Инновационные технические решения повышения трещиностойкости оболочковых форм литья по выплавляемым моделям

Раздел 5

УДК 621.74

Леушина Л.И., Ульянов В.А., Нищенков А.В.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Аннотация. В статье рассматриваются некоторые инновационные технические решения повышения трещиностойко-сти оболочковых форм литья по выплавляемым моделям. Выявлены основные недостатки известных способов и предложен вариант снижения рисков реализации схемы низкотемпературного прокаливания оболочковых форм.

Ключевые слова: литье по выплавляемым моделям, оболочковая форма, трещиностойкость оболочковых форм, технология низкотемпературного прокаливания.

На сегодняшний день литье по выплавляемым моделям является одним из прогрессивных специальных способов литья, применяемых для изготовления литых заготовок самой высокой сложности. Соответствие отливок, получаемых данным способом литья, предъявляемым к ним требованиям непосредственно связано с оболочковой формой, качество которой формируется на всех технологических этапах ее получения: от изготовления моделей до заливки форм металлическим расплавом.

Появление и развитие трещин как в теле, так и на поверхности оболочковой формы обусловлено множеством объективных и субъективных факторов, действующих на всем протяжении цикла изготовления и использования литейной формы вплоть до ее разрушения при выбивке.

Именно поэтому проблема улучшения трещино-стойкости, оболочковых форм является актуальной. Повышение прочности форм в ходе технологического процесса литья по выплавляемым моделям является одной из ключевых задач, подход к решению которой у исследователей разнообразен и многогранен.

Рассмотрим некоторые варианты решения данной проблемы.

Для получения отливок из химически активных и жаропрочных сплавов Е.Н. Кабловым и др. [1] предлагается использовать суспензию, включающую огнеупорный наполнитель, органическое связующее и технологическую добавку - металлический порошок. В качестве огнеупорного наполнителя выступает тугоплавкий порошок, выбранный из группы оксидов алюминия, иттрия, в качестве органического связующего - водные растворы 15-65%-ной концентрации алкилполиоксибензолальдегидных смол на основе алкилоксибензолов формулы RmC6H6_(m+n)(OH)n, где R-H, CH3, C2H5; m = 1-2; n = 2-3, а в качестве технологической добавки - порошок алюминия.

Однако предлагаемая суспензия обладает рядом недостатков. Входящее в её состав органическое связующее - растворы алкилполиоксибензолальдегид-ных смол - является дефицитным и, кроме того, ставит под угрозу экологическую безопасность технологического процесса. Кроме того, высока трудоёмкость

получения водного раствора органического связующего требуемой концентрации. Использование в качестве огнеупорного наполнителя суспензии металлического порошка иттрия удорожает весь технологический процесс из-за высокой стоимости этого редкоземельного металла.

Н.Н. Корнеев, Г.И. Щербакова и В.Г. Анташев [2] видят подход к решению вышеназванной проблемы несколько иначе. При производстве отливок из титановых и жаропрочных химически активных сплавов предлагается дополнительно вводить в состав суспензии своеобразный активатор, представляющий собой порошок металла Ша, ^а, Vа групп или его оксид, а в качестве связующего использовать алкоксиалюмоксан и стабилизатор в органическом растворителе.

Несмотря на улучшение качества оболочковых форм, нельзя не брать во внимание недостатки предлагаемой суспензии. Во-первых, компоненты, формирующие суспензию, дефицитны, что впоследствии будет удорожать себестоимость получаемых отливок. Во-вторых, входящие в состав суспензии органический растворитель и алкоксиалюмоксан представляют значительную экологическую опасность для персонала литейных цехов, вследствие чего для работы персонала требуется применение специальных защитных средств.

А.П. Никифоров, Н.Н. Терентьев и И.Б. Гилевич [3] предлагают изготавливать суспензию для оболочковых форм на основе этилсиликатного связующего, которая включает этилсиликат, воду, поверхностно-активное вещество, соляную кислоту, ортофосфорную кислоту, алюмометилсиликонат натрия в виде 15%-ного водного нейтрализованного раствора с pH 2-6, огнеупорный наполнитель, а также дополнительно вводить электрофильтровую пыль из отходов ферросплавных печей при выплавке кремнийсодержащих соединений: технического кремния, ферросилиция, силикохрома.

Однако существует ряд недостатков, сдерживающих в некоторой степени широкую реализацию предложенного способа. К ним относятся: потребность в дополнительных затратах на приобретение веществ, вводимых в состав суспензии, и сложность процесса подготовки водного нейтрализованного рас-

48

Теория и технология металлургического производства

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

твора алюмометилсиликоната натрия требуемых концентрации и рН.

Авторами данной статьи совместно с рабочей группой Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева ранее был предложен способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, снижающий длительность и повышающий энергоэффективность процесса литья по выплавляемым моделям (технология низкотемпературного прокаливания), заключающийся во введении в состав зернистого материала для обсыпки кислородсодержащего вещества и борной кислоты [4]. В результате за счет выделения кислорода и тепла экзотермических реакций обеспечивалось более полное, по сравнению с базовой технологией, удаление остатков модельной композиции, завершение основных превращений в связующем материале оболочковой формы, а также спекание огнеупорного материала оболочки на основе кварца для обеспечения прочности формы.

Однако при реализации технологии низкотемпературного прокаливания возникали следующие трудности. Сложной являлась строгая гарантия того факта, что кислород, выделяемый кислородсодержащим окислителем, входящим в состав материала формы, при её прокалке будет целиком израсходован для решения задачи полного удаления модельного состава из полости литейной формы, поскольку остаточное содержание модельного состава в оболочке после выплавления можно оценить лишь приблизительно. В связи с этим высокой становилась вероятность получения так называемого «пироэффекта», обусловленного выделением при последующей заливке оболочковых форм металлическим расплавом избыточного кислорода, создающего опасность для персонала литейных цехов.

Для предотвращения возможных проблем при реализации в условиях действующего производства было предложено введение в состав материала оболочковой формы алюминиевого порошка. Достижение поставленной цели осуществлялось следующим образом. Происходило связывание «избыточного» кислорода, получаемого в результате разложения кислородсодержащего вещества, вводимого в материал формы, остающегося в литейной форме после удаления остатков модельной композиции, что позволяло в итоге предотвратить нежелательный пироэффект, создающий опасность для персонала литейных цехов.

Кроме того, в результате взаимодействия избыточного кислорода с порошком алюминия формы об-

разовывался электрокорунд - химически стойкий материал с существенно меньшим коэффициентом линейного термического расширения по сравнению с кварцем.

Таким образом, исходя из проведенного анализа рассмотренных технических решений, можно сделать вывод о существовании множества разнообразных вариантов повышения трещиностойкости оболочковых форм литья по выплавляемым моделям. Однако в каждом из них наряду с многочисленными достоинствами присутствуют и недостатки. Поэтому главной задачей сегодня не только в области литья по выплавляемым моделям, но и во всей литейной отрасли является создание таких инновационных технических решений, которые обладали бы максимальным количеством достоинств и минимумом недостатков (прежде всего, экологических) для применения в условиях действующего производства.

Литература

1. Пат. 2108195 РФ, МПК B22 C1/06, B22 C1/22. Суспензия для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям / Каблов Е.Н., Минаков В.Е., Швец Н.И. и др.; заявитель и патентообладатель Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (RU). 97104435/02; заявл. 19.03.97; опубл. 10.04.98.

2. Пат. 2082535 РФ, МПК B22 C1/06, B22 C1/16. Суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям / Корнеев Н.Н., Щербакова Г.И., Ан-ташев В.Г. и др.; заявитель и патентообладатель ГНЦ РФ «Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических материалов» (RU). 95111527/02; заявл. 05.07.95; опубл. 27.06.97.

3. Пат. 2098217 РФ, МПК B22 C1/02, B22 C1/16, B22 C1/10. Суспензия для изготовления оболочковых форм на основе этилсиликатного связующего / Никифоров А.П., Терентьев Н.Н., Гилевич И.Б. и др.; заявитель и патентообладатель Челябинский государственный технический университет (RU). 96104596/02; заявл. 12.03.96; опубл. 10.12.97.

4. Пат. 2433013 РФ, МПК B22 C9/04. Способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям / Леушин И.О., Леушина Л.И., Нищенков А.В. и др.; заявитель и патентообладатель Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (RU). 2010137431/02; заявл. 08.09.2010; опубл. 10.11.11.

Сведения об авторах

Леушина Любовь Игоревна - ассистент ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева». Тел.: (831) 4364395. E-mail: lubotschka@yandex.ru

Ульянов Владимир Андреевич - д-р техн. наук, проф. ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева». Тел.: (831) 4360302. E-mail: taep@nntu.nnov.ru

Нищенков Александр Владимирович - канд. техн. наук, доц. ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева». Тел.: (831) 4364395. E-mail: lmps@nntu.nnov.ru

№1 (13). 2013

49