Способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям
METHOD FOR MAKING CERAMIC MOLDS AND RODS ACCORDING TO PERMANENT PATTERNS

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления керамических форм и стержней из огелиеваемых суспензий по постоянным моделям.
Широко известны способы изготовления керамических форм и стержней по Шоу-процессу (Производство точных отливок / И. Дошкарж, Я. Габриель, М. Гоушть и др. – М.: Машиностроение, 1979. – 296 с.; Стрюченко, А.А. Керамические формы в точном литье по постоянным моделям / А.А. Стрюченко, Э.В. Захарченко. – М.: Машиностроение, 1988. – 128 с.).
Недостатками указанных способов являются нестабильность продолжительности отверждения суспензий, низкие прочностные характеристики керамики, склонность к образованию в ней крупных трещин.
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям (Пат. 2157292 Российская Федерация, МПК7 В22С 9/04. Способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям / С.А. Никифоров, А.В. Афонаскин, М.В. Никифорова. – 99106164/02; заявл. 24.03.1999; опубл. 10.10.2000, Бюл. № 28). В соответствии с ним осуществляют изготовление керамических форм и стержней по постоянным моделям, включающее приготовление суспензии на основе огнеупорного наполнителя и кремнеземного гидролизованного раствора этилсиликата, приготовление гелеобразователя, введение гелеобразователя в суспензию при непрерывном перемешивании, заполнение формообразующей оснастки готовой суспензией, выдержку для отверждения форм и стержней в оснастке, извлечение модели из формы или стержня из оснастки, сушку, сборку и прокалку. Причем гелеобразователь приготавливают в виде композиции из порошкообразного наполнителя, органоминерального химического компонента и вещества, регулирующего водородный показатель гелеобразователя.
Этот способ, взятый в качестве прототипа, хотя и обеспечивает стабильность отверждения суспензии, характеризуется следующим рядом существенных недостатков:
- Поскольку используется кварцевый наполнитель суспензии, не удается качественно изготавливать точные отливки, в том числе из химически активных и жаропрочных сплавов, по причине полиморфных превращений кварца и его низкой термохимической устойчивости при заливке расплавов в вакууме.
- При подготовке кремнеземного связующего применяется дорогостоящий, экологически опасный этилсиликат, который подвергается длительному гидролизу в среде пожароопасного спирта с применением вредной соляной кислоты.
- Наличие этилового спирта в керамике вызывает необходимость его выжигания, что делает технологический процесс пожароопасным и экологически вредным.
- Присутствие органических веществ в форме обуславливает высокие температуру прокалки и длительность для их удаления и формирования требуемой структуры и свойств керамики.
- Прочность форм и стержней после отверждения суспензии имеет низкие значения, что приводит к браку отливок, в особенности сложнопрофильных.
В основу изобретения положена техническая задача – разработка способа изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям, который обеспечил бы уменьшение длительности формообразования и повышения физико-механических характеристик керамических форм и стержней, в том числе трещиноустойчивости и термохимической устойчивости в вакууме, для улучшения качества изготовления точных отливок, в особенности сложнопрофильных из химически активных и жаропрочных сплавов. При этом следует обеспечить безопасность жизнедеятельности на стадиях подготовки связующего и гелеобразователя.
Указанная задача решается таким образом, что в способе изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям, включающем подготовку керамической суспензии на основе огнеупорного наполнителя и кремнеземном связующем, приготовление гелеобразователя, введение гелеобразователя в суспензию при непрерывном перемешивании, заполнение формообразующей оснастки готовой суспензией, выдержку для отверждения форм и стержней в оснастке, извлечение модели из формы или стержня из оснастки, прокалку, согласно изобретению при приготовлении суспензии в качестве кремнеземного связующего используют кремнезоль основной, в качестве огнеупорного наполнителя используют порошкообразный муллит с размером частиц 10…40 мкм, гелеобразователь готовят путем плакирования зернистого муллита с размером частиц 160-300 мкм смесью раствора алюмборфосфатного концентрата и силиката кальция в количестве 2-4 % от массы зернистого муллита, после отверждения форм  и стержней осуществляют их обработку в вакууме с остаточным воздушным давлением 1400-2000 Па, а прокаливание осуществляют при температуре 350-600 °С в течении 30-90 минут.
Приготовление суспензии на кремнезольном водном связующем и порошкообразном муллите улучшает экологическую обстановку, устраняет пожароопасность, обеспечивает высокие физико-механические характеристики керамических форм и стержней по постоянным моделям и высокую точность отливок.
Подготовка гелеобразователя путем плакирования зернистого муллита с размером частиц 160-300 мкм смесью алюмборфосфатного концентрата и силиката кальция в количестве 2-4 % от массы зернистого муллита создает условия для равномерного распределения гелеобразователя в объеме керамической суспензии. Это приводит к ускорению формообразования и исключению образования крупных трещин в керамике. При этом формируется мелкая сетка трещин, необходимая для газопроницаемости керамики. Кроме того, при последующей прокалке керамики кремнезем связующего в результате взаимодействия с алюмоборфосфатным концентратом становится химически связанным. Продукты взаимодействия являются термохимически устойчивыми, как и муллитсодержащий наполнитель, к заливаемым в вакууме химически активным и жаропрочным сплавам (титановым, никелевым). Это повышает качество точных отливок из таких сплавов.
Вакуумирование отвержденных керамических форм и стержней с остаточным воздушным давлением 1400-2000 Па обеспечивает надежное и стабильное удаление «свободной» влаги, ее высокую трещиноустойчивость, а также создаются условия для снижения температуры и продолжительности последующей прокалки.
Таким образом отличительные признаки в своей совокупности вызывают ускорение формообразования и повышение физико-механических свойств керамических форм и стержней, что улучшает качество изготовления точных отливок, в особенности сложнопрофильных из химически активных и жаропрочных сплавов.
Заявленный способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям осуществляют следующим образом.
Приготавливают керамическую суспензию из огнеупорного наполнителя – порошкообразного муллита с размером частиц 10-40 мкм и кремнеземного связующего, в качестве которого используют кремнезоль основной. Приготовление суспензии ведут путем перемешивания ингредиентов в мешалке с частотой вращения крыльчатки 1500 – 1800 об/мин в течение 30 – 40 мин. Затем приготавливают гелеобразователь. Для этого зернистый муллит с размером частиц 160-300 мкм плакируют смесью алюмборфосфатного концентрата и силиката кальция в количестве 2-4 % от массы зернистого муллита.
При количестве плакирующей смеси меньше, чем 2 % от массы зернистого муллитане удается обеспечить стабильного и равномерного отверждения суспензии в оснастке. Количество плакирующей смеси больше, чем 4 % от массы зернистого муллита вызывает преждевременное выпадение геля в отдельных микрообъемах суспензии. Это значительно снижает прочностные характеристики керамики.
Затем вводят гелеобразователь в подготовленную ранее суспензию при непрерывном перемешивании. Заливают суспензию в формообразующую оснастку. В зависимости от количества гелеобразователя происходит отверждение суспензии в оснастке в течение 15–20 мин. Форму или стержень устанавливают в вакуумную камеру для удаления «свободной» влаги при остаточном воздушном давлении 1400–2000 Па в зависимости от массы формы и стержня.
При остаточном воздушном давлении больше, чем 2000 Па не обеспечивается качественное удаление «свободной» влаги, что вызывает брак керамических форм, стержней и точных отливок. Остаточное воздушное давление меньше, чем 1400 Па не целесообразно по причине неоправданных затрат энергии на создание глубокого вакуума.
Окончательным этапом является прокалка керамических форм и стержней. Причем в отличие от аналогов и прототипа удается существенно снизить температуру и продолжительность прокалки, которые составляют 350 – 600 °С и 30 – 90 мин в зависимости от габаритов форм и стержней. Это уменьшает энергоемкость и повышает эффективность этого способа литья точных отливок, в особенности сложнопрофильных из химически активных и жаропрочных сплавов.
Предлагаемый способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Готовят керамическую суспензию из кремнезоля основного (30 % масс.) и огнеупорного наполнителя (70 % масс.). В качестве последнего используют порошкообразный муллит с размерами частиц 10–40 мкм.
Подготовку суспензии осуществляют путем перемешивания ингредиентов в мешалке с частотой вращения крыльчатки 1500 об/мин в течение 30 мин. Затем приготавливают гелеобразователь. Для этого в зернистый муллит с размерами частиц 160–300 мкм заливают раствор алюмоборфосфатного концентрата, перемешивают в шнековом смесителе 2…3 мин, затем засыпают порошок силиката кальция и вновь перемешивают в течение 2 минут. Полученный материал обладает сыпучестью, может храниться неограниченно во времени и использоваться по мере необходимости. Силикат кальция отверждает раствор алюмоборфосфатного концентрата и равномерно распределяется на зернах муллита, надежно адгезируя в пленке связующего. Таким образом, осуществляется плакирование зернистого муллита смесью алюмоборфосфатного концентрата и силиката кальция, обладающих коагулирующим воздействием на кремнезольное связующее керамических форм и стержней.
В примере 1 готовят три вида гелеобразователя с разным количеством плакирующей смеси, соответственно 2; 3; 4 % от массы зернистого муллита, и их вводят в три емкости с подготовленной керамической суспензией из расчета 20 % масс гелеобразователя к массе суспензии при ее непрерывном перемешивании. Затем три вида суспензии заливают в оснастку (три опоки с моделями). Выдерживают суспензию в оснастке для формирования форм, по окончании чего удаляют постоянные модели. Формы помещают в вакуумную камеру, где при остаточном воздушном давлении 1800 Па в течение 10 минут осуществляют удаление «свободной» влаги. Окончательным этапом является прокалка форм и заливка в них расплавленного металла с получением отливок из стали 20ГЛ, титанового сплава ВТ5Л, жаропрочного никелевого сплава ЖС6У. Параллельно изготавливают керамические формы согласно прототипу. Сравнительные данные по характеристикам форм и отливок представлены в табл.1.
Анализ полученных результатов показывает, что заявленный способ позволяет существенно сократить цикл формообразования и улучшить физико-механические характеристики керамических форм, в том числе трещиноустойчивость и термохимическую устойчивость при снижении энергоемкости их изготовления. Это обеспечивает снижение брака точных отливок и повышение качества их изготовления, в том числе из химически активных и жаропрочных сплавов.
Таблица 1
Сравнительные показатели способов изготовления керамических форм
по постоянным моделям
Показатель
Прототип
Заявленный способ при количестве плакирующей смеси, % масс
2
3
4
1. Продолжительность изготовления формы, мин.
120
90
70
60
2. Прочность образцов при изгибе, МПа:а) после отвержденияб) после прокалки
1,53,5
7,08,2
7,68,8
7,28,3
3. Наличие крупных трещин
есть
нет
нет
нет
4. Газопроницаемость, ед.
2
6
9
7
5. Температура прокалки, °С
900
450
380
420
6. Продолжительность прокалки, мин
180
80
65
60
7. Наличие заливов на отливках из стали 20ГЛ
есть
нет
нет
нет
8. Толщина альфированного слоя на отливках из ВТ5Л, мкм
180
10
1
1
9. Толщина видоизмененного слоя на отливках из ЖС6У, мкм
30
0
0
0
Пример 2. Изготовление керамических стержней осуществляют аналогично способу, представленному в примере 1. При этом подготовку гелеобразователя проводят путем плакирования зернистого муллита с размерами частиц 160–300 мкм смесью алюмоборфосфатного концентрата и силиката кальция в количестве 3 % от массы зернистого муллита. В ходе испытаний варьируют остаточное воздушное давление для вакуумной обработки керамики: 1400; 1600; 2000 Гц. Влияние этого параметра на свойства керамических стержней представлено в табл.2. Удаление «свободной» влаги из керамических стержней путем вакуумной обработки позволяет повысить прочностные характеристики и газопроницаемость керамики, снизить температуру и продолжительность ее прокалки. Это улучшает качество изготовления точных отливок, в особенности сложнопрофильных.
Таблица 2
Влияние вакуумной обработки на свойства керамических стержней
Наименование свойств
Вакуумная обработка при остаточном давлении, Па
1400
1600
2000
1. Прочность образцов при изгибе, МПа:а) после вакуумной обработкиб) после прокалки
8,49,3
8,08,9
7,58,5
2. Температура прокалки, ° С
350
400
500
3. Продолжительность прокалки, мин
60
70
90
4. Газопроницаемость после прокалки, ед.
10
9
7
Учитывая повышенные свойства керамических форм и стержней, технологичность, заявленный способ их изготовления может быть использован практически в любых отечественных и зарубежных цехах точного литья в керамические формы из огеливаемых суспензий по постоянным моделям для нужд авиастроения, нефтегазового комплекса, приборостроения.