СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВКИ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ Российский патент 1999 года по МПК B22C9/02 

Изобретение относится к металлургии, в частности к изготовлению отливок по выплавляемым моделям из металлических и неметаллических материалов.

Известен способ изготовления отливок по выплавляемым моделям, заключающийся в приготовлении огнеупорной оболочковой формы, заформовывании оболочки в металлические коробки-контейнеры (см. книгу: Емельянова А.П. Технология литейной формы: Учебник для техникумов цветной металлургии. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986, с. 207-208). Оболочку ставят вертикально, отверстие стояка закрывают крышкой и засыпают оболочку вокруг сухим песком. Для большей устойчивости оболочек после формовки на сухой песок рекомендуют положить слой глины. Подготовленные таким образом формы помещают в печь и прокаливают в течение 2-3 часов при температуре 900^oC.

На автоматических линиях оболочки обжигают без опорного наполнителя с последующей формовкой в горячем песке. Оболочки устанавливают на подвески конвейера, который транспортирует их через газовую печь для обжига. У выхода из печи оболочки погружаются в желоб заливочной карусели, заполненный горячим песком - "кипящий слой". При дальнейшем движении конвейера оболочки выходят из кипящего слоя заформованными. Производится заливка. У входа в камеру охлаждения подвески с залитыми оболочками извлекаются из песка. Песок ссыпается в желоб карусели, а отливки попадают в камеру охлаждения.

Этот способ изготовления отливок по выплавляемым моделям имеет существенные недостатки, заключающиеся в том, что при формовке оболочек в песок нет возможности регулировать теплоотвод от системы "отливка-оболочка" в окружающую среду, отсутствует возможность регулировать теплоотвод от отливки в форму по высоте и различным участкам отливки, невозможно регулировать последовательность затвердевания отливки, возможен брак отливок.

Известен также способ изготовления отливок по выплавляемым моделям, когда оболочки упаковывают твердеющим опорным наполнителем (см. книгу: Литье по выплавляемым моделям - В.Н. Иванов, С.А. Казеннов, Б.С. Курчман и др. Под общ. ред. Я.И. Шкленника, В.А. Озерова. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984, с. 233-234). На стол вибратора ставят строганую подопочную плиту, на которую устанавливают блок модели с оболочкой, приклеивают его модельным составом и устанавливают опоку без дна из жаростойкой стали. Внутреннюю поверхность опоки обкладывают картоном для образования зазора между опокой и наполнителем. Наливают наполнитель, включают вибромашину и по мере оседания смеси ее добавляют. Продолжительность вибрирования 10-15 минут, после чего форму снимают со стола и устанавливают на стеллаж для медленной сушки.

Применяют и сухой сыпучий наполнитель, содержащий кварцевый песок, смачиватель песка, пульвербакелит. При нагреве формы для выплавления моделей смесь приобретает достаточную прочность, в процессе прокаливания она становится непрочной и не препятствует усадке отливок. В этом случае формовать блоки можно только в опоках с дном.

Недостатки такого способа изготовления отливок по выплавляемым моделям - высокая трудоемкость в связи с применением заформовывания оболочек, невозможно влиять на отвод тепла от отливки, создавать направленное затвердевание металла, получать отливки с заданной структурой, без дефектов, повышенный расход сплава на одну отливку.

Цель изобретения - снижение расхода сплава на одну отливку, уменьшение брака литья, получение отливки без дефектов усадочного происхождения, с заданной структурой, повышение механических свойств материала отливки.

В результате исследований разработан и предлагается способ изготовления отливки по выплавляемым моделям, включающий изготовление керамической оболочковой формы, облицевание формы теплоизоляционным материалом, помещение облицованной формы в камеру, заливку жидкого расплава в форму, отличающийся от известных тем, что керамическую оболочковую форму облицовывают гибким теплоизоляционным материалом толщиной, равной 1-250 величины отношения площади сечения стенки отливки к периметру этого сечения. Предлагаемый способ изготовления отливки по выплавляемым моделям отличается также тем, что толщину гибкого теплоизоляционного материала переменно изменяют по высоте формы, и тем, что в камеру засыпают сыпучий материал, а на него устанавливают облицованную гибким теплоизоляционным материалом керамическую оболочковую форму, и тем, что в камеру засыпают сыпучий огнеупорный материал, и тем, что в камеру засыпают сыпучий металлический материал, и тем, что сыпучий материал нагревают до температуры, равной 0,01 - 0,75 температуры заливаемого в форму расплава, и тем, что облицованную гибким теплоизоляционным материалом керамическую оболочковую форму нагревают до температуры, равной 0,04 - 0,86 температуры заливаемого в форму расплава, и тем, что облицованную гибким теплоизоляционным материалом керамическую оболочковую форму устанавливают в неохлажденную камеру, и тем, что стенки камеры охлаждают и поддерживают постоянную температуру этих стенок, и тем, что стенки камеры нагревают до температуры, равной 0,01 - 0,83 температуры заливаемого в форму расплава.

При применении этого способа, включающего изготовление керамической оболочковой формы, облицевание формы теплоизоляционным материалом, помещение облицованной формы в камеру, заливку жидкого расплава в форму, керамическую оболочковую форму облицовывают гибким теплоизоляционным материалом толщиной S, равной 1-250 величины отношения площади сечения стенки отливки F к периметру этого сечения P, то есть R=F/P. В качестве гибкого теплоизоляционного материала используют, например, изделия из огнеупорного волокна системы Al₂O₃ - SiO₂. Керамическую оболочковую форму обматывают (обкладывают) гибким теплоизоляционным материалом в один, два, три и более слоев, причем в связи с гибкостью огнеупорного волокна путем обдавливания слоям придают форму, обеспечивающую плотность прилегания слоев к оболочке и друг к другу. При многослойном облицевании керамической оболочковой формы гибким теплоизоляционным материалом толщина S - суммарная величина (сумма толщин всех слоев теплоизоляционного материала в данном сечении).

В пределах изменения S от 1• R до 250•R годных отливок по выплавляемым моделям - максимальное количество. В этих пределах можно создавать наилучшие условия для получения мелкозернистой структуры металла отливок. При S меньше 1•R резко снижается влияние теплоизоляционного материала, структура металла в сечениях отливок получается неравномерной, возникает брак отливок в связи с образованием трещин. При S больше 250•R резко снижается теплоотвод затвердевающего металла отливки, что приводит к образованию крупных дендритов, структура металла становится крупнозернистой, образуются поры между дендритами, возникает брак отливок по пористости и недостаточной прочности металла.

Толщину гибкого теплоизоляционного материала можно переменно изменять по высоте формы, что позволяет создавать направленное затвердевание металла, и получать равномерную структуру при переменных сечениях отливки по высоте.

При изготовлении отливки по выплавляемым моделям предлагаемым способом может быть несколько вариантов выполнения технологического процесса.

Первый вариант: используют камеру, в которую засыпают сыпучий материал, а на него устанавливают облицованную гибким теплоизоляционным материалом керамическую оболочковую форму. Если требуется уменьшить теплоотвод от нижней части отливки, то в камеру засыпают сыпучий огнеупорный материал, а если необходимо увеличить теплоотвод от нижней части отливки, то в камеру засыпают сыпучий металлический материал. Сыпучий материал можно нагревать до температуры T₁, равной 0,01-0,75 температуры заливаемого в форму расплава T₂. При T₁ меньше 0,01•T₂ резко повышается теплоотвод сыпучему материалу и могут в материале отливки образоваться столбчатые кристаллы, что резко снижает механические свойства материала отливки. При T₁ больше 0,75•T₂ материал в нижней части отливки затвердевает с образованием крупнозернистой структуры, что приводит к снижению прочности материала отливки. При T₁ = (0,01-0,75)•T₂ создаются оптимальные условия для получения высококачественных отливок.

Второй вариант: облицованную гибким теплоизоляционным материалом керамическую оболочковую форму нагревают до температуры T₃, равной 0,04 - 0,86 температуры заливаемого в форму расплава T₂. При T₃ меньше 0,04•T₂ влияние нагрева резко снижается, что равноценно заливке жидкого расплава в холодную оболочку. При T₃ больше 0,86•T₂ возможно образование крупнозернистой структуры и снижение механических свойств материала отливки. В пределах T₃ = (0,04 - 0,86)•T₂ достигается оптимум в получении отливок с высокими механическими свойствами.

Третий вариант: облицованную гибким теплоизоляционным материалом керамическую оболочковую форму устанавливают в неохлажденную камеру, что позволяет выравнивать температурные поля в отливке; стенки камеры охлаждают и поддерживают постоянную температуру этих стенок, что позволяет создавать направленное затвердевание металла в отливке; стенки камеры нагревают до температуры T₄, равной 0,01 - 0,83 температуры заливаемого в форму расплава T₂. В последнем случае при T₄ меньше 0,01•T₂ влияние нагрева резко снижается (камера холодная), а при T₄ больше 0,83•T₂ могут образовываться крупные дендриты в отливке, снижаются механические свойства материала. Высокие показатели механических свойств материала отливки достигаются при T₄ = (0,01 - 0,83)•T₂.

Во всех случаях технологические процессы включают изготовление керамической оболочковой формы, облицевание формы теплоизоляционным материалом, помещение облицованной формы в камеру, заливку жидкого расплава в форму.

Изложенный способ может применяться как при изготовлении стальных отливок, так и отливок из сплавов цветных металлов. Наиболее предпочтительно изготавливать таким способом турбинные лопатки из дорогих жаропрочных сталей.

На фиг. 1 в разрезе показана керамическая оболочковая форма 1 применительно к турбинной лопатке. Оболочковая форма облицована гибким теплоизоляционным материалом 2. Облицованная керамическая оболочковая форма установлена в камеру 3 на сыпучий материал 4. После заливки металла в оболочковую форму образуется отливка 5.

На фиг. 2 представлена в разрезе другая разновидность облицованной гибким теплоизоляционным материалом 2 керамической оболочковой формы 1, помещенная в камеру 3 на сыпучий материал 4. Количество слоев гибкого теплоизоляционного материала в этом случае значительно больше, чем в предыдущем случае, так как отливка 5 имеет отличие по составу сплава и величинам R = F/P.

Экспериментально установлено, что максимальные величины S до 250•R применимы для выполнения без дефектов очень тонкостенной части турбинной лопатки (пера лопатки), без образования столбчатой структуры в металле по перу. При S > 250• R влияние толщины S не наблюдается.

Минимальная величина S = 1•R эффективна в получении без дефектов толстостенной части отливки.

При S= 1•R эффективность достигается в случае производства толстостенных отливок (отливки можно получать без дефектов, с равномерной структурой по сечениям). При S < 1•R нерационально расходовать гибкий теплоизоляционный материал, так как его влияние на качество отливки незначительно.

Технология изготовления отливок турбинных лопаток в зависимости от состава сплава и сложности детали включала все изложенные выше варианты способа изготовления отливки по выплавляемым моделям.

Для выявления необходимой толщины теплоизоляционного слоя для каждого конкретного сечения отливки в зависимости от отношения площади сечения отливки к периметру этого сечения проводилить лабораторные испытания. При проведении экспериментов плавка металла производилась в тигельной индукционной печи, температура замерялась термопарами. Оболочковые формы облицовывались гибким теплоизоляционным материалом из огнеупорного волокна системы Al₂O₃-SiO₂, изготовленного в АО "Сухоложский огнеупорный завод". Гибкий теплоизоляционный материал содержал 50% глинозема и имел величину коэффициента теплопроводности 0,21 Вт/(мК) при 1100^oC.

Пример 1.

Способ изготовления отливки по выплавляемым моделям, изложенный в заявке на изобретение N 98102840/02(003092), применялся для изготовления турбинной лопатки из сплава 31Х19Н9МВ6Тл с длиной пера 200 мм и минимальной толщиной отливки 0,5 мм.

Литейный блок состоял из 6 отливок лопаток и литниково-питающей системы. Керамическая форма на основе электрокорунда была изготовлена по выплавляемым моделям. Толщина стенки формы была 8 мм. Форма облицовывалась указанным выше теплоизоляционным материалом, причем толщина этого материала на форме S зависела от величины площади сечения отливки F к периметру этого сечения P, то есть R = F/P. (По чертежу отливки выявились отличающиеся сечения отливки и для каждого такого сечения определялись отношения площади сечения отливки к периметру этого сечения). Каждая из 6 форм, в которой получалась отливка лопатки, облицовывалась не одинаково. Там, где получалась тонкая стенка лопатки (перо толщиной 0,5 мм), выдерживались соответственно для каждой отливки лопатки с порядковыми номерами от 1 до 6: S = 230 • R; S = 240 • R; S = 250 • R; S = 251 • R; S = 252 • R; S = 255 • R, а где получалась толстостенная часть отливки (до 32 мм) - соответственно S = 1,3 • R; S = 1,1 • R; S = 1 • R; S = 0,9 • R; S = 0,8 • R; S = 0,6 • R.

Величина S определялась по толщине примененного теплоизоляционного материала с учетом количества слоев этого материала на форме. Теплоизоляционный материал наклеивался на форму, а потом увязывался мягкой проволокой. Перед заливкой облицованную теплоизоляционным материалом форму прогревали в прокалочной печи до температуры 1000^oC, а затем устанавливали в охлаждаемую камеру и заливали сплавом при его температуре 1500^oC. После заливки в форму выдерживали в камере 15 минут до полного затвердевания металла отливок. Далее форму с отливками вынимали из камеры и устанавливали на плац, где выдерживали отливки до полного охлаждения (до температуры в помещении). Затем с формы снимали теплоизоляционный материал, отбивали керамику с отливок, отрезали отливки от литниково-питающей системы, разрезали отливки, определяли структуру металла, выявляли, имеются ли дефекты в отливках.

Выводы делались по результатам получения однотипных отливок в пяти оболочковых формах, облицованных гибким теплоизоляционным материалом.

Исследованиями установлено, что отливки с порядковыми номерами 1, 2, 3 получились годными, то есть когда для тонкой части отливки S ≤ 250 • R, а для толстой части S ≥ 1 • R. Эти лопатки получились с равномерной мелкозернистой структурой, без усадочных раковин. В других случаях в структуре металла отливок наблюдались или столбчатые зерна, или дефекты усадочного происхождения, что по техническим условиям - не допустимо.

Пример 2.

Способом изготовления отливки по выплавляемым моделям было получено 6 деталей в виде усеченных конусов, имеющих у основания диаметр 50 мм, в верхней части диаметр 0,5 мм и высоту 200 мм. Для заливки использовался металл 12Х18Н9Тл. Условия плавки, заливки, выдержки металла в форме, охлаждения, удаления отливки из формы, были такими же, как в случае примера 1. Температура заливаемого в формы металла была 1500^oC. Так же, как в предыдущем случае, менялись величины S в зависимости от R, то есть на форме у вершины конуса было S = 230 • R; S = 240 • R; S = 250 • R; S = 251 • R; S = 252 • R; S = 255 • R, а у основания конуса S = 1,3 • R; S = 1,1 • R; S = 1 • R; S = 0,9 • R; S = 0,8 • R; S = 0,6 • R. Величина R определялась в поперечных сечениях отливки через 40 мм, по соотношению

где d - диаметр отливки в поперечном ее сечении. В зависимости от R определялись величины S в соответствии с указанными выше соотношениями.

После принятия величины S в зависимости от R делались из бумаги выкройки, по которым раскраивался теплоизоляционный материал, затем производилась наклейка на форму этого материала послойно с учетом получения требуемой толщины S. Применялся огнеупорный клей, жидкое стекло, декстрин. Обмотка крепилась стеклолентой и проволокой.

У основания конуса имелась прибыльная часть. Жидкий металл поступал через прибыль в широкую часть отливки, которая размещалась в верхней части формы.

Полученные отливки были разрезаны. Бездефектными были отливки N 1, N 2, N 3, когда на форме у вершины конуса S ≤ 250 • R, а у основания S ≥ 1 • R.

Применение предложенного способа изготовления отливки по выплавляемым моделям позволило на 20-30% экономить металл по сравнению с известными способами в связи с уменьшением размеров прибылей, довести годность отливок до 90-100%, повысить в 1,1 - 1,5 раза прочность металла отливок, получать отливки без дефектов усадочного происхождения, с заданной структурой, без недолива металла в тонкостенных деталях. При производстве отливок из дорогих сплавов для ответственных целей в связи с повышением годности отливок и увеличением срока их эксплуатации экономическая эффективность повышается в 1,5-3 раза по сравнению с производством литья по выплавляемым моделям известными способами.

Предложенный способ изготовления отливки по выплавляемым моделям может использоваться при производстве разностенного художественного литья из алюминиевых, медных сплавов, драгоценных металлов и сплавов, неметаллических материалов.

Достигаемые технические результаты предлагаемого способа изготовления отливки по выплавляемым моделям - в следующей ниже таблице для случая изготовления турбинных лопаток из жаропрочных легированных сплавов.

Из таблицы следует, что положительный эффект от использования предлагаемого способа изготовления отливки по выплавляемым моделям достигается.

Изобретение предназначено преимущественно для получения турбинных лопаток из жаропрочной легированной стали литьем по выплавляемым моделям. Керамическую огнеупорную оболочку облицовывают гибким теплоизоляционным материалом из огнеупорного волокна системы Al₂O₃-SiO₂. Толщину S гибкого теплоизоляционного материала переменно изменяют по высоте в зависимости от величины R отношения площади сечения стенки отливки к периметру сечения. Для тонкого сечения отливки при толщине стенки 0,5 мм выбирается максимальное значение S = 250•R, а для толстого сечения отливки при толщине стенки до 50 мм - минимальное значение S = 1•R. В камеру засыпают сыпучий огнеупорный материал, на который устанавливают керамическую оболочковую форму. Стенки камеры охлаждают, поддерживая их постоянную температуру. Обеспечивается снижение расхода сплава на одну отливку, уменьшение брака литья, получение отливки без дефектов усадочного происхождения, с заданной структурой, повышение механических свойств отливки за счет направленной кристаллизации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления отливки по выплавляемым моделям, преимущественно турбинной лопатки из жаропрочной легированной стали, включающий изготовление керамической оболочковой формы, облицовывание формы теплоизоляционным материалом из огнеупорного волокна системы Al₂O₃ - SiO₂, помещение облицованной формы в камеру, заливку жидкого расплава в форму, отличающийся тем, что керамическую оболочковую форму облицовывают гибким теплоизоляционным материалом из огнеупорного волокна толщиной S, равной 1 - 250 величины отношения площади сечения стенки отливки к периметру сечения, при этом толщину гибкого теплоизоляционного материала S переменно изменяют по высоте формы так, что для тонкого сечения отливки при толщине стенки 0,5 мм максимальное значение S = 250 • R, а для толстого сечения отливки при толщине стенки до 50 мм - минимальное значение S = 1 • R. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в камеру засыпают сыпучий огнеупорный материал, а на него устанавливают облицованную гибким теплоизоляционным материалом керамическую оболочковую форму. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что стенки камеры охлаждают и поддерживают постоянную температуру этих стенок.