Способ изготовления форм при литье по выплавляемым моделям
METHOD OF MAKING CASTING MOLDS IN INVESTMENT PATTERN

Изобретение относится к области литья по выплавляемым моделям (ЛПВМ), в частности к изготовлениям форм с использованием в качестве связующего вещества спиртовых растворов гидролизата этил силиката и растворов коллоидного кремнезема для изготовления ответственных отливов преимущественно из нержавеющих, жаропрочных и титановых сплавов.
Из истории вопроса.
Известны способы изготовления форм при литье по выплавляемым моделям с использованием в качестве связующего спиртовые растворы гидролизованного этилсиликата, так и связующие на водной основе, (например, коллоидного кремнезема). Одним из преимуществ применения водного связующего является его пожаробезопасность и более низкая стоимость (при использовании связующих отечественного производства). Выпускаемые известные марки коллоидного кремнезема в основном стабилизированы ионами натрия или калия и имеют щелочную реакцию Рн порядка 8-10,5. При этом повышение содержания ионов натрия и калия ухудшают физико-механические свойства коллоидного кремнезема при прокалке форм на этом связующем, поскольку за счет загрязнения его примесью этих окислов образуются кристаллические формы кремнезема - (тридемит, кристаболит), имеющие модификационные превращения с изменением объема и т д. ухудшающие термостойкость керамики форм. По этой причине некоторые зарубежные фирмы - производители таких связующих, с целью обеспечения качества стабильности и повышения сроков хранения коллоидного кремнезема, а также для обеспечения необходимого уровня щелочности, вводят в них раствор аммиака, что снижает примеси окислов натрия и калия. Однако, азот и аммиак, остающиеся в составе формы, вызывает дефекты в отливках из жаропрочных и титановых сплавов. Кроме того, существенным недостатком применения водных связующих является значительно более низкая скорость высыхания нанесенных слоев по сравнению со спиртовыми связующими. Так тепловой эффект испарения воды равен 2260 кдж/кг., а тепловой эффект испарения этилового спирта равен 837 кдж\кг - что меньше в 2,7 раза. Ввиду более низкой скорости испарения воды по сравнению со спиртом, при использовании водных связующих возникают трудности в операции сушки форм сложной конфигурации, имеющих углубления и трудно доступные места и т.д. При высыхании нанесенного слоя на водном связующем не происходит необратимого твердения нанесенного слоя, в отличие от этилсиликатных связующих, при высыхании которых протекают явления полимеризации и огеливания нанесенного слоя формы (при обработке слоя в аммиаке). При нанесении последующих слоев на водных связующих происходит набухание предыдущих нанесенных слоев формы, что приводит к замедлению высыхания форм и опасности возникновения деффектов формы в виде расслоения и вспучивания нанесенных слоев. Особенно эти явления проявляются в труднодоступных местах формы при нанесении большого количества слоев.
Для ускорения сушки форм используются различные способы: воздействие полем СВЧ, обдувка простым или осушенным воздухом, инфракрасное или ультрафиолетовое излучения и т.д. При этом используется довольно дорогое сложное оборудование. Однако, в случае форм, имеющих внутренние полости, углубления и труднодоступные места такие приемы ускорения сушки форм не эффективны.
При сушке в поле СВЧ происходит неравномерный трудно регулируемый разогрев формы, особенно выступающих тонкостенных ее частей, а также разогрев модели, приводящий к нарушению ее геометрии и часто - к разрушению формы. По этой причине данный способ не нашел заметного применения в производстве. Обдувка форм воздухом приводит к ускорению высыхания слоя. Однако в труднодоступных местах метод мало эффективен. В качестве примера данной технологии и аналога можно привести линии MK technology (http://mktechnology.ru/products/investnientCasting/shellTechnologv.php http://mktechnology.ru/products/investmentCasting/tunnel.php) производства ФРГ применяющие для ускорения высыхания форм инфракрасное излучение и обдувку подогретым осушенным воздухом. При использовании обдувки форм осушенным подогретым воздухом и использования инфракрасного излучения не удается заметно ускорить высыхания форм в углублениях и трудно доступных местах. Особенно эти проблемы усиливаются при изготовлении форм на водных связующих с большим количеством слоев для крупногабаритных отливок, так как при нанесении последующих слоев происходит пропитывание и увлажнение предыдущих слоев.
Известны технологии изготовления форм при литье по выплавляемым моделям (ЛПВМ) с использованием в качестве связующего спиртовых гидролизатов этилсиликата с уровнем Рн от 1,5 до 3,5 с различным соотношением воды и этоксильных групп (групп Si-OCH этилсиликата, соединений способных связывать воду, т.е. гидролизоваться для обеспечения клеящих свойств связующего). (Литье по выплавляемым моделям: монография / Под ред. Я.И. Шкленника. - М.: Машиностроение, 1984. - 408 с.).
Составы с соотношением воды и этоксильных групп равным 1 к 1 (т.е. гидролизованные полностью на 100%) затвердевают при высыхании необратимо.
Однако такие составы обладают пониженной прочностью и требуют длительного времени для процессов высыхания для необратимой полимеризации. По этой причине они не нашли широко применения в технике. Составы с меньшим соотношением воды и этоксильных групп, например, 0,25-0,5 к 1 (то есть гидролизованные не полностью, а на 25-50%) позволяют получать более прочные формы, однако они при высыхании не твердеют необратимо и способны к набуханию в спиртовых растворах. Для окончательно необратимого отверждения таких составов применяется обработка наносимых слоев в аммиаке для обеспечения отвердения нанесенного слоя путем его огеливания и полимеризации при изменении Рн среды за счет повышение ее щелочности при обработке в аммиаке. Для ускорения скорости высыхания наносимых слоев на этилсиликатных связующих и удаления из нанесенного слоя аммиака применяют различные способы обдувки воздухом и вакуумирования наносимых слоев формы. Способ изготовления форм со связующим на гидролизованном спиртовом растворе этилсиликата с применением вакуумно-аммиачной сушки широко применяется в промышленности и может быть рассмотрен в качестве прототипа. Согласно изветному способу для получения наиболее прочных форм в основном используют гидролизаты с соотношением воды и этоксильных групп - 0,25-0,5. к 1. Такие растворы для обеспечения их окончательного необратимого отверждения обрабатывают в парах аммиака, имеющих щелочную реакцию. Выполнение операций производят в специальных вакуумно-аммиачных камерах, где производится обработка нанесенного слоя аммиаком, затем производится продувка воздухом в камере для удаления аммиака с последующим проветриванием слоя на воздухе вне камеры (так же для дополнительного удаления аммиака). Использование вакуума позволяет повысить скорость высыхания слоев и в труднодоступных местах, и в углублениях формы. Аммиачная сушка, создает условия для гелеобразования покрытия и ускоренного формообразования. Однако отверждение каждого этилсиликатного слоя покрытия протекает лишь с поверхности. В процессе сушки происходит усадка, свободному прохождению которой препятствует неравномерность гелеобразования при воздействии аммиака. В результате возникающие напряжения вызывают появление в пленках этилсиликатного связующего микротрещин, развивающихся в процессе прокалки керамических форм. Что приводит к снижению потенциальной прочности керамических форм, ухудшающей качество отливок
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности изготовления форм для литья по выплавленным моделям с использованием в качестве связующего спиртовых гидролизатов этилсиликата без обработки наносимых слоев в аммиаке, и сокращение времени сушки наносимых слоев при изготовлении сложных форм.
Поставленная задача решается следующим образом
В соответствии со способом изготовления форм для литья по выплавляемым моделям, включающем послойное нанесение на выплавляемую модель суспензии на основе связующих спиртовых гидролизатов этилсиликата с обсыпкой каждого слоя зернистым огнеупорным порошком и его сушкой согласно изобретению последовательно наносят на выплавляемую модель сначала слой суспензии на спиртовом растворе гидролизата этилсиликата с соотношением воды и этоксильных групп этилсиликата 0,25-0,5 к 1, обсыпают зернистым огнеупорным порошком и сушат на воздухе нанесенный слой, а затем наносят слой суспензии со связующим на водном растворе коллоидного кремнезема, обсыпают его зернистым огнеупорным порошком и сушат на воздухе нанесенный слой, при этом последовательное нанесение слоев повторяют до получения 12 слоев. Причем в процессе нанесения слоев уровень Рн водного связующего поддерживают в пределах 8,5-10. В случае необходимости нанесенные слои дополнительно сушат в вакуумной камере без подачи в камеру аммиака.
Существенные отличия предложенного способа изготовления форм для литья по выплавляемым моделям от известных аналогов заключается в следующем;
- согласно предложенному способу последовательное чередование наносимых слоев суспензии на спиртовом гидролизате этилсиликата и последующим нанесением очередного слоя в суспензии на водном связующем коллоидного кремнезема с уровнем Рн 8,5-10 с обсыпкой каждого их наносимых слоев формы зернистым огнеупорным порошком, и сушкой слоев при формировании формы обеспечивают необратимое отверждение последних без необходимости дополнительной последующей обработки наносимых слоев в аммиаке., как у аналогов. Это достигается тем, что влага, не успевшая испариться в труднодоступных местах слоя формы на водном связующем, после нанесения на него слоя с этилсиликатным связующим, связывается этилсиликатным связующим за счет протекания процессов пропитки, диффузии и реакций гидролиза этоксильных групп этилсиликата с образованием спирта. Связывание влаги за счет протекания гидролиза этоксильных групп происходит по реакции:
H<sub>5</sub>C<sub>2</sub>O
Н<sub>5</sub>С<sub>2</sub>О
1
1
1
1
5
2
2
5
2
2
5
НСО - Si-O СН + 2HO = НО - Si - ОН + 2 СНОН
1
1
Н<sub>5</sub>С<sub>2</sub>О
Н<sub>5</sub>С<sub>2</sub>О
с образованием дополнительных молекул спирта, испарение которого позволяет повысить равномерность и скорость высыхания нанесенных слоев и обеспечивает возможность их сушки на воздухе.
Для деталей, имеющих сложную конфигурацию (узкие полости, углубления, труднодоступные места) возможна дополнительная сушка в вакуумной камере с целью ускорения удаления с спирта, причем - без подачи в камеру аммиака, как у аналогов, поскольку в этом нет необходимости.
- согласно предложенному способу обеспечивается возможность сушки слоев без применения специальных реактивов или дополнительной технической оснастки и установок, что повышает экономическую эффективность реализации предложенного способа на практике, кроме того - позволяет избежать использования в производстве опасного вещества - газообразного аммиака.
- согласно предложенному способу поддержание уровня Рн водного связующего в пределах 8,5-10 обеспечивает наиболее эффективный баланс физико-механических свойств формирующихся слоев, поскольку снижение уровня Рн ниже 8,5 замедляет скорость отверждения нанесенного слоя на этилсиликатном связующем, а повышение Рн водного связующего выше 10 ухудшает физико-механические свойства слоев формы на водном кремнеземе.
Приведенные существенные отличия предложенного Способа изготовления форм при литье по выплавляемым моделям соответствуют критерию изобретения «новизна».
Внедрение предложенного Способа изготовления форм при литье по выплавляемым моделям на практике не требует существенного изменения технологии производства и заметных экономических затрат, а также использования специального оборудования, что соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».
На практике предложенный Способ изготовления форм при литье по выплавляемым моделям осуществлялся следующим образом.
Опробование предложенного Способа изготовления форм при литье по выплавляемым моделям осуществлялось в промышленных условиях в литейном цехе на участке титанового литья одного из машиностроительных предприятий г. Уфы.
Для изготовления форм использовались серийные и применяемые в производстве исходные материалы:
2
- водное связующее - коллоидный кремнезем фирмы «Римет» с содержанием SiO - 20%, с уровнем pH - 9,5.
2
- гидролизат этилсиликата - 40 с содержанием SiO - 20% с соотношением воды и этоксильных групп равным 0,4.
- наполнители суспезий и зерновые формовочные материалы - микропорошки и зерно э\корунда различных марок по ГОСТ 28818-90 и ТУ 3988-075-002222224450-99 в соответствии с существующей технологией
- алюминиевый порошок - АСД-4 в качестве наполнителя суспензии на гидролизате ЭТС-40. по ТУ48-5-22226-82
- технологические добавки в суспезию на ЭТС-40 - этилцелозольф в соответствии существующей технологией.
Изготовление форм при литье по выплавляемым моделям предложенным способом производилось путем последовательного чередования нанесения слоев суспензий на водном связующем «Римасол» с последующей обсыпкой зерновым э\корундом в «кипящем» слое, сушкой на воздухе, с последующим чередованием нанесения очередного слоя суспензии на спиртовом гидролизате ЭТС-40, обсыпкой э/корундом, сушкой на воздухе без применения аммиака. Всего таким чередованием наносилось 12 слоев в соответствии с существующей технологией.
Внешний вид образцов выплавляемых моделей представлен на фиг.1 - деталь «улитка» и фиг.2 - деталь «корпус». Деталь «корпус» имеет сложную конфигурацию с расположением в корпусе многих различных отверстий, размером от 30 до 50 мм в диаметре. Деталь «улитка», кроме отверстий имеет длинную (до 120 мм) внутреннюю полость с переменным диаметром от 30 мм до 80 мм. Время сушки каждого слоя по выплавляемым моделям фиг.1 и фиг 2 приведено в таблице на фиг.3.
Выполнение работ производилось на серийных наиболее характерных деталях из титановых сплавов ВТ-20, ВТ-5 сложной конфигурации «улитка» фиг.1 и «корпус» фиг.2, имеющих внутренние полости, отверстия, углубления и труднодоступные места.
Для сравнения нанесение слоев на детали производилось как с применением существующей серийной технологии, так и предложенным способом с чередованием нанесения слоев на водном связующем и спиртовом этилсиликатном связующем. Результаты отображены в Протоколе сравнения потерь веса образцов во времени (фиг.7). Полученные данные показывают более медленное высыхание слоев формы на водном связующем при увеличении количества слоев.
При нанесении слоев на деталь «улитка» фиг.1 отмечено замедленное высыхание слоев во внутренней полости детали после нанесения 5-го слоя ввиду нетехнологичности данной детали, имеющей протяженную внутреннюю полость с переменным диаметром. При этом наличие вспучивания и расслоения нанесенных слоев не наблюдалось.
Заливка готовых форм металлом осуществлялась по существующей заводской технологии. По результатам заливки форм деталей «улитка» фиг.1 и «корпус» фиг.2 предложенным способом отличий от показателей заливки серийных деталей не выявлено, наличие деффектов по внутренней поверхности протяженной полости отливки, а также в других местах, не отмечено.
Также была проведена работа по определению скорости потери веса формой в процессе нанесения слоев методом взвешивания, результаты которой показаны в Протоколе фиг.7.
Для сравнения также проводилось изготовление форм деталей фиг.1 и фиг.2. на водном связующем «Римасол» по известной технологии-аналогу MK Technology.
В качестве наполнителя суспензии на водном связующем использовались микропорошки э/корунда различных марок, в качестве материалов для обсыпки - зерно э/корунда по ГОСТ 28818-90 и ТУ 3988-075-0022222224450-99, что и в предыдущем случае. Погружение блоков моделей в суспензию осуществлялось в соответствии с технологией с использованием манипулятора, обсыпка модельных блоков производилась сверху методом дождевания в соответствии с рекомендацией технологии фирмы MK. Technology.
Перед помещением блоков в камеру сушки производился визуальный контроль состояния нанесенного слоя в течение 5-10 минут в соответствии с принятой технологией. В сушильной камере блоки обдувались осушенным воздухом с регулируемой температурой воздуха в соответствии с рекомендуемым технологическим режимом. Режимы сушки форм детали «корпус» фиг.2 по технологии и на оборудовании MK.Techology приведены в таблице фиг.4.
Удаление модельного состава деталей «улитка» фиг.1 и «корпус» фиг.2 производились в пароавтоклаве по известной серийной технологии. По результатам визуального контроля после удаления модельного состава и прокалки форм, наличия трещин и других дефектов формы не выявлено.
Сравнительный анализ полученных табличных данных режимов сушки деталей форм предложенным способом (фиг.3) и способом - аналогом (фиг.4) соответственно, сравнение диаграмм времени сушки образцов деталей с применением технологии-аналога и заявляемым способом (фиг.5 и фиг.6 соответственно), а также Протокол сравнения потери веса образцов деталей (фиг.7) показали, что применение предложенного Способа изготовления форм при литье по выплавляемым моделям в практической реализации значительно экономичнее и эффективнее аналога.
На основании изложенного считаем, что поставленная задача изобретения решена в полном объеме.