СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ ДЛЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ОТЛИВОК
METHOD TO PRODUCE CASTING CERAMIC MOULDS BY INVESTMENT PATTERNS FOR GEOMETRICALLY COMPLEX CASTS

Данное изобретение относится к области литья по выплавляемым моделям и может быть использовано при получении отливок со сложным профилем. В настоящее время недостаточная экономическая эффективность процесса получения отливок со сложным профилем, получаемых методом литья по выплавляемым моделям, связана с появлением дефектов на литой поверхности. К сложнопрофильным относятся отливки, конструкция которых состоит из сочетания массивных и тонкостенных зон и их резких переходов, например лопатки турбин, что является причиной возникновения термических напряжений при охлаждении отливок после заливки формы. В вогнутой части пера лопатки, имеющей серповидное сечение, действуют сжимающие напряжения при охлаждении, а керамическая форма препятствует усадке металла, при этом на тонких кромках отливки образуются мелкие трещины. Если форма имеет пониженную прочность, то возможен ее разрыв из-за гидравлического и термического удара расплавленного металла в момент заливки, так как замковая часть лопатки имеет массу, в несколько раз большую по сравнению с ее тонкой частью - пером. Если форма не разрушилась, а в ней образовались трещины, то отделившиеся от ее поверхности огнеупорные частицы остаются после затвердевания металла на литой поверхности, что является признаком брака. Так как снижение прочности керамики допустимо только в определенных пределах, задачи проводимых ранее исследований были направлены на разработку способов, позволяющих замедлить затвердевание тонкой части отливки, что снизит вероятность образования трещин в керамике. При медленном затвердевании тонкой части лопатки - кромки возникающие в ней при затрудненной усадке дефекты будут залечиваться поступающей порцией жидкого расплава. Однако при толщине стенки отливки 1 мм процесс затвердевания увеличится ненадолго и этот метод не будет эффективным. Кроме того, сильно снижается производительность процесса, увеличивается его трудоемкость.
Известны три направления:
1) внешняя теплоизоляция той части керамической формы, где формируется тонкая часть отливки;
2) повышение температуры формы перед заливкой сплава;
3) повышение пористости керамики для снижения теплопроводности, при этом в разной степени снижается ее удельная прочность.
К первому направлению можно отнести способ, предназначенный для получения точных отливок неравномерного сечения из сплавов с повышенной склонностью к трещинам, например пустотелых турбинных лопаток (Пат. 4549599 США, №131291, заявл. 17.03.1980, опубл. 29.10.85). Способ предусматривает уменьшение теплопроводности за счет применения внешнего теплоизоляционного покрытия. Покрытие наносится в местах наиболее тонких сечений отливки. В качестве покрытия рекомендуется асбест или алюмосиликат в виде тканых или слоистых волокнистых материалов, которыми обертывают соответствующие части формы. Толщина теплоизоляционного покрытия 16÷25 мм.
Второе направление может быть представлено результатами работы (Билык В.Я., Алексеев А.Г. Влияние теплового режима затердевания отливок на структуру сплава ЖС6-К // Литейное производство, 1973. №9. С.37÷38), в которой исследовали структуру плоских образцов сплава, полученных при разных температурах подогрева формы перед заливкой. Установлено, что у образцов разной толщины получена одинаковая микроструктура по величине зерна при начальной температуре формы 1120°C. Однако в работе (Шпиндлер С.С, Портной Я.П., Калашникова К.Н., Григораш Е.Ф. Повышение плотности лопаток турбин при литье по выплавляемым моделям в вакууме // Литейное производство, 1974. №2. С.2÷3) показано, что для лопатки с длиной пера более 150 мм и толщиной стенки наименьшее количество брака получено при подогреве формы до 850+30°C и температуре заливки сплава 1600+20°C. Отмечается, что при температуре корундо-силлиманитовой формы до 1100°C в ней образуются соединения, вызывающие ее размягчение и разупрочнение. Последнее подтверждается данными работы (Шпиндлер С.С., Ланда М.Н., Мамлеев Р.Ф. Установка для исследования термомеханических свойств оболочковых форм // Литейное производство, 1977. №2. С.25).
Так как появление трещин на поверхности сложнопрофильных отливок связано с низкой податливостью формы, то целесообразно главным параметром качества керамической формы считать ее прочность. Следует отметить, что повышение пористости керамики за счет введения в суспензию выгорающих при обжиге добавок неоднозначно влияет на прочность. После выгорания органической составляющей форма имеет повышенную пористость и пониженную удельную прочность. В работе (Шпиндлер С.С., Ланда М.И., Мамлеев Р.Ф. Оболочковые формы с регулируемыми свойствами // Литейное производство, 1075. №4. С.31-32) показано, что введение в состав суспензии 3÷5 % графита увеличивает пористость керамики всего на 5÷9 %, при этом практически не удалось уменьшить ее прочность. Авторы связывают с малым изменением живого сечения керамики и образованием пор сферической формы малого размера - 20÷40 мкм. В этой же работе показано, что ввод в суспензию 6 % древесных опилок не изменяет прочности керамики как при 20°C, так и при 950°C, что также связано с природой пор. Исключение горячих трещин в отливках за счет снижения прочности восьмислойной электрокорундовой формы удалось получить при использовании суспензии пятого слоя из гидролизованного этилсиликата и графита в количестве 36÷44 мас.% (А.с. 1014625 СССР. Суспензия для формирования промежуточного слоя многослойной оболочковой формы. №3288962, заявл. 13.05.1981, опубл. 30.01.1983. Бюл. №16).
Представленный анализ показывает, что формирование в связующем мелких пор округлой формы мало влияет на прочность керамической формы. Для увеличения размеров пор необходимо увеличивать количество вводимой в суспензию выгорающей добавки. Это приводит к изменению технологических свойств суспензии, например ухудшению ее кроющей способности и появлению некачественного облицовочного слоя керамической формы. Вторым недостатком данного направления при широкой номенклатуре литых деталей является необходимость приготовления дополнительной суспензии, что повышает материалоемкость и трудоемкость производственного процесса.
Известны способы, согласно которым в керамической форме формируют промежуточный слой из органического состава. Это достигается погружением модели с несколькими огнеупорными слоями в органический раствор с последующей сушкой образовавшейся пленки (А.с. 222576 ЧССР. Способ изготовления керамических оболочковых форм. И. Дашкар, X. Натоушек (ЧССР) // Технология машиностроения, 1984. №10. C.71) либо обсыпкой промежуточного суспензионного слоя плакированным обсыпочным материалом (Пат. РФ. №2465092 «Способ плакирования огнеупорных зернистых материалов» №2011110128, заявл. 17.03.2011, опубл. 27.10.2012, Бюл. №30.). При этом возможно получение недостаточной прочности керамической формы в местах расположения массивных частей отливок. Это приводит к пробою формы при ее заливке или размыванию ее поверхности металлическим расплавом. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о необходимости получения керамической формы с различной величиной прочности ее отдельных частей, различающихся по конфигурации и размерам рабочей полости. Прочность керамики в местах тонких сечений детали должна быть меньше.
Сложность технического выполнения этого решения связана с тем, что использование метода погружения модели в раствор или обсыпка суспензионного слоя методом «кипящего слоя» приводит к полной обработке поверхности для детали со сложным профилем. Примером такой детали может быть лопатка с двумя замками, расположенными с двух ее сторон.
Наиболее близким техническим решением к патентуемому является способ (Пат. РФ. №2465092 «Способ плакирования огнеупорных зернистых материалов» №2011110128, заявл. 17.03.2011, опубл. 27.10.2012, Бюл. №30). Способ реализуется за счет обработки обсыпочного материала, находящегося в пескосыпе во взвешенном состоянии, аэрозолью на основе раствора органического лака. Аэрозоль из сосуда подают сверху на поток огнеупорных частиц в течение 1…3 секунд через промежутки в 3…5 секунд под давлением, на 10…30 % превышающим давление воздуха на входе в пескосып. Количество циклов обработки для одного слоя (от 2 до 3) зависит от размера обсыпочного материала и толщины пленки покрытия, которая и определяет величину прочности керамической формы после обжига. В качестве выгорающего материала используют раствор битумного лака плотностью 0,85…0,92 г/см с органическим растворителем. Расход аэрозоля находится в пределах 10…30 мл на один килограмм обсыпочного материала. Плакированный таким способом обсыпочный материал наносят на суспензионные слои - от 3-го до 7-го. Реализация данного способа позволяет на 5÷25 % снизить прочность керамической формы.
Однако данный способ имеет недостатки. Струя аэрозоля, увеличиваясь в диаметре по мере удаления от сопла пульверизатора, прибивает зерно обсыпочного материала к борту пескосыпа. Это вызывает неоднородность распределения органического состава по зернам обсыпочного материала. Кроме того, формирование сплошной органической пленки на зернах обсыпочного материала приводит к образованию на них пустот после обжига, что вызывает ослабление связи между огнеупорными слоями и получение нестабильных результатов прочности. Особенно это опасно при изготовлении керамических форм со сложным профилем, когда напряжения в различных частях формы могут вызвать их растрескивание при высоких температурах.
Цель изобретения: получение керамических форм со стабильными показателями прочности для литых деталей со сложным профилем.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности значений прочности.
Способ реализуется за счет приготовления огнеупорной суспензии, послойного формирования огнеупорных слоев, затем производят сушку и отверждение, подачу на обсыпочный зерновой материал пульсирующей струи органического вещества в виде аэрозоля с расходом 10÷30 см/кг за два или три цикла, выплавление модели, сушку и обжиг полученной керамической формооболочки, причем подачу аэрозоля производят на обсыпочный материал после его нанесения на суспензионный слой и сушки в местах сложного профиля, кроме того, подачу аэрозоля производят в течение 0,5 с за один цикл с периодичностью 1÷2 минуты и подачу аэрозоля производят на 3,5 и 7 слои формы.
Преимуществом способа является плавное уменьшение прочности по сечению керамической формы, что важно в случае получения отливок со сложным профилем. Это достигается за счет следующих факторов:
- обсыпочный материал покрывается только с одной стороны органическим составом, что обеспечивает его связь с одним огнеупорным слоем;
- при нескольких циклах пульсационной обработки качество покрытия зерен обсыпки, закрепленных суспензией предыдущего слоя, выше, т.к. зерна не меняют своего положения в процессе обработки;
- суспензия четных слоев пропитывает поры нечетных огнеупорных слоев, что увеличивает их прочность.
3
3
3
3
3
3
и
и max
и min
ср
и max
и min
ср
Для оценки влияния предложенного способа на прочность керамической восьмислойной формы провели лабораторные испытания стандартных образцов. В качестве модели использовали пластинку из модельной массы ВИ-АМ-102, с обеих сторон которой были по четыре углубления, контур которых после формирования керамической оболочки образовывал границы стандартных образцов. Суспензия на основе гидролизованного этилсиликата-40 с содержанием условного кремнезема 18 % в качестве наполнителя содержала дистенсиллиманит. Вязкость суспензии для первого слоя составляла 43…45 с, второго и последующих - 25…27 с. Обсыпка на первый и второй слои - электрокорунд ЭБ20, на 3…8 слои - электрокорунд ЭБ50. Отверждение огнеупорных слоев проводили вакуумно-аммиачным способом. Обсыпочный материал обрабатывали в пескосыпе напылением аэрозоли лакового раствора с расходом 10 и 30 мл/кг согласно прототипу. Расчет расхода органического раствора производили исходя из его плотности 0,88 г/см, толщины образуемой пленки 10, 30 и 40 мкм, размера зерна обсыпки 500 мкм и плотности корунда 3,99 г/см с учетом того, что корундовые зерна ложатся на суспензию одним слоем и зерна покрываются с одной стороны. При толщине пленки 10 мкм расход органического раствора, наносимого на форму, составлял 8,8 г/м или 10 см/м. Расход органического раствора на 1 кг обсыпочного материала составляет 10 см/кг. Увеличение толщины пленки органического состава до 20 или 30 мкм требует увеличения его расхода соответственно до 20 и 30 см/кг. Аэрозоль наносили одной, двумя и тремя циклами продолжительностью 0,5 с в одну область. Через 1÷2 минуты после одноразовой обработки образуется пленка. После выплавления модели формы сушили и подвергали обжигу при 900°C в течение 4-х часов. От каждой формы отделяли 8 стандартных образцов и испытывали на изгиб σ по трем точкам (Литье по выплавляемым моделям. Монография. / Под ред. Я.И. Шкленника и В.А. Озерова. М.: Машиностроение. 1984. 482 с). Вычисляли среднее значение прочности и отклонение значений прочности от их среднего значения Δ по формуле: Δ=(σ-σ)·100%/σ, где σ, σ и σ - максимальное, минимальное и среднее значение прочности керамических образцов. Результаты приведены в таблице 1
Таблица 1
Параметры способов обработки и результаты испытаний на прочность керамических образцов
№
Способ обработки обсыпки
Количество циклов на 1 слой
Расход органического раствора, мл/кг
σ<sub>и,</sub> кг/см<sup>3</sup>
σ<sub>ср </sub>кг/см<sup>3</sup>
Δ, %
1
Без обработки
-
-
31,16÷32,08
31,62
22,91
2
В «кипящем слое», 3÷5 слои
1
10
29,42÷30,87
30,15
44,88
3
В «кипящем слое», 3÷5 слои
2
20
26,82÷27,93
27,38
44,05
4
В «кипящем слое», 3÷5 слои
3
30
24,86÷26,14
25,50
55,02
5
В «кипящем слое», 3÷7 слои
3
30
23,64÷25,01
24,32
55,63
6
На форму 3,5,7 слои
1
10
29,40÷30,18
29,79
22,62
8
На форму 3,5,7 слои
2
20
26,62÷26,80
26,90
11,27
9
На форму 3,5,7 слои
3
30
24,17÷24,74
24,46
22,29
Представленные результаты показали, что применение предложенного способа позволяет снизить прочность керамической формы на 6,1÷29,3 % (№1 и №6÷9). Обработка неподвижного зерна обсыпочного материала позволила сократить время обработки за один цикл до 0,5 с и тем самым практически исключить образование потеков на зернах. Вторая порция аэрозоля наносится на отвердевший слой органического покрытия. Более качественное покрытие зерен обсыпочного материала сказывается на показателях прочности. Например, при сопоставимых параметрах вариантов №8 и №3 величина наибольшего показателя прочности варианта №3 заметно отличается от минимального показателя и показателей прочности варианта №8. Прочность образцов варианта №9 меньше прочности образцов варианта №4. Применение нового способа позволяет получить стабильные показатели прочности керамических форм. Отклонение этих показателей от среднего значения составило 1,27÷2,29 % при 4,02÷5,63% у прототипа.