Способ получения огнеупорной оболочковой формы с использованием солевых моделей Российский патент 2024 года по МПК B22C9/04 B22C3/00 B22C7/02 

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к производству отливок в разовых керамических формах, получаемых методами точного литья.

В сложных изделиях авиационной и реактивной техники используется большое количество литых деталей, получаемых методом литья по выплавляемым моделям (ЛВМ). ЛВМ представляет собой производственный процесс, в котором выплавляемая, газифицируемая или растворимая модель используется для формирования одноразовой керамической формы. Для получения растворимой модели расплавленный солевой состав заливают в металлическую форму, где он затвердевает. Для формирования одноразовой керамической формы модель покрывается огнеупорным керамическим материалом методом окунания или обливания коллоидным раствором ультрадисперсного кремнезема с мелкодисперсным наполнителем из огнеупорных микропорошков (суспензией). Как только керамический материал затвердеет, модель удаляют путем растворения в воде. Затвердевшая керамическая оболочка, освобожденная от модели, становится одноразовой керамической формой. Поскольку солевые составы, используемые для получения моделей водорастворимы, необходимо, чтобы суспензия не растворяла модель, в противном случае получить качественную оболочковую форму невозможно. Традиционно для покрытия водорастворимой модели используют суспензии, изготовленные на основе гидролизованного раствора этилсиликата (ЭТС) типа орг-1, которые не содержат химически свободную воду и не растворяют модели (Литье по выплавляемым моделями / Под ред. Я.И. Шкленника и В.А. Озерова. - 2-е изд., перераб. и доп.- Москва: Машиностроение, 1971. - 436 с.). Эти суспензии имеют множество недостатков, затрудняющих их использования в современном производстве. Основными недостатками суспензии на ЭТС типа орг-1 являются:

- высокая пожароопасность ЭТС и суспензии на его основе, а также взрывоопасность паров растворителя (спирта или ацетона), что не позволяет использовать автоматизированные и роботизированные линии с высокой степенью электрификации;

- необходимость использования воздушно-аммиачной сушки, что плохо сказывается на экологической обстановке на производстве и вокруг него;

- недостаточная живучесть суспензии на ЭТС.

В настоящее время суспензии на ЭТС в литейном производстве активно вытесняются готовыми водными связующими на основе силиказоля. Они негорючи, суспензия на их основе сохнет на воздухе, поэтому такие связующие хорошо подходят для создания современного роботизированного литейного производства. Однако, такие связующие содержат большое количество воды, которая легко растворяет водорастворимые модели в процессе нанесения керамической оболочки. Поэтому, обычно, для получения форм на готовых водных связующих используют выплавляемые восковые модели, нерастворимые в воде. Тем не менее у солевых моделей имеется ряд преимуществ перед восковыми, прежде всего высокая прочность и низкая усадка солевой модели в процессе затвердевания, высокая размерная точность модели во всем диапазоне температур литейного цеха. Высокая прочность этих составов позволит производить, в неразъемных оболочковых формах отливки больших габаритов. Поэтому, отказ от солевых моделей при переходе производства на водные связующие не всегда оправдан.

Известен способ создания пустотелых восковых моделей, заключающийся в применении растворимых стержней для формирования сложных полостей в восковых моделях. Для этого обычно применяются солевые стержни, а, в последнее время, и специальные водорастворимые воска. Стержни из них покрывают обычными модельными восками, нерастворимыми в воде, после чего стержни растворяются и на их месте образуются полости в нерастворимой восковой модели. Модель затем покрывается огнеупорной оболочкой для получения оболочковой керамической литейной формы. Данный способ описан в книге Литье по выплавляемым моделями / Под ред. Я.И. Шкленника и В.А. Озерова. - 2-е изд., перераб. и доп.- Москва: Машиностроение, 1971. - 436 с., где предлагается использовать карбамидные водорастворимые стержни для получения полостей сложной конфигурации в восковых моделях.

Недостатком предложенного способа является его направленность на создание пустотелых моделей путем растворения карбамидного стержня и не позволяет использовать солевые модели для получения оболочек на основе водных связующих.

Известен способ изготовления форм для точного литья (авторское свидетельство №109014, МПК В22С 9/04, В22С 1/00, В22С 7/02, C09D 5/18, опубл. 01.01.1957). Способ получения оболочковой формы из песка со связующим из жидкого стекла (7,5%) для литья крупных деталей. Модель получали из расплавленных солей (50% Na (NO)₃ и 50% KHO₃) путем заливки в пресс-форму. Полученную модель погружали в расплавленный парафин для образования на ней нейтральной пленки. Форму с моделью помещают в печь при температуре 200°С для обезвоживания солевого состава, при этом парафин, имеющий температуру плавления 45÷65°С расплавлялся и пропитывал поверхность формы. Затем модельный состав выплавлялся в нагревательной печи при температуре 350°С.

Описанный способ получения оболочковой формы применим к связующим, имеющим кислую реакцию (жидкое стекло, гидролизованный раствор этилсиликата). Основной целью описанного способа нанесения покрытия является предотвращение взаимодействия кислого связующего с раствором солей, имеющим основную реакцию, что снижает качество формы.

Наиболее близким аналогом является способ изготовления керамических форм по растворяемым моделям (патент РФ №2499651, МПК В22С 9/04, опубл. 27.11.2013 Бюл. №33). В данном патенте описан способ покрытия солевой модели воском методом погружения в расплавленный воск для создания на поверхности модели нейтральной гидрофобной пленки, чем обеспечивается повышение качества поверхности керамической формы, повышение производительности процесса и снижение расхода материалов.

Основным недостатком предложенного метода является способ нанесения воска на поверхность. При опускании модели в воск невозможно добиться равномерного и тонкого слоя на поверхности модели, что при получении высокоточных отливок является критичным. Выплавление солевой модели из формы вместо их растворения в воде также является недостатком предложенного способа, осложняющим технологию при работе с водными щелочными связующими, поскольку при растворении солевых моделей в воде также образуется щелочной раствор, надобности в выплавке модели вместо ее растворения в воде нет.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть в полной мере реализовано при использовании прототипа, является получение высокоточной огнеупорной оболочковой керамической формы с использованием суспензии на готовом водном связующем на основе силиказоля по солевым водорастворимым моделям, имеющим высокую геометрическую точность.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение равномерного тонкого (толщиной менее 0,2 мм) водонепроницаемого слоя на поверхности солевой водорастворимой модели, наносимого на формообразующую поверхность модели и защищающего ее от растворения при нанесении огнеупорной суспензии на готовом водном связующем на основе силиказоля в процессе изготовлении керамических оболочковых форм для ЛВМ.

Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой геометрической точности и повышение качества формообразующей поверхности.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения огнеупорной оболочковой формы на готовом водном связующем с использованием водорастворимых солевых моделей для литья по растворимым моделям, поверхности солевой водорастворимой модели покрывают равномерным слоем неводорастворимой восковой массы, используемой для получения выплавляемых моделей, толщиной 0,1-0,2 мм, обеспечивающим смачивание поверхности модели и предотвращающим растворение солевой модели в водной облицовочной суспензии, для обеспечения равномерного тонкого слоя покрытия неводорастворимой восковой массы на поверхности солевой модели используют раствор восковой модельной массы в объеме 3-10 г. на 100 мл растворителя, в качестве которого используют бензин Калоша, при этом сушку каждого слоя производят при комнатной температуре до полного испарения растворителя.

Применение данного способа обеспечивает получение огнеупорной оболочковой керамической формы с высокой геометрической точностью и хорошим качеством формообразующей поверхности при использовании суспензии на готовом водном связующем на основе силиказоля и солевых водорастворимых моделей, что совмещает преимущества использования солевых моделей для литья по растворимым моделям и суспензии на готовом водном связующем на основе силиказоля.

Для обеспечения равномерного тонкого слоя покрытия неводорастворимой восковой массы на поверхности солевой модели используется специально приготовленный раствор восковой модельной массы в растворителе. Микроскопическая поверхностная пленка на солевой модели образуется в результате испарения растворителя. Поставленная задача решена тем, что раствор содержит компоненты в следующем количестве: модельный состав парафин-стеариновый - 3-10 г; бензин Калоша в качестве растворителя, 100 мл. Может использоваться другой ненаполненный модельный воск, преимущественно состоящий из компонентов, растворимых в бензине.

Содержание в растворе не менее 3 г на 100 мл модельного состава обусловлено тем, что при меньшей концентрации восков в растворе после нанесения раствора на поверхности солевой модели не образуется достаточно плотная пленка. Достичь же большей, чем 10 г., на 100 л концентрации восков в растворе при комнатной температуре затруднительно.

Приготовление раствора осуществляется следующим образом. В смеситель заливают растворитель, добавляют воск в дробленом или порошковом состоянии и перемешивают до полного растворения. Способ нанесение защитного слоя на поверхность солевых моделей (окунанием, кистью или распылением) определяется принятой на производстве технологией изготовления керамической оболочковой формы. После нанесения слоя воска просушивают восковые модели в среде воздуха при температуре производственного помещения до полного высыхания раствора на поверхности моделей. При необходимости операцию нанесения слоя можно повторить после полного высыхания предыдущего слоя. Необходимо достичь толщины восковой пленки на поверхности модели 0,1-0,2 мм в зависимости от допуска на толщину стенки, определяемого техническими требованиями для изготавливаемой модели.

В предлагаемом способе отсутствует дальнейшая промывка в воде или водных растворах мыла, других моющих веществ, поскольку бензин Калоша является эффективным обезжиривающим средством, что позволяет сократить технологическую цепочку и улучшить смачиваемость восковых моделей.

Предлагаемый способ был опробован в производственных условиях при изготовлении отливок из никелевого сплава ВЖЛ-14Н ВИ методом точного литья в оболочковые керамические формы с использованием огнеупорной суспензии на готовом водном однокомпонентном связующем на основе силиказоля производства ООО «Технопарк» (Россия) (Ultracast One+ для первого и второго слоя керамической формы и Ultracast Prime для последующих слоев) в качестве наполнителя суспензии и обсыпки использовался молотый плавленый кварц различных фракций. В ходе испытаний было проведено изготовление солевых моделей из промышленной модельной массы на основе карбамида. Обработка осуществлялась путем нанесения с помощью распылителя раствора, содержащего модельный воск на поверхность модели отливки «Корпус», представляющей собой тело вращения с преобладающей толщиной стенки 5 мм и диаметром 680 мм. Раствор приготавливался путем растворения модельного состава ПС 50-50 (50% парафина и 50% стеарина) в бензине Калоша. Для этого в емкость с бензином помещался измельченный модельный состав из расчета 3 г. на 100 мл. Растворение воскового состава происходило при комнатной температуре при периодическом помешивании в течение 24 часов. Для ускорения растворения можно подогреть раствор в закрытой емкости на водяной бане, соблюдая меры пожарной безопасности. Убыль растворителя вследствие испарения компенсируется добавлением новой порции. Интенсивное перемешивание и повышение температуры раствора ускоряют процесс растворения. Готовый раствор отстаивали (осветляли) для удаления нерастворимых частиц, присутствующих в товарном модельном воске. Осветленный раствор воска в бензине аккуратно отделяли от осадка и использовали для окраски солевых моделей. Окраска моделей проводилась в три слоя с помощью распылителя. Сушка осуществлялась на воздухе до полного высыхания растворителя в каждом слое. Суммарная толщина нанесенного на солевую модель воскового модельного состава не превышала 0,15 мм на сторону. После сушки осуществлялось нанесение огнеупорной оболочки на модели окунанием их в суспензию с последующей обсыпкой зерновым огнеупорным материалом. Наблюдалась высокая смачиваемость поверхности модели суспензией. После нанесения 15 слоев оболочки и ее полного высыхания, модель извлекалась из оболочки в ванне с горячей водой. Оставшийся в оболочке восковой модельный состав полностью удаляется в процессе прокалки оболочковых форм. В дальнейшем оболочка обрабатывалась по принятой на производстве технологии.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Разработан способ получения огнеупорной оболочковой формы на готовом водном связующем с использованием водорастворимых солевых моделей для литья по растворимым моделям, состоящего в покрытии поверхности солевой водорастворимой модели тонким слоем неводорастворимой восковой массы, используемой для получения выплавляемых моделей, обеспечивающим смачивание поверхности модели облицовочной суспензией и предотвращающим растворение солевой модели. Для обеспечения равномерного тонкого (0,1-0,2 мм) слоя покрытия неводорастворимой восковой массы на поверхности солевой модели используется специально приготовленный раствор восковой модельной массы в растворителе. Способ нанесение защитного слоя на поверхность солевых моделей (окунанием, кистью или распылением) определяется технологией изготовления керамической оболочковой формы. Равномерная поверхностная пленка на солевой модели образуется в результате испарения растворителя. Для успеха применения предлагаемого способа необходимо, чтобы восковое защитное покрытие покрывало всю поверхность солевой модели, контактирующую с суспензией. Для обеспечения лучшего визуального контроля за качеством нанесения покрытия в его состав может быть добавлен цветовой индикатор. После формирования огнеупорной керамической оболочки солевая модель удаляется путем вымачивания оболочки в горячей воде. Защитный восковой состав также частично удалится при вымачивании. Остатки воска удаляются в процессе прокалки оболочки.

Изобретение относится к области литейного производства. Способ получения огнеупорной оболочковой формы на готовом водном связующем с использованием водорастворимых солевых моделей для литья по растворимым моделям включает нанесение покрытия на поверхности водорастворимых солевых моделей, обеспечивающего смачивание поверхности модели и предотвращающего растворение модели в водной облицовочной суспензии. Поверхности модели покрывают равномерным слоем неводорастворимой восковой массы, используемой для получения выплавляемых моделей, толщиной 0,1-0,2 мм. Используют раствор восковой модельной массы в объеме 3-10 г на 100 мл растворителя, в качестве которого используют бензин Калоша. Сушку каждого слоя производят при комнатной температуре до полного испарения растворителя. Обеспечивается высокая геометрическая точность и качество формообразующей поверхности.

Способ получения огнеупорной оболочковой формы на готовом водном связующем с использованием водорастворимых солевых моделей для литья по растворимым моделям, отличающийся тем, что поверхности солевой водорастворимой модели покрывают равномерным слоем неводорастворимой восковой массы, используемой для получения выплавляемых моделей, толщиной 0,1-0,2 мм, обеспечивающим смачивание поверхности модели и предотвращающим растворение солевой модели в водной облицовочной суспензии, для обеспечения равномерного тонкого слоя покрытия неводорастворимой восковой массы на поверхности солевой модели используют раствор восковой модельной массы в объеме 3-10 г на 100 мл растворителя, в качестве которого используют бензин Калоша, при этом сушку каждого слоя производят при комнатной температуре до полного испарения растворителя.