СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
MANUFACTURING METHOD OF FORMS FOR CASTING ON MOLTEN MODELS

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении отливок из высокопрочных, легированных, нержавеющих сталей сложной геометрической формы при плавке и заливке в вакууме.
Наиболее близким аналогом является способ изготовления форм для литья по выплавляемым моделям, включающий изготовление оболочки путем послойного нанесения на выплавляемую модель суспензии на основе огнеупорного материала с применением в качестве связующего этилсиликата, удаление модельного состава, установку оболочки в опоку, заполнение опоки огнеупорным материалом, прокалку (RU №2314891, МПК В22С 9/04 C1, 20.01.2008).
Недостатком данного способа является необходимость при изготовлении огнеупорной оболочки вводить в отдельные слои и при формовке в опорный наполнитель графит. Кроме того, при таком способе при плавке и заливке в вакууме происходит разрушение крупногабаритной оболочки.
В работе А.А Берстнева, С.П. Серебрякова «Влияние состава формы по выплавляемым моделям и условий литья жаропрочных сталей на образование поверхностных дефектов» [1] отмечено, что одной из проблем при производстве отливок литьем по выплавляемым моделям является питтинг - пораженность точечными поверхностными дефектами, выявляемыми как вмятины глубиной до 1,5 мм и диаметром до 5,0 мм.
Для предупреждения брака по точечным поверхностным дефектам предложены следующие мероприятия:
1. Для торможения миграции кремнезема и снижения химической активности первого слоя в огнеупорную суспензию лицевого слоя помимо огнеупорного наполнителя, вволится микропорошок АСД4 из расчета 8-10% от веса наполнителя для липового слоя керамической формы.
2. Для снижения содержания врелных примесей в керамической форме разработан способ обработки керамических форм на основе искусственного кварца (маршаллита), заключающийся в нагреве на воздухе при температуре 460-480°C с промывкой форм водой, предварительно электрически ионизированной до уровня pH 2-5 (патент RU №2285576, МПК В22С 9/04, 20.10.2006).
3. Для минимизации содержания кремнезема в керамической форме предложено изготавливать лицевой слой из смеси микропорошка электрокорунла фракций F230, F360, F800.
4. Для торможения миграции кремнезема и снижения химической активности первого слоя в огнеупорную суспензию лицевого слоя помимо огнеупорного наполнителя, вводится микропорошок АСД4 из расчета 8-10% от веса наполнителя для лицевого слоя керамической формы.
5. Для снижения содержания вредных примесей в керамической форме разработан способ обработки керамических форм на основе искусственного кварца (маршаллита), заключающийся в нагреве на воздухе при температуре 460-480°C с промывкой форм водой, предварительно электрически ионизированной до уровня pH 2-5 (патент RU №2285576, МПК В22С 9/04, 20.10.2006).
6. Для минимизации содержания кремнезема в керамической форме предложено изготавливать лицевой слой из смеси микропорошка электрокорунда фракций F230, F360, F800.
Предлагаемые мероприятия снижают окисление и количество точечных дефектов на поверхности отливок, но не устраняют полностью причину их образования в процессе заполнения керамической оболочки в форме, при этом значительно усложняют технологический процесс.
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание способа изготовления формы для литья по выплавляемым моделям, при помощи которого при плавке и заливке в вакууме обеспечивается получение отливок из высокопрочных, легированных нержавеющих сталей без общего окисления, а так же в виде отдельных точек (питтинга), не требующих черновой очистки поверхности.
2
Данный технический результат достигается способом изготовления форм для литья по выплавляемым моделям, включающим изготовление оболочки путем послойного нанесения на выплавляемую модель суспензии на основе огнеупорного материала с применением в качестве связующего этилсиликата. Потом удаляют модельный состав и устанавливают оболочку в опоку, заполняют опоку огнеупорным материалом. Проводят прокалку. При формовке на наружную поверхность огнеупорной оболочки, оформляющую отливку, предварительно наносят графит из расчета 1 грамм на 1 смплощади без учета поверхности литниково-питающей системы. Остальной объем опоки заполняют шамотной крошкой и герметизируют поверхностным слоем, состоящим из шамотной крошки и жидкого стекла толщиной не менее 50 мм, и вакуумируют.
На примере конкретного выполнения способ реализуют следующим образом.
Огнеупорную оболочку изготавливают с использованием совмещенного способа гидролиза этилсиликата, предложенного М.Н. Ефимовым и З.А. Анчеевой [2]. Сущность его заключается в том, что гидролиз происходит одновременно с процессом приготовления огнеупорной смеси. Смеситель заполняют расчетным количеством растворителя, подкисленной воды, и этилсиликатом при вращении лопатки смесителя со скоростью 2800 об/мин.
Одновременно в зависимости от марки стали, конфигурации и веса отливки в смеситель подается один из пылевидных огнеупорных материалов: маршаллит, плавленый кварц или электрокорунд.
2
При совмещенном способе в процессе гидролиза вокруг каждого зерна пылевидного материала образуется тонкая пленка связующего, что обеспечивает высокую прочность крупногабаритной огнеупорной оболочки более 50 кг/см. Для изготовления крупногабаритных отливок для деталей ракетных двигателей (весом до 150 кг) в зависимости от габарита и веса отливок на модельные блоки наносят от 12 до 18 слоев огнеупорного покрытия. Удаление модельного состава из огнеупорной оболочки осуществляют в бойлерклаве перегретым паром при температуре 200°C и давлении до 12 атмосфер.
2
При формовке на наружную поверхность огнеупорной оболочки, оформляющую отливку, предварительно наносят графит из расчета 1 грамм на 1 см площади без учета поверхности литниково-питающей системы.
Остальной объем опоки заполняют шамотной крошкой и герметизируют поверхностным слоем, состоящим из шамотной крошки и жидкого стекла толщиной не менее 50 мм, и вакуумируют.
Огнеупорные оболочки, заформованные в опоки, прокаливают в печи ЛПС при температуре 900-1000°C.
Известно [3], что при недостатке кислорода первоначально происходит неполное сгорание углерода с образованием газообразной окиси углерода:
2
2C+O→2CO
Выше 300°C окись углерода неустойчива и разлагается с образованием двуокиси углерода и атомарного углерода:
2
2CO·2CO+C
Таким образом, в процессе прокалки в зоне наружной поверхности огнеупорной оболочки за счет сгорания углерода создается безокислительная газовая среда, состоящая из окиси углерода и углекислого газа.
-1
-2
Перед заливкой, сразу после прокалки, формы устанавливают в предварительную камеру вакуумной плавильной печи ВИАМ-24. Во время вакуумирования во внутренней полости оболочки создается вакуум 10-10 мм рт.ст.
Разность парциального давления, составляющих газовой среды, между наружной и внутренней поверхностями оболочки способствует образованию безокислительной газовой среды во внутренней полости огнеупорной оболочки.
При заливке высокопрочной, легированной нержавеющей стали ВНЛ1 (0,8X14H7MЛ) при температуре 1580+10°C огнеупорная оболочка нагревается до температуры выше 1300°C.
2
Основой маршаллита, плавленого кварца, этилсиликата, входящих в состав огнеупорной оболочки, является кремнезем - двуокись кремния (SiO).
Точка кипения двуокиси кремния составляет 2590°С [4].
Однако в вакууме двуокись кремния начинает испаряться при температуре выше 1200°C, при этом пары двуокиси кремния диссоциируются с образованием атомарного кислорода и паров окиси кремния по схеме [5].
2
SiO·SiO+O
Таким образом, при плавке и заливке в вакууме, образование атомарного кислорода при отсутствии безокислительной газовой среды приводит к поверхностному окислению и питтингу на наружной поверхности отливок корпуса.
В процессе отработки новой технологии было определено оптимальное количество углерода на единицу поверхности огнеупорной оболочки для устранения окисления и образования питтинга.
Результаты работы приведены в таблице 1.
Таблица №1
№ п/п
Технологический процесс изготовления
Количество залитых отливок
Окисление и питтинг на наружной поверхности, %
Примечание
1
Серийный технологический процесс
440 (20 партий)
80
Участки окисления размером до 5 см<sup>2</sup>
2
Нанесение графита на поверхность оболочки 0,5 г/см<sup>2</sup>
66 (3 партии)
50
Окисление в виде питтинга размером до 0,5 см<sup>2</sup>
3
Нанесение графита на поверхность оболочки 1,0 г/см<sup>2</sup>
110 (5 партий)
Отсутствует
Как видно из таблицы защита от окисления определяется количеством графита кристаллического ГЛС - 1,2 ГОСТ Р-52729-2002 на единицу площади огнеупорной оболочки.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления форм для литья по выплавляемым моделям позволяет производить отливку в вакууме без образования окисления и питтинга, устраняет необходимость черновой очистки поверхности.
Список литературы
1. Журнал «Литейщик России» №4, 2012 г., А.А. Берстнев, С.П. Серебряков «Влияние состава формы по выплавляемым моделям и условий литья жаропрочных сталей на образование поверхностных дефектов», с.20-23.
2. Литье по выплавляемым моделям. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. Под редакцией Я. И. Шкленника и В.А. Озерова. М: «Машиностроение», 1971, (Инженерная монография), с.227-228.
3. А.П. Гуляев «Термическая обработка стали». Изд. 2-е, переработанное и дополненное, Машгиз, Москва, 1960, с.394.
4. Краткий справочник химика. Изд. шестое, переработанное и дополненное. ГХИ, Москва, 1963, с.93.
5. Б.В. Некрасов «Основы общей химии». Из-во: Химия, Москва, 1969, Том 2, второе стереотипное издание, с.96.