Изготовление литейной гипсодинасовой формы

После изготовления модельных блоков приступают к изготовлению литейной формы. Для литья ювелирных изделий и изделий из медно-никелевых сплавов с температурой заливки не более 1200-1250°С широкое распространение получили смеси с гипсом в качестве связующего.

Использование «чистого» гипса недопустимо в основном из-за низкой огнеупорности, склонности к образованию трещин при сушке и прокалке, относительно высокой прочности после заливки формы металлом. Причины этого заключаются в следующем. Гипс (греч. gypos — мел, гипс) — минерал класса сульфатов Ca[SO₄] • 2 Н₂О. Кристаллическая структура его типично слоистая: анионные группы [SO₄]^2-, связанные ионами Са²⁺, образуют слои, между которыми размещаются молекулы Н₂О. Плоскость спайности гипса проходит между слоями воды, что определяет его относительно низкую прочность в исходном состоянии. Гипс частично растворяется в воде; наибольшая степень его растворимости при 38°С; выше 107°С растворимость гипса в воде уменьшается. Следует отметить, что при 80—90°С из гипса выделяется некоторое количество воды; при 140°С он частично переходит в полугидрат Ca[SO₄] • 0,5 Н₂О, а при 140-220° полностью теряет воду — образуется ангидрит (ан — не, без, и гидро — вода), т.е., в отличие от гипса, не имеет воды. Процесс преобразования гипса в ангидрит сопровождается уменьшением объема материала на 30%, в результате чего в форме появляются трещины. При 450°С образуется «мертвый гипс», который утратил способность обратимо твердеть под воздействием воды. При температуре более 750°С образуется эстрих-гипс, который и дал наименование эстрих-процессу — литью в гипсодииасовые формы.

Таким образом, исходным сырьем для гипсовых форм является полуводный сульфат кальция Ca[SO₄] • 0,5 Н₂О — алебастр²¹. Его получают при гидротермальной обработке гипсового камня насыщенным водяным паром в автоклавах (высокопрочный гипс, а -полугидрат) и в открытых сосудах (строительный гипс, β -полугидрат).

При смешивании полугидрата, на практике также называемого гипсом, с водой протекает реакция

Ca[SO₄] • 0,5 Н₂О + 1,5 Н₂О = Ca[SO₄] • 2 Н₂О,

появляются кристаллы гипса игловидной формы. Они срастаются и образуют твердую массу, принимающую очертания той формы, в которой находилась суспензия полуводного сульфата кальция.

Прочность гипса определяется степенью сцепления кристаллов, их формой и размерами. Так, гипс а -модификации имеет спутанно-волокнистую структуру, плотную упаковку с незначительным количеством пор и капилляров. Именно поэтому а- модификация полуводного сульфата кальция требует меньшего количества (34—45%) воды при приготовлении суспензии при одинаковой с β -модификацией пластичностью. В то же время, β -модификация гипса имеет сильно развитую поверхность, что препятствует полному превращению полуводной β -модификации в дигидрат (гипс). Прочность суспензии постепенно увеличивается по мере кристаллизации, достигая максимального значения примерно через сутки от начала приготовления. Именно поэтому гипсовые формы нельзя сразу после затвердевания подвергать тепловой (как впрочем и любой другой) сушке и прокаливанию, так как это приведет к уменьшению прочности и пластичности формы.

Недостатки формы, приготовленной на основе одного гипса, можно скомпенсировать, например, добавкой кварца. Кварц (SiO₂) при нагревании претерпевает ряд полиморфных превращений. Диаграмма устойчивости различных модификаций SiO₂ приведена на рис. 243. Тридимит (греч. тридимос — тройной, так как встречается в виде строенных кристаллов) имеет две модификации — β и γ; кристобалит (по местности Сан-Кристобаль в Мексике) — модификации а и β. Указанные на диаграмме превращения (при нагревании) сопровождаются увеличением объема. Чтобы скомпенсировать усадку гипса при потере воды, необходимо на одну его часть добавить примерно четыре части молотого кварца (кварцевой муки, маршалита). Однако большее распространение получила добавка динаса — дробленого обожженного кварца (60—70% тридимита, 20—30% кристобалита и 3—6% кварца). Наибольшее положительное влияние оказывает кристобалит, который при 80—300°С компенсирует усадку гипса.

На прочность гипсодинасовой смеси существенно влияет водомассовое соотношение (В/М), т.е. количество воды на 1 кг сухой смеси (л/кг). Влияние В/М на пенетрацию, газопроницаемость и осыпаемость приведено на рис. 244-246.

Рис. 243. Диаграмма устойчивости разных модификаций SiO₂

Продолжительность отвердевания и вязкость суспензии регулируется величиной ее рН. Например, в момент т_х, по данным работы [2], вязкость суспензии

где рН — текущая основность (рН > 7) или кислотность (рН < 7) суспензии в момент времени τ_x; (В/М) и (В/М)_опт — текущее и оптимальное водомассовое отношение, отвечающее максимальной прочности данной суспензии при отвердевании. Изменение вязкости суспензии во времени показано на рис. 247.

Процесс приготовления литейной гипсодинасовой формы заключается в следующем. Стояк с обезжиренными в спирте или ацетоне моделями и опоку закрепляют в резиновом поддоне. Опоку наращивают, закрепляя на ней с помощью

резиновых жгутов тонкий листовой полистирол или полиэтилен, свернутый в виде трубки. Зная объем опоки (в него не входят объемы стояка и восковых моделей) и плотность суспензии (ориентировочно 1,77 г/см³), рассчитывают количество формовочной массы и воды. При смешивании массу добавляют в воду (не наоборот!). В случае использования отечественной формовочной массы воду подкисляют ортофосфорной, соляной кислотами, бурой или борной кислотой (для регулирования продолжительности отвердевания). После перемешивания (1 — 2 мин) суспензию необходимо подвергнуть вакуумированию в течение 2—3 мин при остаточном давлении 2—5 кПа, далее залить суспензию в опоку, не допуская замешивания воздуха. После этого форму вакуумируют с вибрацией по двум-трем направлениям при остаточном давлении 5-10 кПа в течение 3-5 мин. Уровень суспензии при вакуумировании поднимается (под действием выделяющихся газов) и удерживается от выливания нарощенной частью опоки. Если во время заливки суспензии вакуумирование идет через боковые отверстия опоки, то пластиковая пленка предохраняет суспензию от вытекания через вентиляционные отверстия.

Рис. 244. Зависимость максимальной нагрузки при вдавливании конуса в кристобалитно-гипсовых смесях от водомассового соотношения В/М: 1 — смесь К-90; 2 — смесь «SUPER CAST»; 3 — смесь «SATIN CAST» (все производства США)

Рис. 245. Зависимость относительной газопроницаемости К кристобалитно-гипсовых смесей от В/М после прокаливания при 800°С (обозначения на рис. 244)

Рис. 246. Зависимость осыпаемости от водомассового соотношения прокаленных при 800°С образцов (обозначения на рис. 244)

Рис. 247. Зависимость коэффициента вязкости µ кремнеземисто-гипсовых смесей от рН суспензии: 1 — смесь К-90, рН = 2,6 ÷ 2,8; 2 — смесь «SUPER CAST», рН = 6,65 ÷ 6,85; 3 — смесь «SATIN CAST», рН = 0,4 ÷ 5,6

Определить текучесть суспензии можно по способу Суттарда. Для этого цилиндр с внутренним диаметр 50 мм и высотой 100 мм, ставят на ровную горизонтальную пластину размерами не менее 250x250 мм. В него заливают суспензию и через 240 с (после введения гипсодинасовой смеси в воду) цилиндр резко поднимают. Суспензия растекается по пластине. Если диаметр образовавшейся «лепешки» более 120 мм, то суспензия по текучести считается пригодной к работе. Далее продолжают следить за поведением «лепешки». По времени исчезновения водной пленки (помутнение поверхности) от момента начала приготовления суспензии (затворения гипса) определяют порог затвердевания (он должен составлять 10— 30 мин). Усадку и трещинообразование проверяют по наличию зазора между опокой и формой и образованию трещин в последней после суточного вывяливания при 18—22°С. После отвердевания формовочная масса должна быть выдержана 12—16 ч (в зависимости от ее марки) на воздухе при 20—25°С и влажности 40—60%.

__________

²¹ На практике алебастром называют технический полугидрат сульфата кальция, т.е. ангидрит с повышенным количеством примесей.