СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕСКРЕМНЕЗЕМНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ ДЛЯ ТОЧНОГО ЛИТЬЯ МЕТАЛЛОВ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
METHOD OF PRODUCING SILICALESS CERAMIC MOULDS FOR PRECISE METAL INVESTMENT CASTING

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления бескремнеземных оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве особо ответственных отливок из жаропрочных и тугоплавких металлов с направленной и монокристаллической структурой.
В отличие от равноосного литья, при котором внутренние слои прогреваются до 1350-1380°С, при направленной кристаллизации форма перед заливкой металлом нагревается до 1500-1600°С. Длительное пребывание ее в условиях высоких температур и гидростатических давлений расплавленного металла может приводить к деформации, растрескиванию или разрушению формы. Ввиду высокой химической активности легирующих элементов жаропрочных сплавов между металлом и формой происходит физико-химическое взаимодействие. В связи с этим к керамической форме, используемой при литье деталей с направленной и монокристаллической структурой, предъявляются повышенные требования по огнеупорности, прочности, деформационной и термохимической устойчивости (Пат. РФ 2274510, МПК B22C 1/00, 2006 г.; Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия). М.: МИСИС, 2001).
2
2
3
2
В настоящее время промышленно применяемыми связующими для изготовления корундовых форм являются этилсиликат и коллоидальный кремнезем, образующие диоксид кремния SiO. Присутствие в форме, состоящей из α-AlO, свободного SiO является причиной недостаточной огнеупорности оболочковой формы выше 1400°С. Диоксид кремния взаимодействует с компонентами жаропрочного сплава и щелочными примесями в составе корунда, частично разлагается при высоких температурах в условиях вакуума. Форма размягчается вплоть до ее разрушения еще до окончательного формирования отливки.
Известен состав керамической суспензии, используемой для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве отливок с направленной структурой, содержащий раствор гидролизованного этилсиликата 20-40 мас.%, алюминиевый порошок 1,5-8 мас.%, перхлорат калия 0,1-1,0 мас.% и огнеупорный наполнитель - остальное (А.с. СССР №1238880, МПК B22C 1/16, 1986 г.).
Данное техническое решение обладает существенными недостатками. Во-первых, необходимость создания в литейных цехах участка гидролиза этилсиликата с целью получения связующего, что делает процесс более трудоемким. Во-вторых, использование этилсиликатного связующего требует вакуумно-аммиачной сушки керамических слоев оболочковой формы. В-третьих, связующие растворы этилсиликата и суспензии, изготовленные на их основе, обладают ограниченной живучестью (не более 7 суток), склонны к огеливанию при незначительных нарушениях условий их эксплуатации, что повышает себестоимость керамических форм за счет значительных безвозвратных потерь материалов. В-четвертых, значительная степень взаимодействия внутреннего слоя керамической формы с расплавом из-за наличия диоксида кремния в этилсиликатном связующем.
Известен способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для литья отливок с направленной структурой, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии, обсыпку каждого слоя огнеупорным материалом, сушку, удаление модели, пропитку формы упрочняющим раствором и прокалку при температуре 1150-1350°С в течение 4-8 часов (Пат. РФ 2343038, МПК В22С 9/04, 2007 г.).
Наиболее близкий по достигаемому результату и принятый нами за прототип является способ изготовления бескремнеземных оболочковых форм, включающий послойное нанесение на воскообразную модель суспензии на основе эпоксидной смолы в органическом растворителе, обсыпку ее огнеупорным материалом, сушку слоев керамической формы в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (СВЧ), удаление воскообразной модели в поле СВЧ в два этапа (Пат. РФ №2285575, В22С 9/04, 2006 г.).
3
Недостатком известного изобретения является экологическая вредность из-за использования эпоксидного связующего. Предельно допустимая концентрация эпоксидного связующего в области рабочей зоны составляет ПДК=0,8-1,0 мг/м.
Задачей данного изобретения является улучшение качества литья по выплавляемым моделям за счет повышения термостойкости и огнеупорности, повышения живучести суспензии, улучшение качества получаемых отливок в процессе направленной кристаллизации, сокращение расходов на их доработку, улучшение экологической безопасности при работе с суспензией.
Для достижения поставленной задачи предложен способ изготовления бескремнеземных керамических форм по выплавляемым моделям, включающий изготовление модели, послойное нанесение на воскообразную модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда в качестве наполнителя и алюмоорганического связующего, последующую обсыпку каждого слоя зернистым материалом на основе электрокорунда, сушку слоев керамической формы, удаление модели и прокалку керамической формы, отличающийся тем, что сушку слоев оболочковой формы проводят с выдержкой в камере с влажностью не менее 95% - для первого слоя 1 час, второго слоя - 3 часа, остальных - 4-6 часов и последующей конвективной сушкой каждого слоя в течение часа, прокаливание керамических форм проводят при температуре 1000-1350°С в течение 4-6 часов, причем керамическая суспензия содержит в качестве связующего алкоксиалюмоксановые олигомеры общей формулы:
x
y
z
RO{[-Al(OR)-О-][-Al(OR*)-О-]}H,
n
2n+1
3
n
2n+1
где z=3÷100; х+у=1; R*/Al=0,05÷0,95; R=CH; n=1÷4; R*=С(СН)=СНС(O)CH.
Бескремнеземное алюмоорганическое связующее получают по патенту РФ №2276155, C07F 5/06, 2006 г., а приготовление керамической суспензии осуществляется по патенту РФ №2082535, В22С 1/06, 1/16, 1997 г.
Изготовление керамических оболочек производят последовательным окунанием модели в суспензию и ее обсыпку огнеупорным зернистым материалом на основе электрокорунда.
Сушку каждого керамического слоя проводят в две стадии. Первую стадию проводят в камере с повышенной влажностью (не менее 95%): выдержка первого слоя - до 1 час, второго - до 3 часов, последующие - 4-6 часов. Вторая стадия - конвективная сушка до равновесного с окружающей средой влагосодержания.
Модельная масса выплавляется методом СВЧ-нагрева, либо в расплаве модельной массы, либо в бойлер-клаве.
Большое значение на получение качественной керамической формы оказывают температура и время прокалки оболочки. Прокаливание керамических форм следует производить при температуре 1000-1350°С в течение 4-6 часов, что способствует выгоранию органических составляющих, присутствующих в форме.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
В лабораторных условиях был изготовлен блок из воскообразной модельной массы. На него послойно наносили керамическую суспензию, включающую в себя, мас.%:
алюмоорганическое связующее
25
активатор, АСД-4
7
огнеупорный наполнитель
остальное,
с последующей обсыпкой каждого слоя зернистым электрокорундом. Также, с целью оценки связующих свойств, были изготовлены образцы оболочковой формы для испытаний на статический изгиб. После нанесения каждого слоя производили сушку керамической формы в камере с влажностью 95% с последующей конвективной сушкой. После нанесения последнего слоя следовала операция удаления модельного состава, для чего форма погружалась в расплав модельной массы. Керамическую форму прокаливали при температуре 1350°С в течение 4 часов.
В результате получили керамическую форму, обладающую достаточной прочностью для сохранения геометрических параметров в процессе направленного затвердевания отливки. После охлаждения формы и удаления керамики пригар полностью отсутствовал.
Остальные примеры выполнены аналогично примеру 1, данные приведены в таблице 1. Во всех случаях слой взаимодействия на границе металл-форма отсутствовал.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления керамической оболочковой формы имеет следующие преимущества:
- позволяет получать бескремнеземную высокотермостойкую огнеупорную корундовую форму с необходимыми механическими характеристиками;
- алюмоорганическое связующее является готовым связующим, и поэтому не требует дополнительной доработки в условиях литейного производства;
- использование алюмоорганического связующего позволяет увеличить живучесть суспензии (срок хранения суспензии в герметично закрытой таре практически не ограничен);
- использование алюмоорганического связующего позволяет повысить экологическую безопасность (за счет устранения летучих кислот и аммиачной среды при сушке слоев покрытия);
- обеспечивает вовлечение в оборот до 95% возврата сырья;
- исключает образование пригара на границе металл-форма.
Таблица 1
Состав и физико-механические характеристики керамических форм.
№ пп.
Состав керамической суспензии
Температура прокаливания оболочковых форм, °С
20
1000
1250
1350
Связующее, мас.%
АСД-4, мас.%
Наполнитель
Предел прочности при статическом изгибе, МПа
1
25
5
Ост.
2,2
4,2-4,5
7,0
11,8
2
25
7
Ост.
2,4
4,8
7,4
15,5
3
25
10
Ост.
2,7
5-5,4
9,4
19,2
4
25
12
Ост.
3,0
5,5-5,8
14,1
20,5