Способ изготовления керамической литейной формы
METHOD OF MAKING CERAMIC MOLD

Изобретение относится к способам изготовления керамических литейных форм и может быть использовано в машиностроении, черной и цветной металлургии и других отраслях промышленности.
Известен способ изготовления керамической литейной формы, включающий нанесение керамической смеси на модель из геля, выдерживание смеси до затвердевания и удаление модели путем погружения в нагретую среду, при этом остатки геля могут быть удалены при помощи глицерина [US5906781, дата публикации: 25.05.1999 г., МПК: B22C 7/02].
Известен способ изготовления керамической литейной формы, включающий нанесение керамической смеси на модель из этиленвиниловой смолы и кетонов жирной кислоты, выдерживание керамической смеси до затвердевания и удаление модели путем погружения в ванну с нагретым глицерином [US4064083, дата публикации: 20.12.1977 г., МПК: B22C 7/02].
Общим недостатком известных способов изготовления керамических форм является низкая прочность моделей, объемная усадка и коробление при литье в пресс-форму, а также необходимость выполнения операций пайки при сборке модельных блоков, в процессе чего модели могут испытывать тепловые и механические воздействия, приводящие к дополнительным деформациям. Это происходит из-за того, что модели изготавливаются из органических материалов на основе предельных углеводородов или смеси других органических веществ, что приводит к необходимости увеличения массы отливки посредством дополнительных технологических припусков, а также становится невозможным изготовление высокоточных керамических литейных форм, имеющих внутри тонкостенные сложные конструкции.
В качестве прототипа выбран способ изготовления керамической литейной формы, включающий размещение модели из сплава висмута и олова в керамической смеси, сушку керамической смеси, и удаление модели путем нагревания керамической формы в печи при температуре 180°C [EP240190A2, дата публикации: 07.10.1987 г., МПК: B28B 3/00].
Преимуществом прототипа перед известными техническими решениями является возможность изготовления высокоточных керамических литейных форм, имеющих сложные тонкостенные конструкции за счет применения модели из сплава висмута и олова, обладающей низкой (нулевой) усадкой и высокими прочностными характеристиками. Однако существенным недостатком прототипа является низкое качество внутренней поверхности изготавливаемой керамической литейной формы из-за пленки оксида висмута, которая образуется при изготовлении формы и за счет прочных адгезионных связей остается на внутренней поверхности керамической литейной формы после удаления модели, вследствие чего может образовываться брак керамической литейной формы или брак отливки (детали), т.к. пленка попадает в состав металла, заливаемого в керамическую форму, либо может потребоваться выполнение дополнительной механической обработки внутренней поверхности керамической литейной формы, в результате чего снижается качество ее изготовления, что негативно сказывается на стабильности технологического процесса и качестве деталей, изготавливаемых с помощью литейной керамической формы.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является повышение качества изготовления керамической литейной формы.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является снижение риска осаждения или повторного образования пленки оксида висмута на внутренней поверхности керамической литейной формы в процессе удаления модели из сплава висмута и олова.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Способ изготовления керамической литейной формы, включает нанесение керамической смеси на модель из сплава висмута и олова, сушку керамической смеси и удаление модели из керамической литейной формы. В отличие от прототипа удаление модели из керамической литейной формы производят с помощью глицерина, нагретого до температуры 140-290°C.
Модель из висмута и олова имеет температуру плавления до 250°C и может быть изготовлена любыми известными способами формообразования, например литьем, штамповкой, механической обработкой заготовки до нужной формы или посредством аддитивного выращивания модели методом 3D печати. Модель из висмута и олова может быть геометрически выполнена таким образом, чтобы обеспечивать отсутствие участков с гидравлическими карманами в керамической форме и обеспечивать необходимое количество сливов для полного удаления смеси из керамической формы при удалении модели.
Нанесение керамической смеси на модель из легкоплавкого металла может быть осуществлено любым известным способом, например, напылением или погружением в ванну с керамической смесью или другими известными способами. При этом в качестве керамической смеси может быть использовано связующее на водной основе, либо на основе гидролизованного этилсиликата или жидкого стекла, либо на любых других известных типах связующих, обеспечивающих керамический тип связки. При этом кроме связующего может использоваться опорный материал и материал наполнителя суспензии – гранулы оксида алюминия или кремния, либо других известных типов наполнителей, используемых для получения керамики, которые имеют фракционный (гранулометрический) состав от пылевидной до крупнозернистой фракций.
Сушка керамической смеси может быть произведена в течение любого количества времени и любым известным способом. При этом для повышения скорости сушки может быть произведен нагрев керамической смеси до температуры 22-35°C или использованы химические способы ускоренной сушки, к примеру, аммиачная среда для керамических корок на основе гидролизованного этилсиликата.
Удаление модели из керамической литейной формы производят с помощью глицерина, нагретого до температуры 140-290°C, что обеспечивает возможность расплавления легкоплавкого металла. При этом обеспечивается смачивание внутренней поверхности керамической формы и происходит разрушение механической и химической адгезионных связей пленки оксида висмута и поверхности керамической формы, а также происходит закрытие пор керамической формы глицерином, что предотвращает возможность осаждения пленки оксида висмута на поверхности керамической формы, а также попадания окислительной среды во внутреннюю полость формы, способствуя снижению риска повторного образования и/или росту пленки оксида висмута. В случае, если температура глицерина будет менее 140°C, не обеспечивается расплавление легкоплавкого металла, а в случае, если температура глицерина будет более 290°C, повышается риск выделения в атмосферу вредных веществ от нагретого расплава. Удаление модели из керамической формы может быть произведено чистым глицерином или водно-глицериновой смесью
Удаление расплава из керамической формы может быть произведено под действием силы тяжести и/или инерционных сил в процессе плавления модели, либо после полного расплавления всего объема модели путем изменения пространственного положения керамической формы или открытия технологических каналов в керамической форме.
Дополнительно для снижения риска растрескивания керамической литейной формы, удаление модели может быть произведено погружением керамической формы в глицерин при температуре 140°C и постепенным повышением температуры глицерина до 290°C. Например, постепенное повышение температуры может быть произведено со скоростью 10°C/мин.
Дополнительно для снижения риска растрескивания тонкостенной керамической литейной формы и повышения эффективности разрушения адгезионных связей между пленкой оксида висмута и внутренней поверхностью керамической формы перед удалением модели из керамической литейной формы может быть произведено замачивание керамической формы в глицерине при температуре 20-30°C
Дополнительно для повышения эффективности удаления модели, имеющей высокие массогабаритные характеристики, может быть произведено кратковременное окунание керамической формы в нагретый глицерин с ее последующим извлечением и нагревом. При этом нагрев может быть осуществлен любым известным способом, например индукционным, инфракрасным, конвекционным и др.
Изобретение обладает неизвестной ранее совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что удаление модели из сплава висмута и олова производят с помощью глицерина, нагретого до температуры 140-290°C. Благодаря тому, что нагретый глицерин проникает в структуру керамической литейной формы происходит разрушение механической и химической адгезионных связей между пленкой оксида висмута и поверхностью керамической литейной формы, в результате чего пленка оксида висмута захватывается расплавом и удаляется вместе с ним. При этом за счет закрытия пор керамической литейной формы глицерином предотвращается повторное образование пленки оксида висмута. Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в снижении риска осаждения или повторного образования пленки оксида висмута на внутренней поверхности керамической литейной формы в процессе удаления модели из сплава висмута и олова, тем самым повышается качество изготовления керамической литейной формы.
Наличие новых отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии изобретения критерию патентоспособности «новизна».
Совокупность существенных признаков изобретения позволяет достичь ранее неизвестный технический результат, заключающийся в снижении риска осаждения или повторного образования пленки оксида висмута на внутренней поверхности керамической литейной формы в процессе удаления модели из сплава висмута и олова. Это поясняется тем, что в процессе изготовления модели из висмута и олова, как в окислительной, так и в нейтральной среде при последующем перемещении модели в окислительную среду, на поверхности модели образуется пленка оксида висмута. В процессе нанесения керамической смеси на модель, пленка оксида висмута взаимодействует с керамической смесью, в результате чего между ними образуется механическая адгезионная связь, а при сушке керамической смеси, к механической адгезионной связи добавляется прочная химическая адгезионная связь. При удалении модели из керамической литейной формы нагретым глицерином происходит смачивание поверхности керамической литейной формы, что обеспечивает разрушение как механической, так и химической адгезионных связей, а за счет закрытия пор керамической литейной формы исключается возможность повторного образования адгезионных связей между пленками оксида висмута и поверхностью керамической формы. При этом за счет того, что молекулярные силы сцепления на границе расплав-оксидная пленка намного выше, чем молекулярные силы на границе оксидная пленка-глицерин, расплав увлекает за собой пленки оксида висмута и удаляет их из керамической формы. Влияние нагретого глицерина на удаление формы из сплава висмута и олова из керамической литейной формы неизвестно из уровня техники и обеспечивает достижение неочевидного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение может быть реализовано при помощи известных средств, материалов и технологий, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение поясняется следующим примером реализации.
Для изготовления модели брали сплав, состоящий из смеси висмута и олова в следующем соотношении мас. %, олово – 56,5%, висмут – 43,5%, при этом полученный сплав имел температуру плавления 140°C. На затвердевшую модель из смеси висмута и олова наносили керамическую корку посредством окунания в суспензию, состоящую из связующего на основе гидролизованного этилсиликата и наполнителя – гранул оксида алюминия средним размером зерна 3 мкм с последующим обсыпанием опорным наполнителем – гранулами оксида алюминия средним размером зерна 20, 120 и 300 мкм соответственно, при этом для первых двух слоев использовали зерна меньшего размера, а для последующих – большего.
Производили сушку керамической смеси при температуре 23°C. После затвердевания керамической смеси производили удаление модели из керамической литейной формы путем ее погружения в ванну с водно-глицериновой смесью, нагретой до температуры 200°C, в результате чего глицерин проникал через поры керамической формы к поверхности пленки оксида висмута и разрушал адгезионные связи между пленкой оксида висмута и внутренней поверхностью керамической литейной формы. При этом глицерин закупоривал поры керамики и предотвращал доступ кислорода внутрь керамической литейной формы, способствуя снижению риска повторного образования и/или росту толщины пленки оксида висмута.
Происходило расплавление модели, при этом за счет сил адгезионной связи расплав удалял пленку оксида висмута с поверхности керамической литейной формы, а глицерин препятствовал повторному смачиванию внутренней поверхности керамической литейной формы расплавом, снижая риск повторного образования пленки оксида висмута.
Таким образом достигается технический результат, заключающийся в снижении риска осаждения или повторного образования пленки оксида висмута на внутренней поверхности керамической литейной формы в процессе удаления модели из сплава висмута и олова, тем самым повышается качество изготовления керамической литейной формы и качество конечных литых деталей.