СУСПЕНЗИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ Российский патент 1998 года по МПК B22C1/06 B22C1/22 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения литейных форм в технологическом процессе литья по выплавляемым моделям для изготовления отливок из химически активных и жаропрочных металлов и сплавов, преимущественно лопаток газотурбинных установок методом направленной кристаллизации.

В настоящее время для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям широко применяются суспензии на основе кремнийорганических связующих - этилсиликатов [1], а также суспензии на основе коллоидального кремнезема [2] . Содержание двуокиси кремния в готовых формах после прокалки достигает 8% и определяет недостатки этих суспензий - низкую прочность получаемой оболочковой формы при температуре заливки металла σ_изг= 2,8 кг/см² и большую степень разрушения контактного слоя металл-форма.

Наиболее близким к изобретению по составу является суспензия для получения отливок из химических активных металлов и сплавов [3], содержащая в качестве термореактивного связующего фенолформальдегидную смолу (например СФЖ-3016) в органических растворителях, графитосодержащий наполнитель, микропорошок алюминия и кислоту (соляную или борную) в качестве катализатора отверждения при следующем соотношении компонентов, (мас.%):
Термореактивная смола - 23-25
Гидролизный спирт - 48-52
Кислота соляная - 3,5-4,5
Микропорошок алюминия - 2,3-2,5
Пудра алюминиевая - 0,3-0,8
Фурильный спирт - 3,5-4,5
Графитосодержащий наполнитель - Остальное
Прокалка форм ведется при 850^oC без доступа кислорода.

Суспензия по этому изобретению имеет следующие недостатки:
- применение в суспензии графитового наполнителя исключает возможность высокотемпературной термообработки форм на воздухе (формы рассыпаются под собственным весом);
- прокалка без доступа воздуха приводит к карбонизации связующего, что является недопустимым из-за диффузии углерода в металл;
- связующее содержит пожароопасные органические растворители - гидролизный и фуриловый спирты;
- применяемая фенолформальдегидная смола содержит до 5% свободного фенола, ПДК которого составляет 0,1 мг/м², и относится ко второму классу опасности;
- отверждение смолы при комнатной температуре идет в присутствии сильной кислоты, вступающей во взаимодействие с порошкообразным алюминием;
- формы после обжига имеют усадку 3,5 - 4,0%, при требованиях к формам при литье жаропрочных сплавов - усадка не более 1,0%.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности оболочковых форм при 1700^oC на воздухе, снижение взаимодействия на границе металл-форма и улучшение санитарно-гигиенических условий труда.

Для достижения указанной цели предлагается суспензия для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям, включающая огнеупорный наполнитель, термореактивное связующее и технологическую добавку - металлический порошок.

Согласно изобретению в качестве огнеупорного наполнителя используют тугоплавкий порошок, выбранный из группы оксидов AI, Y; в качестве связующего - водные растворы 15-65%-ной концентрации олигомерных продуктов конденсации алкилполиоксибензолов общей формулы
R_mC₆H_6-(m+n)(OH)_n,
где
R-H, CH₃, C₂H₅;
m=1-2;
n=2-3,
с альдегидами: формальдегидом, фурфуролом, или гексаметилентетраамином, а в качестве металлического порошка - алюминий при следующем соотношении компонентов, мас%:
Органическое связующее - 15-40
Порошок металлического алюминия - 7-35
Огнеупорный наполнитель, выбранный из группы оксидов алюминия, иттрия - остальное
Применение органического связующего на основе полиоксибензолов в сочетании с предлагаемым наполнителем и порошком металлического алюминия позволяет повысить прочностные характеристики форм как в сыром, так и в готовом (после прокалки) состояниях, а также обеспечивают получение отливок из высокореакционных сплавов без нарушения контактного слоя вследствие отсутствия в полимере кремния.

В отличие от смол, получаемых на основе одноатомных фенолов, к которым относится термореактивная смола СФЖ-3016, используемая в прототипе, водорастворимые смолы на основе полиоксибензолов позволяют исключить применение органического растворителя, отверждаются в нейтральное или слабощелочной среде и обладают в отвержденном состоянии хорошими прочностными характеристиками.

Высокая температура стеклования образующегося сшитого полимера - не ниже 150^oC обеспечивает хорошую формоустойчивость при выплавлении восковый моделей и позволяет существенно расширить ассортимент применяемых модельных масс. Температура стеклования акриловых и эпоксидных полимеров холодного отверждения, представляющих интерес для получения оболочковых форм, существенно ниже.

При концентрации связующего ниже 15 мас.% суспензия быстро разрушается, а оболочка получается тонкая и непрочная. При концентрации связующего выше 65мас.% суспензия имеет высокую вязкость и неравномерно наносится на модель.

Пример изготовления.

В 40%-ный водный раствор резорциноформальдегидной смолы (пример 2 в табл. 2) вводят оксид алюминия и порошок металлического алюминия. Суспензию тщательно перемешивают, доводят до определенной вязкости и затем на модельном блоке формируют керамополимерное покрытие методом послойного нанесения с последующей обсыпкой наполнителем и сушкой каждого слоя при комнатной температуре (18-25^o).

Обсыпка блоков осуществляется по существующей в промышленности технологии крупными фракциями плавленного корунда.

Первый слой - зерном электрокорунда N16 или N20 по ГОСТ 3647-71. Крупность основной фракции N16200 - 160 мкм; N20250 - 200 мкм (55%).

Второй слой - зерном электрокорунда N40 по ГОСТ 3647-71. Крупность основной фракции N40500 - 400 мкм (55%).

Третий и последующие слои оболочки опсыпаются зерном электрокорунда N63 по ГОСТ 3647-71. Крупность основной фракции N63800 - 630 мкм (55%).

Модельная масса удаляется из керамополимерной формы в горячей воде 96 - 98^oC или пароавтоклаве (140 - 150^o). Затем сырье формы прокаливают на воздухе при 1300 - 1500^oC. Вязкость суспензии, температура и время сушки, количество слоев и температура прокалки формы выбираются в зависимости от размера блоков.

Та же технология применяется и для получения суспензий, где в качестве связующего выбрана метилрезорциноформальдегидная смола (пример 1 в табл.2).

Аналогично изготавливаются формы с применением в качестве огнеупорного наполнителя оксида иттрия.

Изобретение иллюстрируется примерами. Состав применяемых суспензий в соответствии с прототипом и изобретением приведены в табл. 1 и 2, а свойства - в табл.3.

Как видно из табл.3, применение суспензий по изобретению обеспечивает получение оболочковых форм с высокой прочностью как в исходном состоянии, так и после прокалки, с небольшой шириной зоны взаимодействия на границе металл-форма и минимальной усадкой. Форма на основе суспензии по прототипу после прокалки разрушилась под собственным весом. На основе суспензий запредельного состава по содержанию связующего и порошка оксида получены формы с пониженной прочностью, дефектами на внутренней поверхности и увеличенной зоной взаимодействия на границе металл-форма.

Применение предлагаемой суспензии позволит получать качественные оболочковые формы с высокой прочностью как в исходном состоянии, так и после прокалки при 1500^oC и при температуре заливки металла 1700^oC, с низкой зоной взаимодействия на границе металл-форма и малой усадкой. Это, в свою очередь, позволяет изготавливать лопатки ГТД методом направленной кристаллизации по выплавляемым восковым моделям различного состава.

Предлагаемая суспензия не содержит пожароопасного органического растворителя, что значительно улучшает санитарно-гигиенические условия труда.

Список литературы.

1. Патент Японии N 47-11831, кл. B 22 C 1/088, 1980.

2. ЕПВ(ЕР)0530658 A1, кл. B 22 C 1/16, 1991.

3. Авторское свидетельство СССР N1785762 A1, кл. B 22 1/06, 1990.0

Изобретение используется для получения литейных форм в процессе литья по выплавляемым моделям для изготовления отливок из химически активных и жаропрочных металлов и сплавов, преимущественно лопаток газотурбинных установок, получаемых методом направленной кристаллизации. Суспензия состоит, мас. %:
Связующего - 15 - 65
Водный раствор алкилполиоксибензальдегидной смолы - 15 - 40
Порошок металлического алюминия - 7 - 35
Огнеупорный наполнитель выбранный из группы оксидов алюминия иттрии - Остальное.

Применение ее позволит получать качественные оболочковые формы с высокой прочностью как в исходном состоянии, так и при температуре заливки металла 1700^oС с низкой зоной взаимодействия на границе металл-форма и малой усадкой. Это, в свою очередь, позволяет изготавливать лопатки ГТУ методом направленной кристаллизации по выплавляемым восковым моделям различного состава. 3 табл.

Суспензия для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям для получения отливок из химически активных и жаропрочных сплавов, включающая огнеупорный наполнитель, органическое связующее и технологическую добавку - металлический порошок, отличающаяся тем, что она содержит в качестве огнеупорного наполнителя тугоплавкий порошок, выбранный из группы оксидов алюминия, иттрия, в качестве органического связующего - водные растворы 15 - 65%-ной концентрации алкилполиоксибензолальдегидных смол на основе алкилоксибензолов формулы
R_mC₆H_{6 - ( m + n )}(OH)_n,
где R - H, CH₃, C₂H₅;
m = 1 - 2;
n = 2 - 3,
а в качестве технологической добавки - порошок алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Органическое связующее - 15 - 40
Порошок металлического алюминия - 7 - 35
Огнеупорный наполнитель, выбранный из группы оксидов алюминия, иттрия - Остальноем