Способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для получения точных отливок из химически активных и жаропрочных сплавов Российский патент 2021 года по МПК B22C9/04 B22C9/12 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления керамических оболочковых форм при литье по выплавляемым моделям для получения точных отливок из химически активных и жаропрочных сплавов.

Известен способ изготовления керамических оболочковых форм по выплавляемым моделям для точного литья химически активных тугоплавких жаропрочных сплавов (Патент RU №2631568, В22С 9/04; 2017). Способ включает формирование на модельном блоке оболочки с использованием кремнезольного связующего, огнеупорного наполнителя и обсыпочного материала, сушку слоев оболочки, вытопку модельного состава и прокалку оболочки. В качестве связующего используют кремнезоль основной, а в качестве огнеупорного наполнителя и обсыпочного материала - оксид иттрия. После нанесения каждого слоя осуществляют его пропитку водным раствором алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) при одновременном воздействии на указанный раствор ультразвуком с интенсивностью 10…15 кВт/м². Достигается ускорение цикла формообразования и повышение термохимической устойчивости керамических оболочковых форм к заливаемым в вакууме никелевым жаропрочным и титановым сплавам, в том числе интерметаллидным сплавам системы «титан-алюминий».

Основным недостатком данного способа является наличие в облицовочных слоях формы диоксида кремния, который в условиях заливки форм металлом и на начальном этапе затвердевания отливки в вакууме с остаточным давлением 1,3…0,13 Па при температуре выше 1400°С подвергается термической диссоциации с образованием атомарного кислорода, который интенсивно окисляет химически активные компоненты сплава, а кремний насыщает поверхностный слой металла. В результате на отливках образуются поверхностные дефекты, и видоизмененный слой, для удаления которого требуется трудоемкая и экологически вредная операция химического разрыхления и травления в токсичных растворах. Такие отливки нередко окончательно бракуются. Наличие в основном кремнезольном связующем оксида натрия, а также пропитка алюмоборфосфатным концентратом каждого слоя дополнительно увеличивает химическую активность форм к заливаемому металлу. Используемый в качестве наполнителя и обсыпочного материала оксид иттрия является дорогостоящим, дефицитным, ядовитым и нетехнологичным материалом. Кроме того, пропитка водным раствором АБФК нанесенного неотвержденного слоя на водном кремнезольном связующем приводит к его разрушению.

Известен способ изготовления бескремнеземных керамических оболочковых форм изготовление для литья из жаропрочных сплавов преимущественно на основе никеля, кобальта и ниобия лопаток газотурбинных двигателей и газотурбинных установок (Патент RU №2502578, В22С 9/04; 2013). На модельный блок наносят по крайней мере два слоя огнеупорной суспензии, следующего состава, мас.%: эпоксидная смола 2,0…10,0, отвердитель аминного типа 0,4…3,0, органический растворитель 10,0…30,0, огнеупорный наполнитель, выбранный из группы оксидов редкоземельных металлов, гафния, циркония или их смесь - остальное. Затем наносят слои суспензии на основе алюмоорганического связующего и электрокорунда. После нанесения каждого слоя суспензии проводят сушку при температуре 40…100°С. Прокалку керамической формы осуществляют при температуре 1400…1900°С. Обеспечивается повышение качества отливок вследствие измельчения структуры сплавов, а также сокращение времени сушки керамического покрытия.

В данном техническом решении в качестве материала моделей возможно применение только водорастворимых моделей на основе мочевины., т.к. воскообразные модельные составы в процессе сушки при температуре 40…100°С расплавятся. При этом нельзя использовать водные связующие типа алюмозоля, кремнезоля, т.к. мочевина растворяется в воде в большом количестве. Для облицовочных слоев формы применялся дорогостоящий и дефицитный оксид гадолиния. Существенным недостатком способа является длительный цикл формирования формооболочки: сушка каждого слоя огнеупорного покрытия длится не менее часа. Высокотемпературная прокалка формооболочек при температурах 1400…1900°С энергозатратна и требует специального оборудования.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому изобретению является способ изготовления бескремнеземных керамических форм для точного литья особо ответственных жаропрочных и тугоплавких металлов по выплавляемым моделям, описанный в изобретении по патенту РФ №2411104, В22С 9/04; (2011). Данный способ выбран за прототип. Согласно нему, литейные керамические формы изготавливают следующим образом. 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 с органической составляющей 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.

Недостатком данного способа является длительный цикл формирования формооболочки, связанному с выдержкой и конвективной сушкой алюмоорганического связующего.

Технической задачей предлагаемого изобретения является ускорение формирования огнеупорной формооболочки на модельном блоке.

Поставленная задача достигается тем, что согласно предлагаемому способу, на модельный блок наносят огнеупорное покрытие в виде керамической суспензии на основе алюмозоля, не имеющего органической составляющей, и корундового наполнителя со спекающими добавками, делают обсыпку корундовым зернистым материалом, отличающийся тем, что после нанесения каждого слоя модельно-керамический блок подвергают вакуумированию до остаточного 0,506⋅10⁴ Па…5,065⋅10⁴ Па и выдерживают при этом давлении в течение 10…20 минут.

Вакуумирование нанесенного слоя суспензии способствует ускоренному и равномерному удалению воды (дисперсионной среды) из алюмозольного связующего со всех поверхностей по всем направлениям пространства, что ускоряет переход золя связующего в студень и гель, и, тем самым, обеспечивает высокую производительность процесса изготовления формооболочек.

Следует отметить, что в вакууме все поверхности нанесенного на модель слоя суспензии находятся в одинаковых условиях (P_oct = const) и процесс удаления воды из связующего на всех поверхностях формы протекает с одинаковой скоростью. Следовательно, и скорость перехода золя в гель на всех поверхностях протекает с одинаковой скоростью. Это исключает напряжение в слое и его растрескивание.

Дополнительное воздействие парами аммиака способствует химической коагуляции алюмозольного связующего и делает его необратимым, что предотвращает возможное разупрочнение формы при удалении модельного состава в водной среде.

В заявленном способе дополнительное химическое отверждение алюмозольного связующего в литейной форме парами аммиака ускоряет отверждение алюмозоля, что делает процесс его отверждения связующего необратимым. Алюмозоль твердеет в процессе удаления из него воды, а воздействие аммиака после вакуумирования формы усиливает эффект отверждения. Дополнительное химическое отверждение аммиаком снижает негативное влияние влажной среды при удалении воскообразного модельного состава из формооболочки, что положительно сказывается на прочности форм до прокалки (так называемой «сырой прочности» форм).

Дополнительная пропитка огнеупорного покрытия после нанесения последнего слоя водным раствором поливинилацеталя повышает прочность керамической формы до прокалки. Пропитка формооболочки водным раствором поливинилацеталя после нанесения и сушки последнего слоя огнеупорного керамического покрытия также снижает негативное влияние влажной среды при удалении воскообразного модельного состава из формооболочки и положительно сказывается на «сырой прочности» форм.

Способ осуществляется следующим образом. Суспензия готовится на алюмозольном связующем, например, «Алюмозоль А» (ТУ 2163-007-61801487-2009°) и огнеупорном наполнителе, смеси порошков электрокорунда. В суспензию вводится также смачиватель и пеногаситель в количестве 0,01 % мас. от количества алюмозоля. Для повышения прочности форм после прокалки вводятся спекающие добавки - алюминиевый порошок АСД-4 ТУ 1791-99-019-98 в количестве 1…3 % мас. от массы корундового наполнителя и диоксид титана ГОСТ 9808-84 в количестве 1…3 % мас. от массы корундового наполнителя. Условная вязкость суспензии по вискозиметру ВЗ-4 составляет для облицовочных слоев 35…50 с, для последующих слоев 25…35 с. Суспензию наносят окунанием, затем производят обсыпку зерном электрокорунда. После нанесения очередного слоя модельно-керамический блок помещают в вакуумную камеру, производят вакуумирование до остаточного давления 0,506⋅10⁴…5,065⋅10⁴ Па и выдерживают при этом остаточном давлении в течение 10…20 минут В процессе вакуумирования происходит быстрое удаление свободной воды из алюмозоля и его переход в студень, а затем в гель. Вакуумирование менее 10 минут не приводит к достаточному обезвоживанию алюмозоля. Вакуумирование более 20 минут не повышает эффективности процесса, а приводит к снижению производительности и лишним энергозатратам. Вакуумирование рабочего пространства вакуумной камеры в пределах остаточного давления 0,506⋅10⁴…5,065⋅10⁴ Па является оптимальным. Более глубокое вакуумирование (до остаточного давления менее 0,506⋅10⁴ Па) может привести к появлению трещин на огнеупорном слое формооболочки вследствие быстрого испарения влаги из алюмозоля. Менее глубокий вакуум (остаточное давление более 5,065⋅10⁴ Па) не удаляет эффективно влагу из алюмозоля.

Обработка огнеупорного слоя на модельно-керамическом блоке с алюмозольным связующим, имеющим кислую среду, щелочными парами аммиака после вакуумирования усиливает процессы гелеобразования и гарантированно предотвращает обратный перехода в золь при нанесении следующего слоя суспензии. Для этого после проведения вакуумирования отключают вакуумный насос и в рабочее пространство вакуумной камеры подают пары аммиака с целью обеспечения необратимости процесса гелеобразования алюмозольного связующего. Аммиак испаряют из емкости с водным раствором аммиака, подключая её к вакуумной камере, или подают из баллона через редуктор. Обработка менее 5 минут не дает положительного эффекта химического отверждения, а обработка более 10 минут не повышает эффективность, а снижает производительность процесса. Остаточное давление газообразного отвердителя менее 2,026⋅10⁴ Па не дает нужного эффекта вследствие недостаточной концентрации отвердителя, а давление более 6,078⋅10⁴ Па не повышает эффективности процесса.

Пропитка керамической формооболочки раствором поливинилацеталя позволяет снизить негативное влияние на неё перегретого пара с разупрочняющим эффектом в процессе удаления модельной массы из формооболочки в бойлерклаве. Для этого после нанесения и отверждения последнего слоя огнеупорной суспензии модельно керамический блок погружают в емкость с водным раствором поливинилацеталя плотностью 1100…1200 кг/м³ и выдерживают в нем в течение 0,5…1,5 минут. Раствор поливинилацеталя пропитывает керамическую оболочку, заполняет поры керамики и, таким образом, предотвращает разупрочнение её нагретым паром в процессе удаления модельной массы в бойлерклаве. Плотность раствора поливинилацеталя менее 1100 кг/м³ не создает достаточно эффективной защиты от разупрочнения при воздействии перегретого пара в бойлерклаве, раствор плотностью более 1200 кг/м³ обладает повышенной вязкостью и недостаточно проникает в поры керамики. Выдержка в растворе менее 0,5 мин не позволяет полностью пропитать керамическое покрытие, выдержка более 1,5 мин не повышает эффективности пропитки, а снижает производительность процесса.

Приведены примеры практической реализации осуществления заявляемого способа изготовления керамических форм по выплавляемым для получения точных отливок из химически активных и жаропрочных сплавов.

Пример 1. Изготавливают отливку «Турбоколесо» из сплава ВЖЛ 12У-ВИ. Модель отливки получают запрессовкой модельного состава МВС-15 в металлическую пресс-форму. На модельные блоки (в количестве 10 штук, в каждом блоке одна отливка) наносят слои огнеупорной суспензии следующего состава, мас. %: алюмозольное связующее «Алюмозоль А» ТУ 2163-007-61801487-2009 25,0, смачиватель ОП-10 ТУ2483-001-44941761-2014 в количестве 0,01 % от массы алюмозоля, пеногаситель Мента-462 марки А ТУ 2257-058402450-42-2003 в количестве 0,01 % от массы алюмозоля, огнеупорный наполнитель - смесь микропорошков электрокорунда 75,0 % мас. Спекающие добавки: порошок АСД-4 ТУ 1791-99-019-98 в количестве 2 % мас. от массы корундового наполнителя и диоксид титана ГОСТ 9808-84 в количестве 2 % мас. от массы корундового наполнителя. Условная вязкость суспензии по вискозиметру ВЗ-4 составляет для первых двух слоев 40 с, для последующих слоев 30 с. Суспензию наносят окунанием, затем производят обсыпку в «кипящем слое» зернистым электрокорундом.

Сушку (обезвоживание) слоев производят в вакуумной камере в течение 10 мин с остаточным давлением 5,065⋅10⁴ Па. За счет снижения остаточного давления значительно ускоряется процесс испарения свободной воды из интермицеллярного пространства алюмозольного связующего. Вакуумную камеру открывают, извлекают модельно-керамические блоки и производят нанесение следующего слоя. Всего наносят десять слоев покрытия, десятый слой «стек» окунанием в суспензию без обсыпки зернистым электрокорундом. Модельный состав вытапливают в бойлерклаве. Прокалку керамических форм проводят при температуре 1300…1350°С без опорного наполнителя в течение трех часов. Плавку металла и заливку форм производят в вакуумной индукционной плавильно-заливочной установке УППФ-3. Формы заливают при температуре металла 1590°С в вакууме с остаточным давлением 0,13 Па. После охлаждения отливки очищают от остатков керамики, затем проводят пескоструйную очистку. Изготовлено 10 отливок. 9 отливок признаны полностью годными, на одной отливке отмечена повышенная шероховатость поверхности, вероятно, вследствие нарушения сплошности рабочего слоя формооболочки. Весь цикл формирования огнеупорных слоев керамической оболочки на модельном блоке составляет 220 минут.

Пример 2. Операции повторяют согласно примеру 1. Изменяют параметры отверждения огнеупорного покрытия. Сушку (обезвоживание) слоев производят в вакуумной камере в течение 15 мин с остаточным давлением 3,033⋅10⁴ Па. Девять отливок признаны годными. На одной отливке наблюдался дефект «нарост», вероятно, по причине нарушения сплошности рабочего слоя формооболочки. Весь цикл формирования огнеупорных слоев керамической оболочки на модельном блоке составляет 290 минут.

Пример 3. Повторяют операции согласно примеру 1. Изменяют только параметры отверждения огнеупорного покрытия. Сушку слоев производят в вакуумной камере в течение 20 мин с остаточным давлением 0,506⋅10⁴ Па. Все отливки признаны годными, дефектов по вине литейной формы не обнаружено. Весь цикл формирования десяти огнеупорных слоев керамической оболочки на модельном блоке составляет 370 минут.

Примеры 4,5,6. Повторяют операции соответственно по примерам 1, 2, 3. Дополнительно после вакуумирования в рабочее пространство вакуумной камеры подают аммиак. Напуск паров аммиака ведут до достижения остаточного давления в рабочем пространстве вакуумной камеры соответственно 2,026⋅10⁴ Па (Пример 4); 4,052⋅10⁴ Па (Пример 5) и 6,078⋅10⁴ Па (Пример 6). Молекулы аммиака создают щелочную среду на поверхности и в порах огнеупорного покрытия, нейтрализуют стабилизирующие нитрат-ионы, взаимодействуют с мицеллами алюмозольного связующего, усиливая его коагуляцию и переход в состояние необратимого геля. Обработку парами аммиака производят соответственно в течение 5 минут (Пример 4); 7 минут (Пример 5) и 10 минут (Пример 6). Затем аммиак откачивают в нейтрализатор, вакуумную камеру продувают и соединяют с атмосферой.

Весь цикл формирования десяти огнеупорных слоев керамической оболочки на модельном блоке составляет соответственно 320 минут (Пример 4); 400 минут (Пример 5) и 510 (Пример 6).

Все отливки признаны годными.

Повторяют основные операции соответственно по примерам 4,5,6.

Дополнительно после сушки последнего слоя модельно-керамический блок погружают в раствор поливинилацеталя.

Пример 7. Дополнительно к операциям по примеру 4 пропитывают керамическую формооболочку раствором поливинилацеталя ТУ2242-033-45860602-2011 плотностью 1100 кг/м³ погружением модельно-керамического блока в емкость с раствором поливинилацеталя в течение 0,5 мин. После пропитки модельно-керамического блока раствором поливинилацеталя производится его сушка на воздухе в течение 30 минут. Весь цикл формирования огнеупорных слоев керамической оболочки на модельном блоке составляет соответственно 355 минут.

Пример 8. Дополнительно к операциям по примеру 5 пропитывают керамическую формооболочку раствором поливинилацеталя ТУ2242-033-45860602-2011 плотностью 1150 кг/м³ погружением модельно-керамического блока в емкость с раствором поливинилацеталя в течение 1 мин. Весь цикл формирования огнеупорных слоев керамической оболочки на модельном блоке составляет соответственно 435 минут

Пример 9. Дополнительно к операциям по примеру 6 пропитывают керамическую формооболочку раствором поливинилацеталя ТУ2242-033-45860602-2011 плотностью 1200 кг/м³ погружением модельно-керамического блока в емкость с раствором поливинилацеталя в течение 1,5 мин. Весь цикл формирования огнеупорных слоев керамической оболочки на модельном блоке составляет соответственно 550 минут.

Все отливки признаны годными.

Все отливки признаны годными, брака по вине литейной формы нет.

Также изготавливали формы по способу прототипа. Цикл формирования десяти огнеупорных керамической оболочки составляет минимум 3200 минут.

Изобретение относится к области литейного производства. Способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для литья химически активных сплавов включает послойное нанесение на модельный блок керамической суспензии на основе алюмозоля и корундового наполнителя со спекающими добавками и обсыпку корундовым зернистым материалом. После нанесения каждого слоя модельно-керамический блок подвергают вакуумированию до остаточного давления 0,506⋅10⁴-5,065⋅10⁴ Па в течение 10-20 минут. Обеспечивается ускорение формирования керамической оболочковой формы на модельном блоке. 2 з.п. ф-лы, 9 пр.

1. Способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для литья химически активных сплавов, включающий послойное нанесение на модельный блок керамической суспензии на основе алюмозоля и корундового наполнителя со спекающими добавками, обсыпку корундовым зернистым материалом, отличающийся тем, что после нанесения каждого слоя полученный модельно-керамический блок подвергают вакуумированию до остаточного давления 0,506⋅10⁴-5,065⋅10⁴ Па в течение 10-20 минут.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после вакуумирования модельно-керамический блок подвергают обработке парами аммиака – газообразного отвердителя алюмозольного связующего в течение 5-10 минут с внешним давлением газообразного отвердителя 2,026⋅10⁴-6,718⋅10⁴ Па.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после нанесения последнего слоя огнеупорного покрытия керамическую формооболочку пропитывают водным раствором поливинилацеталя плотностью 1100-1200 кг/м³ погружением в течение 0,5-1,5 минут.