СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕСКРЕМНЕЗЕМНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ ДЛЯ ТОЧНОГО ЛИТЬЯ МЕТАЛЛОВ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ Российский патент 2011 года по МПК B22C9/04 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления бескремнеземных оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве особо ответственных отливок из жаропрочных и тугоплавких металлов с направленной и монокристаллической структурой.

В отличие от равноосного литья, при котором внутренние слои прогреваются до 1350-1380°С, при направленной кристаллизации форма перед заливкой металлом нагревается до 1500-1600°С. Длительное пребывание ее в условиях высоких температур и гидростатических давлений расплавленного металла может приводить к деформации, растрескиванию или разрушению формы. Ввиду высокой химической активности легирующих элементов жаропрочных сплавов между металлом и формой происходит физико-химическое взаимодействие. В связи с этим к керамической форме, используемой при литье деталей с направленной и монокристаллической структурой, предъявляются повышенные требования по огнеупорности, прочности, деформационной и термохимической устойчивости (Пат. РФ 2274510, МПК B22C 1/00, 2006 г.; Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия). М.: МИСИС, 2001).

В настоящее время промышленно применяемыми связующими для изготовления корундовых форм являются этилсиликат и коллоидальный кремнезем, образующие диоксид кремния SiO₂. Присутствие в форме, состоящей из α-Al₂O₃, свободного SiO₂ является причиной недостаточной огнеупорности оболочковой формы выше 1400°С. Диоксид кремния взаимодействует с компонентами жаропрочного сплава и щелочными примесями в составе корунда, частично разлагается при высоких температурах в условиях вакуума. Форма размягчается вплоть до ее разрушения еще до окончательного формирования отливки.

Известен состав керамической суспензии, используемой для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве отливок с направленной структурой, содержащий раствор гидролизованного этилсиликата 20-40 мас.%, алюминиевый порошок 1,5-8 мас.%, перхлорат калия 0,1-1,0 мас.% и огнеупорный наполнитель - остальное (А.с. СССР №1238880, МПК B22C 1/16, 1986 г.).

Данное техническое решение обладает существенными недостатками. Во-первых, необходимость создания в литейных цехах участка гидролиза этилсиликата с целью получения связующего, что делает процесс более трудоемким. Во-вторых, использование этилсиликатного связующего требует вакуумно-аммиачной сушки керамических слоев оболочковой формы. В-третьих, связующие растворы этилсиликата и суспензии, изготовленные на их основе, обладают ограниченной живучестью (не более 7 суток), склонны к огеливанию при незначительных нарушениях условий их эксплуатации, что повышает себестоимость керамических форм за счет значительных безвозвратных потерь материалов. В-четвертых, значительная степень взаимодействия внутреннего слоя керамической формы с расплавом из-за наличия диоксида кремния в этилсиликатном связующем.

Известен способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для литья отливок с направленной структурой, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии, обсыпку каждого слоя огнеупорным материалом, сушку, удаление модели, пропитку формы упрочняющим раствором и прокалку при температуре 1150-1350°С в течение 4-8 часов (Пат. РФ 2343038, МПК В22С 9/04, 2007 г.).

Наиболее близкий по достигаемому результату и принятый нами за прототип является способ изготовления бескремнеземных оболочковых форм, включающий послойное нанесение на воскообразную модель суспензии на основе эпоксидной смолы в органическом растворителе, обсыпку ее огнеупорным материалом, сушку слоев керамической формы в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (СВЧ), удаление воскообразной модели в поле СВЧ в два этапа (Пат. РФ №2285575, В22С 9/04, 2006 г.).

Недостатком известного изобретения является экологическая вредность из-за использования эпоксидного связующего. Предельно допустимая концентрация эпоксидного связующего в области рабочей зоны составляет ПДК=0,8-1,0 мг/м³.

Задачей данного изобретения является улучшение качества литья по выплавляемым моделям за счет повышения термостойкости и огнеупорности, повышения живучести суспензии, улучшение качества получаемых отливок в процессе направленной кристаллизации, сокращение расходов на их доработку, улучшение экологической безопасности при работе с суспензией.

Для достижения поставленной задачи предложен способ изготовления бескремнеземных керамических форм по выплавляемым моделям, включающий изготовление модели, послойное нанесение на воскообразную модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда в качестве наполнителя и алюмоорганического связующего, последующую обсыпку каждого слоя зернистым материалом на основе электрокорунда, сушку слоев керамической формы, удаление модели и прокалку керамической формы, отличающийся тем, что сушку слоев оболочковой формы проводят с выдержкой в камере с влажностью не менее 95% - для первого слоя 1 час, второго слоя - 3 часа, остальных - 4-6 часов и последующей конвективной сушкой каждого слоя в течение часа, прокаливание керамических форм проводят при температуре 1000-1350°С в течение 4-6 часов, причем керамическая суспензия содержит в качестве связующего алкоксиалюмоксановые олигомеры общей формулы:

RO{[-Al(OR)-О-]_x[-Al(OR*)-О-]_y}_zH,

где z=3÷100; х+у=1; R*/Al=0,05÷0,95; R=C_nH_2n+1; n=1÷4; R*=С(СН₃)=СНС(O)C_nH_2n+1.

Бескремнеземное алюмоорганическое связующее получают по патенту РФ №2276155, C07F 5/06, 2006 г., а приготовление керамической суспензии осуществляется по патенту РФ №2082535, В22С 1/06, 1/16, 1997 г.

Изготовление керамических оболочек производят последовательным окунанием модели в суспензию и ее обсыпку огнеупорным зернистым материалом на основе электрокорунда.

Сушку каждого керамического слоя проводят в две стадии. Первую стадию проводят в камере с повышенной влажностью (не менее 95%): выдержка первого слоя - до 1 час, второго - до 3 часов, последующие - 4-6 часов. Вторая стадия - конвективная сушка до равновесного с окружающей средой влагосодержания.

Модельная масса выплавляется методом СВЧ-нагрева, либо в расплаве модельной массы, либо в бойлер-клаве.

Большое значение на получение качественной керамической формы оказывают температура и время прокалки оболочки. Прокаливание керамических форм следует производить при температуре 1000-1350°С в течение 4-6 часов, что способствует выгоранию органических составляющих, присутствующих в форме.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

В лабораторных условиях был изготовлен блок из воскообразной модельной массы. На него послойно наносили керамическую суспензию, включающую в себя, мас.%:

алюмоорганическое связующее 25 активатор, АСД-4 7 огнеупорный наполнитель остальное,

с последующей обсыпкой каждого слоя зернистым электрокорундом. Также, с целью оценки связующих свойств, были изготовлены образцы оболочковой формы для испытаний на статический изгиб. После нанесения каждого слоя производили сушку керамической формы в камере с влажностью 95% с последующей конвективной сушкой. После нанесения последнего слоя следовала операция удаления модельного состава, для чего форма погружалась в расплав модельной массы. Керамическую форму прокаливали при температуре 1350°С в течение 4 часов.

В результате получили керамическую форму, обладающую достаточной прочностью для сохранения геометрических параметров в процессе направленного затвердевания отливки. После охлаждения формы и удаления керамики пригар полностью отсутствовал.

Остальные примеры выполнены аналогично примеру 1, данные приведены в таблице 1. Во всех случаях слой взаимодействия на границе металл-форма отсутствовал.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления керамической оболочковой формы имеет следующие преимущества:

- позволяет получать бескремнеземную высокотермостойкую огнеупорную корундовую форму с необходимыми механическими характеристиками;

- алюмоорганическое связующее является готовым связующим, и поэтому не требует дополнительной доработки в условиях литейного производства;

- использование алюмоорганического связующего позволяет увеличить живучесть суспензии (срок хранения суспензии в герметично закрытой таре практически не ограничен);

- использование алюмоорганического связующего позволяет повысить экологическую безопасность (за счет устранения летучих кислот и аммиачной среды при сушке слоев покрытия);

- обеспечивает вовлечение в оборот до 95% возврата сырья;

- исключает образование пригара на границе металл-форма.

Таблица 1 Состав и физико-механические характеристики керамических форм. № пп. Состав керамической суспензии Температура прокаливания оболочковых форм, °С 20 1000 1250 1350 Связующее, мас.% АСД-4, мас.% Наполнитель Предел прочности при статическом изгибе, МПа 1 25 5 Ост. 2,2 4,2-4,5 7,0 11,8 2 25 7 Ост. 2,4 4,8 7,4 15,5 3 25 10 Ост. 2,7 5-5,4 9,4 19,2 4 25 12 Ост. 3,0 5,5-5,8 14,1 20,5

Способ включает изготовление модели, послойное нанесение на воскообразную модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда в качестве наполнителя и алюмоорганического связующего, последующую обсыпку каждого слоя зернистым материалом на основе электрокорунда. Сушку слоев керамической формы проводят с выдержкой в камере с влажностью не менее 95% первого слоя в течение 1 часа, второго слоя - 3-х часов, остальных - 4-6 часов и последующей конвективной сушкой каждого слоя. Прокалку керамической формы проводят при температуре 1000-1350°С в течение 4-6 часов. В качестве связующего используют алкоксиалюмоксановые олигомеры общей формулы: RO{[-Al(OR)-O-]_x[-Al(OR*)-O-]_y}_zH, где z=3÷100; x+y=1; R*/Al=0,05÷0,95; R=C_nH_2n+1; n=1÷4; R*=С(СН₃)=СНС(O)C_nH_2n+1. Обеспечивается повышение термостойкости и прочности керамической оболочки. 1 табл.

Способ изготовления бескремнеземных керамических форм для литья по выплавляемым моделям, включающий изготовление модели, послойное нанесение на воскообразную модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда в качестве наполнителя и алюмоорганического связующего, последующую обсыпку каждого слоя зернистым материалом на основе электрокорунда, сушку слоев керамической формы, удаление модели и прокалку керамической формы, отличающийся тем, что сушку слоев оболочковой формы проводят в камере с влажностью не менее 95%, с выдержкой для первого слоя 1 ч, второго слоя - 3 ч, остальных - 4-6 ч и последующей конвективной сушкой каждого слоя, прокаливание керамических форм проводят при температуре 1000-1350°С в течение 4-6 ч, причем керамическая суспензия содержит в качестве связующего алкоксиалюмоксановые олигомеры общей формулы
RO{[-Al(OR)-O-]_x[-Al(OR*)-O-]_y}_zH,
где z=3÷100; x+y=1; R*/Al=0,05÷0,95; R=C_nH_2n+1; n=1÷4;
R*=С(СН₃)=СНС(O)C_nH_2n+1.