4.4. Изменение размеров гипсовых форм при затвердевании и охлаждении

Для получения тонкостенных отливок и качественного воспроизведения декоративной поверхности гипсовые формы прокаливают при 800°С и заливают металлом. При изготовлении отливок из латуней, бронз, нейзильбера и мельхиора с толщинами стенок 10 мм форма подстуживается и заливку производят при 600⁰С. При заливке сплавов на алюминиевой основе форма после прокаливания охлаждается до 150—200°С.

При схватывании гипсовая масса расширяется, что дает хороший отпечаток с модели. Однако расширение затрудняет извлечение модели.

Расширение гипса при схватывании колеблется от 0,008 до 0,5 %. Оно уменьшается при использовании малопрочного гипса, при снижении содержания гипса в смеси, увеличении содержания воды, применении добавок типа гашеной извести, жидкого стекла, глины, песка и асбеста.

В первые 10—20 мин расширение не превышает 0,1—0,2 %, поэтому постоянную модель нужно удалять немедленно, как только форма приобрела минимальную прочность.

При нагреве и охлаждении гипсовая форма подвергается усадке. Причиной объемных изменений при нагреве гипсовых форм являются собственно термическое расширение и физико-химические процессы, идущие при дегидратации и модификационных превращениях формовочных материалов.

При нагреве выше 680 °С усадка гипса увеличивается и доходит до 4 %. Это связано с образованием ангидрида при полной потере гипсом кристаллизационной воды. Разложение ангидрида начинается при нагреве гипса уже выше 800 °С. Наличие в гипсовых формах асбеста, песка, кристобалита снижает усадку форм. Наименьшую усадку дают формы, загруженные в печь при 300 °С и выдерживаемые после их нагрева до 800 °С в течение 10 мин.

Для нейтрализации усадки применяют огнеупоры, сильно расширяющиеся при нагреве. К ним относятся кварцевый песок, пылевидный кварц, кристобалит. При содержании кристобалита до 70 % усадка гипса практически полностью компенсируется.

Таким образом, конечная усадка уменьшается в результате:

• уменьшения водосодержания смеси;

• снижения содержания в смеси гипса;

• применения малопрочных сортов гипса;

• использования наполнителей, особенно кристобалита;

• снижения температуры прокаливания форм;

• введения в гипсовую массу 1—2 % извести;

• пропаривания форм.

4.5. Режимы прокаливания гипсовых форм

Режимы прокаливания затвердевших форм зависят от состава формовочной смеси, габаритов формы, от заливаемого сплава, способа удаления из формы модели и от конструкции литниковой системы.

В гипсе находится 21 % кристаллизационной воды, в асбесте — 13 % и вода, которую добавляют в смесь для придания ей нужной консистенции. Эта вода удаляется в интервале температур от 250 до 800 °С. При нагреве печи до 800 °С адсорбционная вода удаляется из формы за 1,5—2 ч, а при нагреве печи до 400 °С — за 5—6 ч.

Гипсовые формы по постоянной модели можно помещать в печь, нагретую до 750— 800 °С, или нагревать со скоростью 250— 300 °С в час, не опасаясь образования трещин. Однако трещины могут образоваться при длительной выдержке при 750—800 °С из-за коробления и большой усадки. При высоких температурах гипс разлагается с образованием сульфида, что может привести к появлению в отливках газовых раковин засоров и пор.

Гипсовые формы помимо всего вышеизложенного требуют медленного нагрева для удаления впитавшегося в них модельного состава. При быстром нагреве и быстрой транспортировке газов создается большое давление, которое может деформировать и разрушить форму. Прокаливание форм проводят для алюминиевых сплавов при 500—600 °С для сплавов на медной основе и ювелирных сплавов при 650— 800 °С. Заливку алюминиевых сплавов следует проводить при температуре формы 150—200 °С. Охлаждение обычно занимает продолжительное время. Это относится и к подстуживанию при заливке массивных сплавов на медной основе. Надо учитывать, что гипсовые формы очень чувствительны к резкому охлаждению.

Литниковые системы должны быть сконструированы таким образом, чтобы их каналы не препятствовали удалению паров воды и газов от сгорания модельного состава.

В сложнопрофильном и ювелирном литье часто применяют импортные гипсовые массы с кристобалитом. В них имеются компоненты, замедляющие схватывание гипса и удлиняющие время живучести формовочной массы. К ним относятся массы:

• «К 90» с содержанием около 2 % Н ₃ВО₃ • 10 Н₂О или 0,5Na₂B₄0₇;

• «Суперкаст» с содержанием около 3 % Na2SiО3 и Н3ВО3 • 10 Н2О;

• «Сатинкаст» с содержанием около 1 % Na2SiО3 и Н3ВО3 • 10 Н2О.

Достоинством импортных смесей является их высокая технологичность на всех операциях изготовления формы и отливок. Недостатком является то, что в этих смесях применяется такой гипс, который разлагается при температуре чуть выше 650 °С. Максимально допустимая температура заливаемого металла — 1160 °С. Химический состав импортных смесей (в % по массе) представлен в таблице 4.5.1. Все смеси мелкодисперсные с размерами частиц от 0,02 до 0,09 мкм.

Табл. 4.5.1. Химический состав импортных смесей

Название смеси	В2О3	СаО	SiO2	FeO	Fe2О3	Al2О3	MgO	К2О	Na2О	SО3
Суперкаст	0,58	11,71	66,18	1,67	0,15	0,24	0,71		0,25	16,7
К-90	0,83	9,5	74,31	—	0,03	0,04	—	—	—	13,5
Сатинкаст	0,35	10,83	70,25	0,75	0,12	0,4	0,25	0,15	0,15	15,3

С целью замены импортных формовочных смесей ВНИИювелирпром выпустил отечественную формовочную смесь «Ювелирная». Она содержит от 80 до 88 % динаса ЭД и от 12 до 20 % гипса. Затвердителем является вода с ортофосфорной кислотой (соотношение — 5 мл ортофосфорной кислоты на 1 л воды), динасовый порошок (с низким содержанием СаО, Fе₂О₃ и Аl₂О₃) фракции 0,08 мм и максимальное количество SiО₂ — 96 %. Формовочные смеси из порошка динаса ЭД менее 0,08 мм и порошка, не просеянного по фракциям, имеют близкие значения текучести и периода затвердевания.

Как правило, стремятся получить следующее время затвердевания гипсовой массы. Затвердевание должно начинаться через 14—19 мин после заполнения опоки, а заканчиваться не более чем через 26 мин. Замедлителем служит азотная кислота либо Н₂С₂О₄. При концентрации 5 мг/л затвердевание начнется через 19 мин, а завершится — через 26 мин.

Ниже приведена последовательность изготовления и исправления пониженной текучести.

1. Подготавливают смесь, состоящую из 85 % динаса и 15 % гипса. Затворитель — вода с 2 мл ортофосфорной кислоты на 1 л.

2. Проверяют текучесть смеси и время ее затвердевания. Текучесть проверяют следующим образом. Смесью заполняют цилиндр высотой 50 и диаметром 50 мм. Затем его резко поднимают. Смесь выливается на стол, и получается лепешка, диаметр которой должен быть не менее 120 мм. Время затвердевания — не менее 30 мин.

3. Если при нужной текучести затвердевание продолжается более 30 мин, уменьшают содержание ортофосфорной кислоты в воде (0,5 мл на 1 л).

4. Если после п. 3 все остается без изменения, увеличивают содержание гипса до 20 %, а содержание динаса уменьшают до 80 %.

5. Если смесь с 15 % гипса затвердевает менее чем за 8 мин, снижают содержание гипса до 10—12 %, увеличив содержание динаса.

6. При низкой текучести смеси необходимо увеличить содержание ортофосфорной кислоты до 5 мл на 1 л воды.