Суспензия для лицевого слоя керамической формы в литье по выплавляемым моделям (варианты) Российский патент 2023 года по МПК B22C1/02 B22C9/04 

Изобретение относится к литейному производства и может быть использовано для изготовления керамических форм в литье по выплавляемым моделям при производстве отливок из жаропрочных сплавов на никелевой основе.

Известен состав керамического слоя для изготовления литейных форм и других изделий (Патент RU 2603402, МПК В22С 9/04, публ. 27.11.2016), который содержит жидкую керамическую массу, содержащую (мас. %): 50-75% - керамический материал, представляющий собой смесь с распределением частиц по размеру, содержащую минимум 90% частиц размером менее 0,04 мм, имеющую следующий фазовый состав: 30-90% форстерита Mg₂SiO₄, 5-15% фаялита Fe₂SiO₄ и 5-65% смеси компонентов фазы, таких как хризолит 2(Mg_0,88Fe_0,12)SiO₂, энстатит MgSiO₃, тремолит Ca₂Mg₅Si₈O₂₂(OH)₂, рингвудит (Mg,Fe)₂, диопсид Ca(Mg,Al)(Si,Al)₂O₆ и другие, и 25-50% связующего, содержащего водный или водно-органический коллоидный раствор оксида металла и модификаторов.

Недостатком данного изобретения является отсутствие возможности его использования при изготовлении отливок из жаропрочных сплавов на никелевой основе. Формы, изготовленные из состава по указанному изобретению, используют для получения отливок из латуни, бронзы, чугуна, стали, алюминиевых и магниевых сплавов.

Известен способ изготовления керамических оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям (Патент RU №2532583, МПК В22С 9/04, публ. 10.11.2014), при осуществления которого для формирования одного или двух лицевых слоев формы используется керамическая суспензия, включающую кремнезоль кислый и плавленый кварц при следующем соотношении компонентов, об. %:

- кремнезоль кислый 37,0-41,0 - кварц плавленый 59,0-63,0

При изготовлении суспензии лицевых слоев формы вначале в бак-смеситель вливают кремнезоль кислый «Армосил К» (ТУ 2145-008-61801487-2010), затем при включенной мешалке порциями вводят наполнитель плавленый кварц «Экосил-мелур-1». После перемешивания замеряют вязкость суспензии вискозиметром ВЗ-4. Для лицевых слоев вязкость суспензии составляет 25…65 секунд. Покрытие наносят окунанием модельного блока в керамическую суспензию с последующей обсыпкой его зернистым материалом. Обсыпка лицевого слоя проводится плавленым кварцем «Экосил-мелур-2» зернистостью 0,063-0,125 мм в пескосыпах с псевдокипящим слоем. Сушка лицевого слоя производится в потоке воздуха с относительной влажностью 40-50% при температуре 20-30°С.

Недостатком указанного технического решения является сам материал лицевого слоя формы, а именно - кварц плавленый, обладающий самым низким коэффициентом термического расширения (КТР), из всех известных в литейном производстве материалов. Низкий КТР кварца плавленого играет негативную роль для лицевого слоя формы и приводит к его растрескиванию и осыпанию на различных этапах технологического процесса. Так разница КТР между кварцем (0,5×10^-6 1/°С) и электрокорундом (8,6×10^-6 1/°С) составляет более 17 раз, а между кварцем и концентратом дистен-силлиманитовым порошкообразным (5,0×10^-6 1/°С) около 10 раз. Кроме того, полиморфные превращения кварца, связанные с преобразованиями кристаллографической решетки кварцевой матрицы, происходят с весьма ощутимыми изменениями объема зерен кварца, что способствует нарушению целостности лицевого слоя и ослаблению его сцепления с последующими слоями формы, будь то электрокорунд или концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный, что, в свою очередь, приводит к браку засорного характера.

Известен способ изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям (Патент RU № 2754334, МПК В22С 1/02, В22С 9/12, публ. 01.09.2021), при осуществления которого на модельный блок наносят, по меньшей мере, один лицевой слой огнеупорной суспензии следующего состава, мас. %:

- кислое водно-коллоидное связующее 21,0-23,0 - микропорошок белого электрокорунда фракции F360 56,0-60,0 - микропорошок белого электрокорунда фракции F1000 или F1200 19,0-21,0,

при этом, сушку лицевого слоя производят на конвейере при влажности воздуха 50-55%, температуре 20-22°С и скорости воздушных потоков 0,5-1,0 м/с в течение 2-3 часов.

Недостатком данного изобретения является сама основа лицевого слоя в виде мелкодисперсных порошков электрокорунда, обладающего существенно более высоким КТР (8,6×10^-6 1/°С), чем тот же концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный (5,0×10^-6 1/°С), составляющий основу суспензий для последующих слоев форы, что приводит к ослаблению его сцепления с последующими слоями формы, что, в свою очередь, приводит к браку отливок по засорам. Кроме того, наличие в лицевом слое формы порошков электрокорунда, способствует образованию на поверхности отливок трудноудаляемого пригара, особенно при литье турбинных лопаток с направленной структурой.

Известен способ изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям (Патент RU № 2697678, МПК В22С 1/00, публ. 16.08.2019), при осуществлении которого на модельный блок наносят лицевой слой огнеупорной суспензии следующего состава, мас. %:

- электрокорунд F 1200 17 - электрокорунд F 320 28 - электрокорунд F 240 25

- модификатор - алюминат кобальта 10

- кремнезольное водное связующее «Keycote» 20

Указанный состав суспензии лицевого слоя обладает рядом недостатков. Во-первых, основу суспензии составляют порошки электрокорунда, придающие форме повышенную прочность и жесткость. Во-вторых, при получении длинномерных, тонкостенных отливок в литейных керамических формах, изготовленных с использованием приведенного состава суспензии, возможен брак отливок по горячим трещинам из-за повышенной жесткости материала формы. В-третьих, в изобретении использована традиционная тройная смесь порошков электрокорунда, при этом, порошки электрокорунда на порядок дороже других порошков; в-четвертых, в изобретении применяется импортное связующее «Keycote», обладающее очень ограниченным сроком годности.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и принятым за прототип является керамическая форма для литья по выплавляемым моделям (Патент RU № 2729229, МПК В22С 1/02, В22С 9/12, публ. 05.08.2020), у которой один лицевой слой огнеупорной суспензии содержит следующий состав, мас. %:

- кислое водно-коллоидное связующее 43,0-47,0 - концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный (КДСП) 53,0-57,0

Недостатком прототипа является основа лицевого слоя в виде концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП), применение которого не в состоянии обеспечить стабильность качества лицевого слоя формы, поскольку является минеральным сырьем природного происхождения, добывается открытым способом, чем объясняются его нестабильные как физические, так и химические свойства.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно при использовании прототипа, является низкое качество лицевого слоя керамических форм в литье по выплавляемым моделям, заключающееся в химической неоднородности и засорении его основы, т.е. КДСП, посторонними включениями.

Технической задачей заявляемого изобретения является получение лицевого слоя формы стабильно высокого качества, приводящее к снижению брака отливок по засорам, обеспечивающего высокую плотность и прочность лицевого слоя за счет применения керамического огнеупорного материала наполнителя керамических суспензий, обладающего стабильными физическими и химическими свойствами, адаптацию суспензии лицевого слоя к автоматизированному процессу изготовления форм, создание экологически безопасного и безотходного производства.

Техническая проблема решается за счет того, что суспензия для лицевого слоя керамической формы в литье по выплавляемым моделям, содержащая керамический огнеупорный материал и кислое водно-коллоидное связующее в виде водно-коллоидного раствора оксида металла, мас. %:

- кислое водно-коллоидное связующее 43,0-47,0

согласно изобретению, по первому варианту, включает керамический огнеупорный материал со следующим содержанием, мас. %:

- муллит плавленый 53,0-57,0,

при этом, плотность суспензии составляет 1,70-1,85 г/см³, вязкость суспензии составляет 60-70 с;

согласно изобретению, по второму варианту, включает керамический огнеупорный материал при следующих соотношениях, мас. %:

- поверхностный модификатор - алюминат кобальта 4,0-12,0 - муллит плавленый 45,0-49,0,

при этом, плотность суспензии составляет 1,70-1,85 г/см³, вязкость суспензии составляет 60-70 с.

По первому варианту:

Кроме того, согласно изобретению, применяют кислое водно-коллоидное связующее плотностью 1,168-1,189 г/см³, со средой pH 3,3-4,5, содержащее оксид металла SiO₂ в количестве 25,0-28,0%.

Кроме того, согласно изобретению, используют муллит плавленый порошкообразный с удельной поверхностью 3000-5000 см²/г.

По второму варианту:

Кроме того, согласно изобретению, применяют кислое водно-коллоидное связующее плотностью 1,168-1,189 г/см³, со средой pH 3,3-4,5, содержащее оксид металла SiO₂ в количестве 25,0-28,0%.

Кроме того, согласно изобретению, используют алюминат кобальта с удельной поверхностью 7000-10000 см²/г.

Кроме того, согласно изобретению, используют муллит плавленый порошкообразный с удельной поверхностью 3000-5000 см²/г.

Суспензия для лицевого слоя керамической формы в литье по выплавляемым моделям по обоим вариантам содержит керамический огнеупорный материал и связующее в виде водно-коллоидного раствора оксида металла.

Как и в прототипе, содержание кислого водно-коллоидного связующее в виде водно-коллоидного раствора оксида металла составляет, мас. %: 43,0-47,0.

При содержании кислого водно-коллоидного связующего в виде водно-коллоидного раствора оксида металла в количестве менее 43,0 мас. %, суспензия лицевого слоя переходит в разряд нетехнологичных, что связано с увеличением ее вязкости выше заявленной.

При содержании кислого водно-коллоидного связующего в виде водно-коллоидного раствора оксида металла в количестве более, 47,0 мас. %, суспензия лицевого слоя переходит в разряд нетехнологичных, что связано с уменьшением ее вязкости ниже заявленной.

В отличии от прототипа, по первому варианту, в качестве керамического огнеупорного материала используется муллит плавленый порошкообразный, содержание которого в суспензии лицевого слоя составляет 53,0-57,0 мас. %.

При содержании муллита плавленого порошкообразного в суспензии лицевого слоя менее 53,0 мас. %, суспензия переходит в разряд нетехнологичных, что связано с уменьшением ее вязкости ниже заявленной.

При содержании муллита плавленого порошкообразного в суспензии лицевого слоя более 57,0 мас. %, суспензия переходит в разряд нетехнологичных, что связано с увеличением ее вязкости выше заявленной.

В отличии от прототипа, по второму варианту, в качестве одного из компонентов керамического огнеупорного материала используется муллит плавленый порошкообразный, содержание которого в суспензии лицевого слоя составляет 45,0-49,0 мас. %, при этом, в качестве второго компонента керамического огнеупорного материала используется алюминат кобальта, содержание которого в суспензии лицевого слоя составляет 4,0-12,0 мас. %. Процентное содержание в суспензии муллита плавленого и алюмината кобальта определено экспериментально в условиях опытного производства.

Содержание муллита плавленого порошкообразного в суспензии лицевого слоя менее 45,0 мас. % невозможно, поскольку в этом случае содержание алюмината кобальта в суспензии превысит заявленное значение - 12 мас. %.

Содержание муллита плавленого порошкообразного в суспензии лицевого слоя более 49,0 мас. % также невозможно, поскольку в этом случае содержание алюмината кобальта в суспензии окажется существенно ниже заявленного значения - 4 мас. %.

В отличие от прототипа, по второму варианту, в качестве второго керамического огнеупорного материала дополнительно используется алюминат кобальта, содержание которого в суспензии лицевого слоя составляет 4,0-12,0 мас. %.

В случае содержания алюмината кобальта в суспензии лицевого слоя менее 4,0 мас. %, образуется недостаточное количество центров кристаллизации в лицевом слое формы, что, в свою очередь, приводит к укрупнению зерна в отливке и, как следствие, к снижению предела выносливости материала отливок.

Содержание алюмината кобальта в суспензии лицевого слоя более 12,0 мас. %, нецелесообразно по экономическим соображениям, поскольку в лицевом слое формы образуется вполне достаточное количество центров кристаллизации, способствующих росту предела выносливости материала отливок.

Химический состав муллита плавленого обеспечивается технологией поставщика, нормируется требованиями СТО 68051575.015-2020 и характеризуется следующими показателями:

- содержание оксида алюминия (Al₂O₃) 72-77%; - содержание окиси железа (Fe₂O₃) не более 0,3%; - содержание железа металлического не более 0,1%.

Технологические показатели связующего обеспечиваются технологией поставщика, нормируется требованиями ТУ 2145-011-61801487-2014 и характеризуются следующими показателями:

- плотность составляет 1,168-1,189 г/см³;

- pH 3,3-4,5;

- содержащее SiO₂ составляет 25,0-28,0 мас. %;

- вязкость кинематическая, не более 10 сСт.

Технологические показатели алюмината кобальта обеспечиваются технологией поставщика, нормируется, например, требованиями ТУ 1-595-1-495-2002 и характеризуются следующими показателями:

- содержание свободного кобальта, не более 2,0 мас. %;

- удельная поверхность 8000-10000 см²/г.

Суспензия для лицевого слоя керамической формы в литье по выплавляемым моделям по обоим вариантам характеризуется следующими показателями:

- плотность суспензии составляет 1,70-1,85 г/см³;

- рН 3,5-4,5;

- вязкость суспензии составляет 60-70 сек.

Предложенное техническое решение по использованию суспензии для лицевого слоя керамической формы в литье по выплавляемым моделям по обоим вариантам обеспечивает высокую плотность и прочность лицевого слоя, позволяет укрепить целостность лицевого слоя и повысить качество лицевого слоя керамических форм, снизить брак будущих отливок по засорам, адаптировать к автоматизированному процессу изготовление керамических форм, а также обеспечивает экономичность, безотходность, экологическую безопасность, не имеет ограничений по срокам живучести.

Кроме того, в составе суспензии для лицевого слоя керамической формы в обоих вариантах применяют кислое водно-коллоидное связующее плотностью 1,168-1,189 г/см³, со средой pH 3,3-4,5, содержащее оксид металла SiO₂ в количестве 25,0-28,0%, что обеспечивает хорошую адгезию суспензии лицевого слоя к восковым и полимерным моделям, способствует укреплению целостности лицевого слоя и усилению его сцепления с последующими слоями формы, приводит к снижению брака отливок по засорам, обеспечивает высокую плотность и прочность лицевого слоя литейной формы, адаптировано к автоматизированному процессу изготовления форм, обеспечивает экономичность, безотходность, экологическую безопасность, не имеет ограничений по срокам живучести.

Кроме того, в составе суспензии для лицевого слоя керамической формы в обоих вариантах применяют муллит плавленый порошкообразный с удельной поверхностью 3000-5000 см²/г, что способствует получению плотного и прочного лицевого слоя формы для снижения брака отливок по засорам, обеспечивает высокую огнеупорность лицевого слоя, что, в свою очередь, приводит к снижению пригара в процессе производства отливках из жаропрочных сплавов, особенно при литье турбинных лопаток с направленной и монокристаллической структурами.

Кроме того, в составе суспензии для лицевого слоя керамической формы, по второму варианту, применяют поверхностный модификатор - алюминат кобальта с удельной поверхностью зерен на уровне 7000-10000 см²/г, что обеспечивает создание в расплаве дополнительных центров кристаллизации.

Изобретение реализуется на роботизированном комплексе следующим образом. Для приготовления суспензии для лицевого слоя керамической формы рассчитывают необходимое количество исходных материалов (связующее и огнеупорный наполнитель), после чего навеска связующего заливается во вращающийся бак-смеситель, куда последовательно и небольшими порциями загружается огнеупорный наполнитель. Перед использованием суспензии ее компоненты перемешивают во вращающемся баке-смесителе для стабилизации системы и равномерного распределения огнеупорного наполнителя в связующем.

Приведены примеры осуществления изобретения по первому варианту.

Пример 1. Применяли состав суспензии для лицевого слоя керамической формы с плотностью 1,85 г/см³ следующего состава, мас. %: муллит плавленый с удельной поверхностью 3000 см²/г - 57,0; кислое водно-коллоидное связующее - 43,0, при этом плотность связующего составляла 1,18 г/см³, содержание SiO₂ в связующем составляло 27,0%, рН среды составляла 3,5 ед., при этом, вязкость суспензии лицевого слоя литейной формы составляла 69 сек.

Пример 2. Применяли состав суспензии для лицевого слоя керамической формы с плотностью 1,77 г/см³ следующего состава, мас. %: муллит плавленый с удельной поверхностью 4000 см²/г - 55,0; кислое водно-коллоидное связующее - 45,0, при этом плотность связующего составляла 1,175 г/см³, содержание SiO₂ в связующем составляло 26,0%, рН среды составляла 4,0 ед., при этом, вязкость суспензии лицевого слоя литейной формы составляла 65 сек.

Пример 3. Применяли состав суспензии для лицевого слоя керамической формы с плотностью 1,71 г/см³ следующего состава, мас. %: муллит плавленый с удельной поверхностью 5000 см²/г - 53,0; кислое водно-коллоидное связующее - 47,0, при этом плотность связующего составляла 1,17 г/см³, содержание SiO₂ в связующем составляло 25,5%, рН среды составляла 4,2 ед., при этом, вязкость суспензии лицевого слоя литейной формы составляла 61 сек.

Приведены примеры осуществления изобретения по второму варианту исполнения.

Пример 1. Применяли состав суспензии для лицевого слоя керамической формы с плотностью 1,85 г/см³ следующего состава, мас. %: муллит плавленый с удельной поверхностью 3000 см²/г - 45,0; кислое водно-коллоидное связующее - 43,0, поверхностный модификатор - алюминат кобальта с удельной поверхностью 7500 см²/г - 12,0, при этом плотность связующего составляла 1,18 г/см³, содержание SiO₂ в связующем составляло 27,0%, рН среды составляла 3,5 ед., при этом, вязкость суспензии лицевого слоя литейной формы составляла 70 сек.

Пример 2. Применяли состав суспензии для лицевого слоя керамической формы с плотностью 1,77 г/см³ следующего состава, мас. %: муллит плавленый с удельной поверхностью 4000 см²/г - 47,0; кислое водно-коллоидное связующее - 45,0, поверхностный модификатор - алюминат кобальта с удельной поверхностью 8000 см²/г - 8,0, при этом плотность связующего составляла 1,175 г/см³, содержание SiO₂ в связующем составляло 26,0%, рН среды составляла 4,0 ед., при этом, вязкость суспензии лицевого слоя литейной формы составляла 66 сек.

Пример 3. Применяли состав суспензии для лицевого слоя керамической формы с плотностью 1,71 г/см³ следующего состава, мас. %: муллит плавленый с удельной поверхностью 5000 см²/г - 49,0; кислое водно-коллоидное связующее - 47,0, поверхностный модификатор - алюминат кобальта с удельной поверхностью 8500 см²/г - 4,0, при этом плотность связующего составляла 1,17 г/см³, содержание SiO₂ в связующем составляло 25,5%, рН среды составляла 4,2 ед., при этом, вязкость суспензии лицевого слоя литейной формы составляла 62 сек.

Одинаковый положительный технический результат достигается во всех приведенных примерах осуществления изобретения по двум вариантам.

По заявляемому изобретению успешно проведены экспериментальные работы, составы суспензий для лицевого слоя керамической формы в литье по выплавляемым моделям, по обоим вариантам, успешно внедрены на роботизированном комплексе в литейном производстве АО «ОДК-Авиадвигатель» при изготовлении керамических форм для получения отливок любого исполнения и назначения.

Таким образом, предлагаемое изобретение (варианты) по использованию составов суспензий для лицевого слоя керамической формы в литье по выплавляемым моделям с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, по обоим вариантам, обеспечивает высокую плотность и прочность лицевого слоя, позволяет укрепить целостность лицевого слоя и повысить качество лицевого слоя керамических форм, снизить брак будущих отливок по засорам, адаптировать к автоматизированному процессу изготовление керамических форм, а также обеспечивает экономичность, безотходность, экологическую безопасность.

Изобретение относится к области литейного производства. Суспензия для лицевого слоя керамической формы для литья по выплавляемым моделям содержит керамический огнеупорный материал и кислое водно-коллоидное связующее в виде водно-коллоидного раствора оксида металла. В качестве керамического огнеупорного материала использован муллит плавленый, а компоненты берут в следующем соотношении, мас. %: кислое водно-коллоидное связующее – 43,0-47,0, муллит плавленый – 53,0-57,0. Плотность суспензии составляет 1,70-1,85 г/см³, а ее вязкость – 60-70 с. Согласно другому варианту, в состав суспензии дополнительно вводят поверхностный модификатор – алюминат кобальта при следующем соотношении компонентов суспензии, мас. %: кислое водно-коллоидное связующее – 43,0-47,0, поверхностный модификатор – алюминат кобальта – 4,0-12,0, муллит плавленый – 45,0-49,0. Обеспечивается повышение плотности и прочности лицевого слоя керамической формы, что позволяет повысить качество ее лицевого слоя и снизить брак изготавливаемых отливок по засорам, а также пригодность использования суспензии для автоматизированного процесса изготовления керамических форм. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 пр.

1. Суспензия для лицевого слоя керамической формы для литья по выплавляемым моделям, содержащая керамический огнеупорный материал и кислое водно-коллоидное связующее в виде водно-коллоидного раствора оксида металла, отличающаяся тем, что в качестве керамического огнеупорного материала она включает муллит плавленый при следующем содержании, мас. %:

кислое водно-коллоидное связующее 43,0-47,0 муллит плавленый 53,0-57,0,

при этом плотность суспензии составляет 1,70-1,85 г/см³, вязкость суспензии составляет 60-70 с.

2. Суспензия по п. 1, отличающаяся тем, что применено кислое водно-коллоидное связующее плотностью 1,168-1,189 г/см³, со средой pH 3,3-4,5, содержащее оксид металла SiO₂ в количестве 25,0-28,0%.

3. Суспензия по п. 1, отличающаяся тем, что использован муллит плавленый порошкообразный с удельной поверхностью 3000-5000 см²/г.

4. Суспензия для лицевого слоя керамической формы для литья по выплавляемым моделям, содержащая керамический огнеупорный материал и кислое водно-коллоидное связующее в виде водно-коллоидного раствора оксида металла, отличающаяся тем, что содержит поверхностный модификатор – алюминат кобальта, а в качестве керамического огнеупорного материала она включает муллит плавленый при следующем соотношении, мас. %:

кислое водно-коллоидное связующее 43,0-47,0 поверхностный модификатор - алюминат кобальта 4,0-12,0 муллит плавленый 45,0-49,0,

при этом плотность суспензии составляет 1,70-1,85 г/см³, вязкость суспензии составляет 60-70 с.

5. Суспензия по п. 4, отличающаяся тем, что применено кислое водно-коллоидное связующее плотностью 1,168-1,189 г/см³, со средой pH 3,3-4,5, содержащее оксид металла в виде SiO₂ в количестве 25,0-28,0%.

6. Суспензия по п. 4, отличающаяся тем, что использован поверхностный модификатор – алюминат кобальта с удельной поверхностью 7000-10000 см²/г.

7. Суспензия по п. 4, отличающаяся тем, что использован муллит плавленый порошкообразный с удельной поверхностью 3000-5000 см²/г.