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

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления керамических оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве особо ответственных отливок из химически активных сталей и сплавов.

В настоящее время промышленно выпускаемыми и широко применяемыми связующими материалами являются технические этилсиликаты и кремнезоли, образующие после прокаливания диоксид кремния, наличие которого в керамической форме крайне нежелательно.

В процессе заливки и охлаждения расплава происходит интенсивное взаимодействие металла с диоксидом кремния керамической оболочки, что приводит к образованию на поверхности отливки трудноустранимых питтинг-дефектов, выявляющихся на различных стадиях технологического процесса изготовления деталей, повышению шероховатости поверхности и снижению коррозионной стойкости металла.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ изготовления комбинированных керамических форм по выплавляемым моделям, где в качестве суспензии для первых двух слоев используют связующее гидролизованный раствор этилсиликата, а для последующих слоев суспензию с жидким стеклом (Пат. РФ 2302311, В22С 9/04, 2007 г.).

Данное техническое решение обладает существенными недостатками:

- в процессе литья происходит физико-химическое взаимодействие материала оболочковой формы с расплавленным металлом. При этом глубина взаимодействия, определяемая толщиной металлооксидного слоя, зависит от состава жаропрочного сплава, содержания SiO₂ в оболочковой форме, ее структуры и может достигать 200 мкм;

- при нанесении жидкостекольного слоя на этилсиликатный, связующее мигрирует через поры этилсиликатных слоев к рабочей поверхности формы, тем самым снижая качество поверхности отливок из-за взаимодействия заливаемого сплава с оксидом натрия, содержащимся в жидком стекле;

- в процессе нагрева жидкостекольные слои претерпевают усадку, что вызывает напряжения в оболочковой форме, способные привести к трещинам и разупрочнению форм.

Задачей данного изобретения является улучшение качества литья по выплавляемым моделям за счет снижения химического взаимодействия на границе металл-форма, ликвидации питтинг-дефектов при производстве отливок из химически активных сталей и сплавов, повышение термостойкости, прочности керамической оболочки, улучшение выбиваемости отливок.

Указанная задача решается таким образом, что способ изготовления керамических оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве особо ответственных отливок из жаропрочных и тугоплавких металлов с равноосной структурой, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда, последующую обсыпку каждого слоя зернистым электрокорундом, сушку слоев керамической формы, удаление модели и прокалку керамической формы, отличается тем, что керамическую оболочковую форму изготавливают комбинированной, первые два слоя наносят с использованием в керамической суспензии алюмоорганическое связующее:

RO{[-Al(OR)-О-]_x[-Al(OR*)-О-]_y}_zH,

где z=3÷100; х+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; С(СН₃)=СНС(O)OC_nH_2n+1,

при этом сушку слоев проводят с выдержкой в камере с влажностью не менее 95% - для первого слоя 1 час, второго слоя - 3 часа и последующей конвективной сушкой каждого слоя в течение часа, причем последующие слои выполняют с использованием в качестве связующего гидролизованный раствор этилсиликата, а прокаливание комбинированных керамических форм проводят при температуре 1250-1350°С в течение 4-6 часов.

В целях экономии алюмоорганического связующего, снижения себестоимости литья, улучшения выбиваемости, в качестве связующего для первого и второго слоев используют алюмоорганическое связующее, а для последующих слоев в качестве связующего - гидролизованный раствор этилсиликата.

Приготовление керамической суспензии на алюмоорганическом связующем осуществляется по патенту РФ №2082535, В22С 1/06, 1/16, 1997 г.

Изготовление керамических оболочковых форм производят последовательным окунанием модели в огнеупорную суспензию на алюмоорганическом связующем для первых двух лицевых слоев и на этилсиликатном связующем для последующих слоев и ее обсыпку огнеупорным зернистым материалом на основе электрокорунда.

Сушку первых двух керамических слоев на алюмоорганическом связующем 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. Вторая стадия - конвективная сушка до равновесного с окружающей средой влагосодержания. Сушку последующих слоев на этилсиликатном связующем проводят по общепринятой технологии.

Вытопка моделей из оболочковых форм производится любым известным способом.

Прокаливание керамических форм следует производить при температуре 1250-1350°С в течение 4-6 часов, что способствует выгоранию органических составляющих, присутствующих в форме и приданию оболочковой форме требуемых механических свойств.

Способы изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Предлагаемое изобретение было отработано в условиях литейного цеха при изготовлении керамической формы для производства отливок лопаток газотурбинного двигателя.

В качестве связующего для первых двух слоев покрытия использовали алюмоорганическое связующее с условным содержанием Al₂O₃ 11%.

На модельный блок послойно наносили керамическую суспензию, включающую в себя, мас.%:

алюмоорганическое связующее 25 огнеупорный наполнитель 75

с последующей обсыпкой каждого слоя зернистым электрокорундом.

После нанесения слоя производили сушку керамической формы в камере с влажностью 95% с последующей конвективной сушкой.

Последующие слои изготовляли с использованием суспензии на этилсиликатном связующем с сушкой каждого слоя в вакуумно-аммиачной камере. После нанесения последнего слоя следовала операция удаления модельного состава в бойлер-клаве.

Прокаливание керамической формы осуществляли при температуре 1280°С в течение 4 часов. Прокаленные формы были залиты сплавом ЖС6У при температуре 1530±10°С. Керамическую оболочку удаляли пескоструйной обработкой.

В дальнейшем, металлографическими исследованиями установлено, что при использовании комбинированной формы, слой взаимодействия между металлом отливки и оболочковой формой в ~7 раз меньше, чем на лопатках, изготовленных по серийной технологии, и не превышает 5 мкм.

Проведенные исследования рентгеновского спектра показали, что на лицевой поверхности комбинированной формы отсутствует диоксид кремний, диффундирующий из внутренних слоев, и содержание его равно тому количеству, которое присутствует в составе шихты микропорошков электрокорунда.

Исследования микроструктуры материала лопатки, полученной заливкой в комбинированную оболочковую форму, показали, что дисперсность дендритной структуры выше, по сравнению с контрольными лопатками. А также еще одной особенностью микроструктуры данной лопатки является уменьшение количества (γ-γ') - эвтектики в межосных зонах дендритов.

В табл.1 приведены сравнительные данные по толщине слоя пригара между металлом отливки и комбинированной оболочковой формой, а также этилсиликатной формой.

Пример 2.

Керамические формы изготовляли по технологии, указанной в примере 1. Прокаленные формы заливали сталью 08Х14Н7МЛ при 1600-1650°С

В результате, поверхность отливок, изготовленных по серийной технологии, была покрыта трудноустранимыми питтинг-дефектами, которые повышают шероховатость поверхности и снижают коррозионную стойкость металла.

Полученные же отливки в комбинированной форме не содержали на своей поверхности питтинг-дефектов.

Так же как и в примере 1, слой взаимодействия между металлом отливки и оболочковой формой в ~7 раз меньше, чем отливках, изготовленных по серийной технологии, и не превышает 5 мкм.

Таблица 1. Сравнительные данные по толщине слоя пригара между металлом отливки и оболочковой формой Связующее Заливаемый металл Температура заливки, °С Толщина металлооксидного слоя, мкм Гидролизованный раствор этилсиликата (ГРЭТС-40) ЖС6У 1530 21.5 Комбинированная форма: 1÷2 слой - алюмоорганическое связующее 3÷7 слои - ГРЭТС-40 2-5 Комбинированная форма: 1÷2 слой - алюмоорганическое связующее 3÷8 слои - ГРЭТС-40 08Х14Н7МЛ 1600-1650 4-5

Способ включает изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда, последующую обсыпку каждого слоя зернистым электрокорундом. Первые два слоя наносят с использованием в керамической суспензии алюмоорганического связующего: 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; С(СН₃)-СНС(O)OC_nH_2n+1, а последующие слои выполняют с использованием в качестве гидролизованного раствора этилсиликата. Сушку слоев проводят с выдержкой в камере с влажностью не менее 95% для первого слоя в течение 1 часа второго слоя - 3-х часов и последующей конвективной сушкой каждого слоя. Прокалку керамической формы проводят при температуре 1250-1350°С в течение 4-6 часов. Обеспечивается повышение термостойкости и прочности керамической оболочки. 1 табл.

Способ изготовления керамических оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве особо ответственных отливок из жаропрочных и тугоплавких металлов с равноосной структурой, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда, последующую обсыпку каждого слоя зернистым электрокорундом, сушку слоев керамической формы, удаление модели и прокалку керамической формы, отличающийся тем, что керамическую оболочковую форму изготавливают комбинированной, первые два слоя наносят с использованием в керамической суспензии алюмоорганического связующего:
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; С(СН₃)=СНС(O)OC_nH_2n+1, при этом сушку первых двух слоев проводят в камере с влажностью не менее 95% с выдержкой для первого слоя - 1 ч, второго слоя - 3 ч и последующей конвективной сушкой каждого слоя, последующие слои наносят с использованием в качестве связующего гидролизованного раствора этилсиликата, а прокаливание комбинированных керамических форм проводят при температуре 1250-1350°С в течение 4-6 ч.