстве отливок из сплавов золота и серебра по ряду причин.

Слои огнеупорных покрытий на этилсиликатном связующем являются проницаемыми для сплавов золота и серебра в жидком состоянии, что приводит к недопустимо высоким потерям драгоценных металлов в процессе литья.

Операции выбивки отливок из огнеупорных форм на этилсиликатном связующем и очистки весьма мелких и сложнопрофильных отливок из сплавов золота и серебра слишком трудоемки, а в большинстве случаев осуществимы только путем травления в плавиковой кислоте, которая вредна для человеческого организма.

Огнеупорные формы на этилсиликатном связующем не обеспечивают необходимой и достаточно четкой воспроизводимости рельефа моделей на отливках вследствие значительной лиофобности материала моделей по отношению к суспензиям на кремнийорганических связующих и явления "отвисания" сырых слоев оболочковых покрытий (под собственным весом). За рубежом получил развитие процесс литья по выплавляемым моделям с применением кремнеземисто-гипсовых форм-монолитов, не имеющий вышеуказанных недостатков. Этот процесс широко используется для производства отливок из сплавов золота, серебра, платины и палладия базируясь на импортных поставках оборудования и материалов, в число последних входят формовочные кристобалито-гипсовые смеси К-90, "Суперкаст" и"Сатинкаст", изготовляемые в США. В основе технологии изготовления литейных форм-монолитов находятся физико-химические и технологические свойства формовочных смесей, которые состоят из двух основных составляющих  наполнителя и связующего и представляют собой следующее: суспензии из жидкой фазы – водного раствора с кислотными добавками; твердой фазы – наполнителя из огнеупорного материала (кварца, циркона,электрокорунда, оксидов магния и кальция, динаса, шамота и др.); связующего (гипса, алюмосиликата, фосфатов и др.).

При изготовлении литейных форм-монолитов формовочная смесь проходит сложный цикл, состоящий из большого количества операций: приготовления и хранения смеси, изготовления, сборки и хранения формы, заливки металлом, охлаждения формы, отделения смеси при выбивке отливок. Поэтому формовочные смеси должны обладать следующими свойствами: текучестью, прочностью в сыром и обожженном состоянии, термостойкостью, газопроницаемостью, огнеупорностью, выбиваемостью, инертностью с заливаемыми сплавами и др.

Если материал формы реагирует с заливаемым металлом, то образующиеся продукты реакций вызывают химический пригар и являются причиной брака отливок. Формы с низкой прочностью размываются заливаемым металлом, вызывая брак по геометрии формы отливок, а мелкие частицы формы являются причиной засоров в отливках. Формы с высокой прочностью трудно разбиваются, что повышает трудоемкость при выбивке отливок и также может привести к дефектам отливок. При литье в формы с низкой газопроницаемостью находящиеся в форме воздух и газы, выделяющиеся из  расплавленного металла, не смогут удалиться через стенки формы и приведут к внутренней пористости отливок с неудовлетворительным качеством поверхности.

При изготовлении ювелирных литейных форм-монолитов применяются жидкие самотвердеющие формовочные смеси (кристобалито-гипсовые смеси К-90, Суперкаст, Сатинкас, ДГА-15, КГА-4, Ювелирная и др.), которые состоят в разных пропорциях из оксида кремния (SiО2) в виде кварца или кристобалита и гипса в виде полугидрата (2Са8О4×Н2О).

При изготовлении ювелирных литейных форм-монолитов, как правило, на резиновое основание с закрепленной на нем блок-моделью устанавливают опоку. В качестве опоки используют цилиндр из нержавеющей стали диаметром 50 – 225 мм и высотой 100 300 мм в зависимости от размеров блок-модели. Цилиндр может быть перфорирован. Опоку заливают подготовленной формо-массой и помещают в вибровакуумную установку для уплотнения формо-массы и удаления из нее пузырьков воздуха и производят вибровакуумирование при давлении 1,3 кПа в течение 120 – 180 с.

В случае некачественного проведения вибровакуумирования пузырьки воздуха адсорбируются на поверхности выплавляемых моделей и являются причиной появления на отливках шаровых наплывов.

Принципиальная схема вибровакуумной установки представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема вибровакуумной установки.

 

Установка состоит из вакуумной цилиндрической камеры высотой 350 мм и диаметром 300 мм, смонтированной на рабочем столе вибратора и форвакуумного насоса. Впуск воздуха в вакуумную камеру осуществляется посредством открывания вентиля воздушного клапана.

После затвердевания формы производится вытопка из нее воска в печи для вытопки модельной массы или в прокалочной печи, оснащенной поддоном для сбора расплавленного воска. Удаление моделей из литейной формы осуществляется двумя способами:

- выплавлением с помощью пара;

- выплавлением при нагреве опок во время прокалки.

В настоящее время обычно применяется второй способ, который обеспечивает более полное удаление модельного состава из литейной формы и повышает производительность труда. Повышение скорости нагрева литейных форм приводит к образованию трещин, поэтому необходимо строго соблюдать режимы прокалки с помощью соответствующих средств автоматики. Максимальная температура прокаливания зависит от количества гипса в формовочной смеси и не должна превышать 800 °С, когда происходит разложение гипса и разрушение формы. Обычно прокаливание литейных форм осуществляется в прокалочных печах по следующему режиму:

- нагрев от 20 до 150° С – 30 мин, с выдержкой при 150° С – 3 часа;

- нагрев от 150 до 300° С – 2 часа, с выдержкой при 300° С – 2 часа;

- нагрев от 300 до 750° С – 3 часа, с выдержкой при 750° С – 3 часа.

Охлаждение прокаленных форм до температур заливки 400 – 650°С также проводят со скоростью не выше 0,03 °С /с. В общем случае температурно-скоростной режим прокаливания литейных форм зависит от их массы, сложности формы получаемых отливок и подбирается в каждом случае индивидуально.

6. СПОСОБЫ ЛИТЬЯ

При производстве ювелирных изделий заполнение полостей литейных форм жидкими сплавами золота, платины и серебра возможно только принудительными методами из-за сложности конфигурации отливок, для чего используют методы центробежного литья и вакуумного всасывания. На установке центробежного литья давление жидкого металла в сред-нем составляет 98 - 101 кПа, а при литье методом вакуумного всасывания –48 - 69 кПа. Метод центробежного литья ювелирных изделий известен с глубокой древности, когда мастера тех времен, для принудительного поступления металла в полость литейной формы, раскручивали опоку подобно метательному молоту.

В настоящее время этот метод, уже много десятилетий используется и в ювелирном деле. Каждое ювелирное предприятие использует этот метод литья. Производство оригинальных восковых моделей и сам процесс получения по ним металлических образцов при этом виде литья открывают широкие возможности для получения высокохудожественных ювелирных изделий любой сложности. Так, например, новые центробежные литейные машины отливают 50 колец за одну заливку.