СПОСОБ УДАЛЕНИЯ КОРУНДОВЫХ И КВАРЦЕСОДЕРЖАЩИХ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ ИЗ ВНУТРЕННИХ ПОЛОСТЕЙ ОТЛИВОК Российский патент 2000 года по МПК B22D29/00 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано в литейных цехах, где применяется технология литья по выплавляемым моделям, а именно к удалению керамических стержней из внутренней полости отливок, в частности рабочих лопаток, отливаемых методом направленной кристаллизации; и в частности, к производству керамических изделий на основе окиси алюминия и окиси кремния твердофазовым спеканием и может быть использовано, например, для удаления керамических стерней из внутренних полостей сложных профильных деталей.

Известен способ (Известно: "Смесь и способ изготовления керамических стержней" по заявке N 96109811/02 (015860) от 21.05.96, кл. B 22 C 9/10, B 22 C 1/06, B 22 C 1/00, B 22 C 3/00, B 22 C 1/00), используемый преимущественно при изготовлении стержней, оформляющих внутреннюю полость керамических стержней, преимущественно для лопаток их жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей, получаемых методом направленной кристаллизации, включающей твердофазное спекание сформованных с пластификатором пылевидного кварца и электрокорунда и имеющего защитное покрытие, термохимически устойчивого к жаропрочным сплавам в условиях высокотемпературной заливки в вакууме, сложности цикла технологического процесса.

Недостатком является то, что при литье методом направленной кристаллизации в печах типа ПМП-2, ПМП-4 стержень испытывает воздействие высоких температур при 1550-1560^oC в течение 4-5 часов. В этих условиях стержень, изготовленный по известному способу, трудно удаляют из полости отливок и преимущественно удаляют в бифториде калия по известному техническому решению ("Способ удаления высокопрочных керамических стержней из отливок", N 1220222, B 22 D 29/00, С 23 G 1/14).

К числу существенных недостатков литья по выплавляемым моделям также относится сложность очистки отливок от остатков керамики. Особенно это относится к отливкам сложной конфигурации, имеющим внутренние полости и каналы. Значительную сложность предоставляет очистка от керамики литых охлаждаемых лопаток турбины. Качество таких лопаток во многом определяется составом керамических стержней, оформляющих каналы охлаждения. Наиболее полно требованиям литья охлаждаемых лопаток, особенно полученных направленной кристаллизацией сплава, отвечают стержни, получаемые из корунда и кварца твердофазовым спеканием, но удаление таких стержней из лопаток вызывает значительные затруднения из-за их высокой прочности и химической стойкости. В настоящее время наиболее эффективным является способ очистки отливок с использованием бифторида калия по ОСТУ 1.42164-83 "Удаление керамических стержней из лопаток в расплаве бифторида калия. Типовой технологический процесс. "Однако в связи с резким ростом объемов производства охлаждаемых лопаток с направленной кристаллизацией, значительным удельным расходом и дефицитностью бифторида калия остро возникла проблема по сокращению его в процессе удаления стержней. В известном способе удавления в бифториде калия достигнуты задачи повышения качества очистки отливок при повышении или стабилизации реакционной способности расплава бифторида калия введением в него химически активных добавок или снижением удельного расхода бифторида калия, снижение трудоемкости процесса, интенсификации процесса. Но основным недостатком этого процесса остаются:
# экологическая опасность процесса и загрязнения окружающей среды;
# трудности захоронения отработанных составов;
# дефицитность, дороговизна и удельный расход компонентов.

Известен способ очистки отливок от керамики (а.с. N 663758, C 23 G 1/28, "Способ очистки отливок от керамики", авторы Б.Ф.Дмитрук, О.Г.Зарубицкий, Г. Ф. Бондаренко и др.), в котором процесс очистки проводят в расплаве щелочи при температуре 500-560^oC и периодическом введении в расплав 1-2% BaC₂.

Недостатком является сложность очистки: не обеспечивает очистку отливок от электрокорундовых стержней, полученных методом твердофазового спекания; высокие затраты из-за высокого удельного расхода реагента.

Известен способ очистки отливок от керамики (а.с. N 997975, B 22 D 29/00, B 22 C 9/04 "Способ очистки отливок от керамики" , авторы В.С.Болычев, Б. Ж.Танкелевич, Д.Ф.Чикова и др.), в котором очистку производят путем последовательной обработки в кипящем водном растворе гидроокиси натрия, а затем в расплаве реагента.

Недостатком является неэффективность для электрокорундовых стержней, высокие затраты через повышенный расход сырья (материалов).

Известен способ удаления тугоплавких стержней (патент США N 4552188, B 22 D 29/00 "Способ удаления тугоплавких стержней отливок водным раствором гидрооксида или гидрида металла типа Na, K, Li") из отливок в результате травления в ванне с водным раствором гидрооксида или гидрида металла типа натрия, калия или лития. Основным недостатком является длительность процесса, но способ приемлем для разупрочнения керамики.

Прототипом является способ удаления корундовых керамических стержней из внутренних полостей изделия в щелочных растворах (а.с. N 1738470, B 22 D 29/00 "Способ удаления корундовых керамических стержней из внутренних полостей изделий" авторы А.И.Иванов, Ю.П.Насекан, Г.И.Пейчев и др.). Сущность изобретения: отливки обрабатывают водными растворами щелочей при их концентрации в растворах гидроксидов 250-400 г/дм³ и температуре 250-450^oC. Данное техническое решение относится, именно, к удалению керамических стержней из внутренней полости изделий, отливаемых направленной кристаллизации. Промышленность перешла на тугоплавкие керамические стержни с физико-химическими свойствами, обеспечивающими требуемую термоустойчивость и прочность в условиях литья лопаток с направленной кристаллизацией. Данное техническое решение позволяет удалять стержни, состоящие практически из зерен электрокорунда (89,2% вес.) с тугоплавкой глинистой связкой. Выщелачивание происходит в автоклаве при температуре 250-450^oC. При температуре обработки 450^oC в автоклаве развивается давление, превышающее 100 МПа, что требует усложненной конструкции аппарата для выщелачивания.

Недостатком является сложность очистки: растравливание внутренней и внешней поверхности отливок: низкое качество: трещины, так как происходит воздействие щелочи при высокой температуре и давлении; сложность цикла технологического процесса: данное техническое решение требует специального оборудования, изолированного специального помещения; повышенные затраты, обусловленные повышенной энергоемкостью.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе удаления корундо- и кварцесодержащих керамических стержней, включающем обработку отливок водным раствором щелочи, согласно изобретению обработку осуществляют кипящим раствором с концентрацией щелочи 565-600 г/дм³ с присадкой раствора этановой кислоты при концентрации ее в выщелачивающем растворе 10,2-15,29 г/дм³ в течение не менее 20 ч.

Способ осуществляют следующим образом.

Лопатки погружают в ванну с растворами 40-42% щелочи. Концентрация раствора щелочи 565-598 г/дм³. Обработку ведут при кипящей щелочи до полного растворения стержневой смеси. Для осуществления способа используют лопатки, полученные методом направленной кристаллизации из сплава ЖС-30.

Для удаления керамического стержня опробованы растворы щелочей с концентрацией щелочи от 480 г/дм³ до 600 г/дм³. Температура кипения раствора щелочи составляет до 160^oC. Раствор органической карбоновой кислоты готовят с содержанием 10,2 г/дм³ до выщелачивания, затем запускают в ванну. Время выщелачивания составляет от 16 до 26 часов.

Преимущество предлагаемого способа иллюстрируется приведенными ниже конкретными примерами осуществления способа в таблице. Выщелачивание производят в ванне с периодическим перемешиванием и удалением образующегося шлама. Максимальная продолжительность выщелачивания составляет не менее 25 часов.

Степень удаления керамического стержня контролируют рентгеновским методом, поверхность лопаток после выщелачивания исследуют известными микроструктурными, рентгенофазовыми и химическими методами исследования металлургических поверхностей.

Как видно из таблицы, предлагаемый способ позволяет удалить керамический стержень из внутренней полости отливки выщелачиванием с присадками органических карбоновых кислот в кипящем растворе щелочи, например КОН, с содержанием 598 г/дм³ в течение не менее 20-25 часов с содержанием в выщелачивающем растворе 10,2 г/дм³ этановой кислоты.

Использование предлагаемого изобретения позволяет:
1. Устранить длительность процесса очистки за счет того, что выщелачивание производят в ванне выщелачивания с интенсификацией процесса присадками карбоновых кислот в течение 20-25 часов.

2. Устранить сложность за счет того, что не используются автоклавы для выщелачивания и повышение температуры до 450^oC.

3. Упростить цикл технологического процесса за счет того, что не применяется сложное оборудование.

4. Уменьшить затраты за счет того, что понижается энергоемкость технологического процесса, отсутствуют затраты на сложное оборудование, сокращается время выщелачивания, повышается качество отливок.

5. Повысить качество за счет того, что удаление стержня происходит при воздействии щелочи в ваннах растравливания - отсутствует дефект растравливания внутренней и внешней поверхности отливок, трещины.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к литью по выплавляемым моделям с направленной кристаллизацией сложных профильных деталей, например лопаток. Удаление предварительно разупрочненных стержней из отливок осуществляют в кипящем растворе щелочи с концентрацией 565-600 г/дм³. В раствор добавляют этановую кислоту с концентрацией ее в выщелачиваемом растворе 10,2-15,29 г/дм³. Обработку осуществляют не менее 20 ч. Присадка этановой кислоты интенсифицирует процесс выщелачивания и не требует сложного оборудования. Обеспечивается также повышение качества отливок за счет отсутствия растравливания поверхностей отливок. 1 табл.

Способ удаления корундо- и кварцесодержащих керамических стержней из внутренних полостей отливок, включающий обработку отливок водным раствором щелочи, отличающийся тем, что обработку осуществляют кипящим раствором с концентрацией щелочи 565 - 600 г/дм³ с присадкой раствора этановой кислоты при концентрации ее в выщелачивающем растворе 10,2 - 15,29 г/дм³ в течение не менее 20 ч.