Способ изготовления керамической формы для литья по выплавляемым моделям
METHOD FOR MANUFACTURING A CERAMIC MOLD FOR LOST-WAX CASTING

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям при производстве отливок из жаропрочных сплавов на никелевой основе.
Известен способ изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям при производстве особо ответственных отливок из химически активных сталей и сплавов (Патент RU № 2412019, В22С 9/04, опубл. 20.02.2011). Способ предусматривает комбинированное изготовление керамических оболочковых форм, когда первые два слоя наносятся с использованием керамической суспензии следующего состава, мас. %: алюмоорганическое связующее - 25,0; огнеупорный наполнитель в виде порошков электрокорунда -75, а для нанесения последующих слоев используется этилсиликатная керамическая суспензия на корундовой основе. Обсыпка каждого слоя суспензии производится зернистым электрокорундом по принятой в промышленности технологии, сушка каждого лицевого слоя производится в две стадии. На первой стадии используется камера с повышенной влажностью воздуха (не менее 95%) при выдержке в камере до 1 часа для первого лицевого слоя и до 3 часов для второго лицевого слоя. На второй стадии проводится конвекционная сушка до равновесного с окружающей средой влагосодержания. Сушка последующих этилсиликатных слоев производится в вакуумно-аммиачных камерах. Прокаливание комбинированных керамических форм производят при температуре 1250-1350°С в течение 4-6 часов.
Недостатками данных комбинированных корундовых керамических оболочковых форм являются: во-первых, отсутствие промышленного выпуска алюмоорганических связующих; во-вторых, не технологичность послойной сушки огнеупорного покрытия в двух стадийном режиме; в-третьих, высокая себестоимость изготовления форм из-за ограниченного срока живучести этилсиликатной керамической суспензии и значительных безвозвратных потерь материалов; в-четвертых, проблемы экологической безопасности при работе с этилсиликатными суспензиями и аммиаком; в-пятых, использование этилсиликатной суспензии в автоматизированном процессе изготовления форм не возможно.
Известен способ изготовления керамических форм, для осуществления которого используются две керамические суспензии (Патент RU № 2532583, МПК В22С 9/04, опубл. 10.11.2014). Для формирования первого или двух первых слоев оболочки используют суспензию, включающую кремнезоль кислый и плавленый кварц при следующем соотношении компонентов, об. %:
кремнезоль кислый
37,0-41,0
кварц плавленый
59,0-63,0,
а для формирования последующих слоев оболочки используют суспензию, содержащую кремнезоль основной и плавленый кварц при следующем соотношении компонентов, об. %:
кремнезоль основной
36,0-44,0
кварц плавленый
56,0-64,0
При изготовлении суспензии для первого или двух первых слоев оболочки 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. На первые слои вязкость составляет 25…65 секунд.
При изготовлении суспензии, используемой для формирования последующих слоев в бак-смеситель, вливают кремнезоль основной «Армосил А» (ТУ 2145-005-95412478-2006), затем при включенной мешалке порциями вводят наполнитель - плавленый кварц «Экосил-мелур-1» (ТУ 5931-002-71435339-2004). После перемешивания замеряют вязкость суспензии вискозиметром ВЗ-4. На последующие слои вязкость составляет 20…80 секунд.
Покрытие наносят окунанием модельного блока в керамическую суспензию с последующей обсыпкой его зернистым материалом. В качестве обсыпочного материала применяют плавленый кварц: для первого слоя - плавленый кварц «Экосил-мелур-2» зернистостью 0,063-0,125 мм, для второго слоя - плавленый кварц «Экосил-мелур-3» зернистостью 0,125-0,315 мм, для третьего и последующих слоев - плавленый кварц «Экосил-мелур-5» зернистостью 0,4-0,63 мм. Обсыпка проводится в пескосыпах с псевдокипящим слоем. Каждый слой подвергают отверждению - сушке в потоке воздуха с относительной влажностью 40-50% при температуре 20-30°С. После окончательного формирования керамической оболочки на модельном блоке проводят удаление модельной массы в горячей воде.
Недостатком указанного технического решения является сама форма, состоящая из плавленого кварца и обладающая самым низким коэффициентом термического расширения (КТР), из всех известных в литейном производстве. Низкий КТР играет негативную роль, как для самой формы, поскольку уже на стадии удаления восковых моделей в горячей воде и в бойлерклаве форма будет подвержена разрушению из-за внутреннего давления восковой модели, так и для длинномерных тонкостенных отливок при их кристаллизации, поскольку на теле лопаток образуются горячие трещины.
Наиболее близким аналогом по технической сущности является способ изготовления керамической формы для литья по выплавляемым моделям, который принят за прототип (Патент RU № 2697678, МПК В22С 1/00, опубл. 16.08.2019), и включает формирование на модельном блоке, по меньшей мере, одного слоя керамического покрытия с использованием суспензии, содержащей связующее на основе кремний содержащего вещества, модификатора на основе кобальтсодержащего вещества и огнеупорного наполнителя на основе оксида алюминия, обсыпку в пескосыпе каждого слоя зернистым электрокорундом, послойную сушку огнеупорного покрытия, удаление восковой модели из керамической формы, прокалку керамической формы.
Для формирования первого или двух первых слоев керамической оболочки используют огнеупорную суспензию, при следующем соотношении компонентов, мас. %: электрокорунд фракции F1200 - 17,0, электрокорунд фракции F320 - 28,0, электрокорунд фракции F240 - 25,0, модификатор - алюминат кобальта 10,0, кремнезольное водное связующее «Keycote» 20,0, а для формирования последующих слоев оболочки используют суспензию, при следующем соотношении компонентов, мас. %: электрокорунд фракции F1200 - 9,0, электрокорунд фракции F320 - 15,0, электрокорунд фракции F240 - 13,0, кварц пылевидный 25,0, кварц плавленый 3,0, кремнезольное водное связующее «Matrixsol 30» - 35,0. Покрытие наносят окунанием модельного блока в суспензию с последующей обсыпкой его зернистым материалом. Обсыпку выполняют в следующей последовательности: для первого слоя - электрокорунд фракции F80, для второго слоя - электрокорунд фракции F40, для третьего и последующих слоев - электрокорунд фракции F30. Обсыпку проводят в пескосыпах с псевдокипящим слоем. Время сушки модельного блока после нанесения 1-го слоя составляет 4÷6 ч, время сушки модельного блока после нанесения 2-го слоя составляет 5÷6 ч. Время сушки наружных слоев керамического покрытия составляет 4-8 часов. После окончательного формирования литейной керамической формы на модельном блоке проводят удаление модельной массы в бойлерклаве при вертикальном расположении литейных керамических форм чашей вниз. Прокаливание литейных керамических форм проводят в камерной электрической печи при температуре 1000°С.
К недостаткам данного способа формирования литейной формы относятся: во-первых, использование дорогих импортных водно-коллоидных связующих растворов, обладающих, кроме того, ограниченным сроком живучести; во-вторых, использование в составе суспензии для последующих слоев сложной комбинации наполнителя, включая традиционную тройную смесь микропорошков электрокорунда, что объясняется ее предназначением, а именно повышением податливости формы.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно обеспечить при использовании прототипа, является ограниченный срок живучести импортных связующих «Keycote» и «Matrixsol 30», использование сложной комбинации наполнителя суспензии для последующих слоев, рост расходов на производство за счет использования дорогих материалов.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение срока живучести огнеупорной суспензии, повышение качества отливок за счет снижения дефектов типа «засор керамический», адаптация к автоматизированному процессу изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям использование меньшего количества компонентов в комбинации наполнителя суспензии для последующих слоев, повышение экологической и пожарной безопасности при работе с суспензиями, снижение расходов на производство, за счет использования недорогих материалов.
Техническая  проблема решается тем, что в способе изготовления керамической формы для литья по выплавляемым моделям, включающем формирование выплавляемого модельного блока, содержащего, как минимум, одну восковую или полимерную модель, нанесение окунанием на модельный блок огнеупорного покрытия в виде лицевого и последующих слоев огнеупорных суспензий для формирования  керамической формы, обсыпку в пескосыпе каждого слоя зернистым электрокорундом, послойную сушку огнеупорного покрытия, удаление восковой модели, прокалку керамической формы, согласно изобретению,  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 последующие слои формируют с использованием огнеупорной суспензии на основе концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП) следующего состава, мас. %:
высоко-щелочное водно-коллоидное связующее
51,0-55,0
концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный (КДСП)
45,0-49,0,
при этом сушку лицевого покрытия 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, сушку всех последующих слоев производят на конвейере, расположенном в климатической камере, при влажности воздуха 30-32%, температуре 20-22°С и скорости воздушных потоков 4,0-5,0 м/с в течение 3-4 часов, окончательную сушку производят в климатической камере не менее 12 часов, а прокалку керамической формы проводят по режиму, исключающему образование α-кристобалита:
- загрузка керамической формы в холодную печь;
- нагрев до 740-750°С со скоростью ≤ 200°С/ч;
- выдержка при температуре 750-740°С в течение 3 часов;
- охлаждение с печью до температуры 100-20°С.
2
2
Кроме того, согласно изобретению, применяют кислое водно-коллоидное связующее  с pH 3,5…4,5, содержащее 27,5-30,0% мицелл SiO с размером 13-15 нм и удельной поверхностью 181-210 м/г.
2
2
Кроме того, согласно изобретению, применяют высоко-щелочное водно-коллоидное связующее с pH 9,5…10,5, содержащее 25,0-31,0% мицелл SiO с размером 8-10 нм и удельной поверхностью 272-340 м/г.
2
Кроме того, согласно изобретению, в составе суспензии последующих слоев используют концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный с удельной поверхностью 6000-8000 см/г.
Способ изготовления керамической формы для литья по выплавляемым моделям, как и прототип, включает формирование выплавляемого модельного блока, содержащего,  как минимум, одну восковую или полимерную модель, нанесение окунанием на модельный блок огнеупорного покрытия в виде лицевого и последующих слоев огнеупорных суспензий для формирования керамической формы, обсыпку в пескосыпе каждого слоя зернистым электрокорундом, послойную сушку огнеупорного покрытия, удаление восковой модели из керамической формы, прокалку керамической формы.
В отличие от прототипа, на модельный блок наносится, 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 последующие слои формируют с использованием огнеупорной суспензии на основе концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП) следующего состава, мас. %:
высоко-щелочное водно-коллоидное связующее
51,0-55,0
концентрат дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП)
45,0-49,0
Сушка, по меньшей мере, одного лицевого слоя производится 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, что обеспечивает «мягкое», не создающее внутренних напряжений, удаление воды из лицевого слоя.
Сушка всех последующих слоев, производится на конвейере, расположенном в климатической камере, при влажности воздуха 30-32%, температуре 20-22°С и скорости воздушных потоков 4,0-5,0 м/с в течение 3-4 часов, что обеспечивает интенсивное удаление воды из слоев.
Окончательная сушка производится в климатической камере не менее 12 часов, что обеспечивает окончательное формирование прочности, необходимой для удаления воска в бойлерклаве.
Прокалка вытопленных форм проводится по режиму, исключающему образование α-кристобалита, в камерных электрических печах с подачей цехового воздуха по режиму:
- загрузка керамической формы в холодную печь;
- нагрев до 740-750°С со скоростью ≤ 200°С/ч;
- выдержка при температуре 750-740°С в течение 3 часов;
- охлаждение с печью до температуры 100-20°С.
Загрузку керамических форм производят в холодную (не нагретую) камерную электрическую печь с подвижным или стационарным подом, например, марки КК-Н-1000, оборудованную устройством управления типа «Термодат».
2
2
Кроме того,применяют кислое водно-коллоидное связующее с pH 3,5…4,5, содержащее 27,5-30,0% мицелл SiO с размером 13-15 нм и удельной поверхностью 181-210 м/г, что обеспечивает экономичность, безотходность, экологическую безопасность и автоматизацию процесса изготовления огнеупорных керамических форм.
2
2
Кроме того, применяют высоко-щелочное водно-коллоидное связующее с pH 9,5…10,5, содержащее 25,0-31,0% мицелл SiO с размером 8-10 нм и удельной поверхностью 272-340 м/г, что обеспечивает экономичность, безотходность, экологическую безопасность и автоматизацию процесса изготовления огнеупорных керамических форм.
Кроме того, в составе суспензии лицевого слоя используют микропорошки белого электрокорунда фракций F360 и, например, F1000 или F1200, что обеспечивает повышение качества отливок за счет снижения дефектов типа «засор керамический».
2
Кроме того, в составе суспензии последующих слоев используют наполнитель в виде КДСП с удельной поверхностью 6000-8000 см/г, что обеспечивает экономичность процесса изготовления керамических форм.
Заявляемый способ обеспечивает: повышение срока живучести огнеупорных суспензий, исключение из состава суспензии для последующих слоев наполнителя сложной комбинации, адаптацию к автоматизированному процессу изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям, высокую экологическую и пожарную безопасность при работе с суспензиями, снижение расходов на производство, за счет использования недорогих материалов, повышение качества отливок за счет снижения дефектов типа «засор керамический».
Способ реализуется на роботизированном комплексе и включает изготовление выплавляемого модельного блока, содержащего, как минимум, одну восковую или полимерную модель, нанесение окунанием на модельный блок огнеупорного покрытия в виде слоев огнеупорной суспензии, обсыпку каждого слоя в пескосыпе дождевального типа зернистым электрокорундом по принятой в промышленности схеме - F100/F54/F30, что обеспечивает хорошую адгезию между слоями в сочетании с получением плотной упаковки зерен в слоях керамической формы, послойную сушку огнеупорного покрытия, удаление восковой составляющей модельных блоков, прокалку вытопленных форм. Удаление восковой модели из формы производится в бойлерклаве по штатному режиму, прописанному в технологическом процессе.
Заявляемый способ изготовления керамической формы по выплавляемым моделям  внедрен на роботизированном комплексе литейного производства АО «ОДК-Авиадвигатель» и успешно применяется при изготовлении всей номенклатуры отливок из жаропрочных сплавов на никелевой основе, не имеет ограничений по срокам живучести суспензий, обеспечивает повышение качества отливок за счет снижения дефектов типа «засор керамический», полностью адаптирован к автоматизированному процессу изготовления керамических форм, является экономичным, за счет снижение расходов на производство и использования недорогих материалов, безотходным и экологически безопасным за счет использования водно-коллоидных связующих.
Приведены примеры осуществления способа изготовления керамической формы для литья по выплавляемым моделям.
Пример 1. На модельный блок наносится лицевой слой суспензии следующего состава, мас. %: кислое водно-коллоидное связующее - 21,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F360 - 60,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F1000 - 19,0, последующие слои со 2 по 9 формируются с использованием суспензии на основе концентрата дистен-силлиманитового порошкообразного (КДСП) следующего состава, мас. %: высоко-щелочное водно-коллоидное связующее 51,0, КДСП 49,0. Сушку лицевого слоя производят на конвейере при влажности воздуха 50%, температуре 21°С и скорости воздушных потоков 1,0 м/с в течение 2 часов, сушку последующих слоев производят на конвейере, расположенном в климатической камере, при влажности воздуха 30%, температуре 22°С и скорости воздушных потоков 4,5 м/с в течение 3,5 часов. Окончательную сушку производят в климатической камере не менее 12 часов, а прокалку керамической формы проводят по режиму, исключающему образование α-кристобалита: загрузка керамической формы в холодную печь; нагрев до 750°С, со скоростью 200°С/ч; выдержка при температуре 750°С в течение 3 часов; охлаждение с печью до температуры 80°С.
Пример 2. На модельный блок наносится лицевой слой суспензии следующего состава, мас. %: кислое водно-коллоидное связующее - 22,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F360 - 58,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F1000 - 20,0, последующие слои со 2 по 9 формируются с использованием суспензии на основе КДСП следующего состава, мас. %: высоко-щелочное водно-коллоидное связующее 53,0, КДСП 47,0. Сушку лицевого слоя производят на конвейере при влажности воздуха 52%, температуре 22°С и скорости воздушных потоков 0,9 м/с в течение 2 часов, сушку последующих слоев производят на конвейере, расположенном в климатической камере, при влажности воздуха 32%, температуре 21°С и скорости воздушных потоков 5,0 м/с в течение 3 часов. Окончательную сушку производят в климатической камере не менее 12 часов, а прокалку керамической формы проводят по режиму, исключающему образование α-кристобалита: загрузка керамической формы в холодную печь; нагрев до 745°С, со скоростью 197°С/ч; выдержка при температуре 745°С, в течение 3 часов; охлаждение с печью до температуры 50°С.
Пример 3. На модельный блок наносится лицевой слой суспензии следующего состава, мас. %: кислое водно-коллоидное связующее - 23,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F360 - 56,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F1000 - 21,0, последующие слои со 2 по 9 формируются с использованием суспензии на основе КДСП следующего состава, мас. %: высоко-щелочное водно-коллоидное связующее 55,0, КДСП 45,0. Сушку лицевого слоя производят на конвейере при влажности воздуха 54%, температуре 22°С и скорости воздушных потоков 1,0 м/с в течение 2 часов, сушку последующих слоев производят на конвейере, расположенном в климатической камере, при влажности воздуха 32%, температуре 21°С и скорости воздушных потоков 5,0 м/с в течение 4 часов, окончательную сушку производят в климатической камере не менее 12 часов, а прокалку  керамической формы проводят по режиму, исключающему образование α-кристобалита: загрузка керамической формы в холодную печь; нагрев до 740°С, со скоростью 199°С/ч; выдержка при температуре 740°С, в течение 3 часов; охлаждение с печью до температуры 100°С.
Положительный технический результат получен во всех приведенных примерах осуществления.
По заявляемому способу изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям успешно проведены экспериментальные работы, разработаны технологические режимы и содержание составляющих компонентов вещества, техническое решение внедрено на роботизированном комплексе для изготовления керамических форм в литейном производстве АО «ОДК-Авиадвигатель».
Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, обеспечивает повышение срока живучести огнеупорных суспензий, повышение качества отливок за счет снижения дефектов типа «засор керамический», адаптацию к автоматизированному процессу изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям, высокую экологическую и пожарную безопасность при работе с суспензиями, снижение расходов на производство за счет использования недорогих материалов, исключение из состава суспензии для последующих слоев наполнителя сложной комбинации.