Способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям
METHOD FOR MAKING CERAMIC MOLDS BY INVESTMENT WAX

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления керамических оболочковых форм при литье по выплавляемым моделям для получения точных отливок.
Известен способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям с применением водных связующих (Патент RU №2736145, В22С 1/02; В22С 9/12, 2020). Изобретение использовано при литье турбинных лопаток из жаропрочных сплавов. На модельный блок наносят огнеупорное покрытие, каждый слой обсыпают зернистым электрокорундом, сушат, удаляют модель и прокаливают. Суспензия лицевого слоя имеет состав (мас.%): кислое водно-коллоидное связующее (43,0…47,0), концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный (53,0…57,0). Сушат лицевой слой на конвейере. Огнеупорная суспензия последующих слоев, вплоть до восьмого, имеет состав (мас.%): высокощелочное водно-коллоидное связующее (27,0…29,0), микропорошок белого электрокорунда фракции F360 (49,0…51,0), микрошлифпорошок белого электрокорунда фракции F1000 или F1200 (16,0…18,0), алюминиевый порошок (4,0…6,0). Сушат эти слои на конвейере в климатической камере. Сушка каждого слоя длится: облицовочного - 2…3 часа, последующих слоев – 3…4 часа. Окончательную сушку производят в климатической камере не менее 12 часов. При прокалке загружают форму в печь, нагревают до 300°С, выдерживают 5 часов, нагревают до 1070…1100°С со скоростью ≤3°С/мин, выдерживают 7 часов и охлаждают с печью со скоростью ≥5°С/мин до 100…20°С. Обеспечивается повышение срока живучести суспензии и автоматизированное производство керамических форм.
Основным недостатком данного способа является длительный (не менее 35 часов) и энергозатратный цикл формирования огнеупорной формооболочки на модельном блоке в связи с продолжительной воздушной сушкой слоев.
Известен также способ изготовления литейных форм по выплавляемым моделям, для осуществления которого используются суспензии, содержащие в своем составе кремнезоль. (Патент RU №2697678, В22С 1/00; 2019).
Способ включает формирование на модельном блоке по меньшей мере одного слоя керамического покрытия с использованием суспензии, содержащей связующее на основе кремнийсодержащего вещества, модификатора на основе кобальтсодержащего вещества и огнеупорного наполнителя на основе оксида алюминия, формирование наружных слоев керамического покрытия с использованием суспензии на основе кремнийсодержащего связующего и огнеупорного наполнителя, и обсыпку блока после нанесения каждого слоя электрокорундом, при этом в качестве кремнийсодержащего связующего в суспензиях используют кремнезольное связующее на водной основе, а для формирования наружных слоев, начиная по крайней мере со второго слоя, используют суспензию следующего состава, мас. %: электрокорунд 37…50; кварц пылевидный 20…25; кварц плавленый 3…5; кремнезольное связующее на водной основе 20…40. Покрытие наносят окунанием модельного блока с керамическими стержнями в керамическую суспензию с последующей обсыпкой его зернистым материалом. Обсыпку выполняют в следующей последовательности: для первого слоя - электрокорунд F80, для второго слоя - электрокорунд F40, для третьего и последующих слоев - электрокорунд F30. Обсыпку проводят в пескосыпах с псевдокипящим слоем. Время сушки модельного блока после нанесения 1-го слоя составляет 4…6 ч, время сушки модельного блока после нанесения 2-го слоя – 5…6 ч. Время сушки наружных слоев керамического покрытия 4…8 часов. После окончательного формирования литейной керамической формы на модельном блоке проводят удаление модельной массы в бойлерклаве при вертикальном расположении литейных керамических форм чашей вниз. Прокаливание литейных керамических форм проводят в камерной электрической печи при температуре 1000°С.
Технический результат упомянутого аналога: увеличение живучести суспензии, снижение теплопроводности формы, увеличение ее податливости, повышение выхода годного равноосного литья длинномерных тонкостенных заготовок пустотелых лопаток ГТД.
Основной недостаток данного способа также заключается в продолжительном цикле сушки огнеупорных слоев. Формирование огнеупорной оболочки происходит за несколько десятков часов.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому изобретению является способ изготовления керамических форм, описанный в изобретении по патенту РФ №2532583, В22С 9/04; (2014). Данный способ выбран за прототип. Согласно нему,литейные керамические формы изготавливают следующим образом. На модельном блоке формируют оболочку с использованием кремнезольного связующего, огнеупорного наполнителя и обсыпочного материала. Проводят сушку слоев оболочки, вытопку модельного состава в горячей воде. Для формирования первого слоя или двух первых слоев используют суспензию, содержащую, об.%: кремнезоль кислый 37…41 и плавленый кварц 59…63. Для формирования последующих слоев используют суспензию, содержащую, об.%: кремнезоль основной 36…44 и плавленый кварц 56…64. Обеспечивается повышение прочности керамических оболочковых форм. https://fips.ru/registers-doc-view/AbEndhttps://fips.ru/registers-doc-view/DeStartПокрытие наносят окунанием модельного блока в керамическую суспензию с последующей обсыпкой его зернистым материалом. Каждый слой подвергают отверждению - сушке в потоке воздуха с относительной влажностью 40…50% при температуре 20…30°C. Время сушки слоев оболочковой формы на базе кремнезоля кислого не менее 40 мин, на базе кремнезоля основного – не менее 70 мин. После окончательного формирования керамической оболочки на модельном блоке проводят удаление модельной массы в горячей воде. Прокалка производится при температуре 1000°C. Обеспечивается повышение прочности керамических оболочковых форм.
В данном техническом решении заявленное время сушки огнеупорных слоев несколько меньше, чем в вышеприведенных технических решениях, но также весьма продолжительно. Итоговое время формирования керамической оболочки на модельном блоке не менее 10 часов. Однако, при сушке нанесенного слоя суспензии в потоке воздуха отверждение разных поверхностей этого слоя происходит неравномерно из-за неоднородности аэродинамического потока воздуха, связанного с разными конструкциями модельных блоков, например, наличие в них внутренних полостей и поднутрений разных размеров. Это приводит к возникновению в слое напряжений, вызывающих его отслоение и растрескивание.
Технической задачейпредлагаемого изобретения является ускорение формирования огнеупорной формооболочки на модельном блоке.
4
4
4
5
Поставленная задача достигается тем, что согласно предлагаемому способу, на модельном блоке формируют оболочку путем послойного нанесения на модельный блок керамической суспензии на основе основного кремнезоля, обсыпают огнеупорным зернистым материалом, но, согласно изобретению, после нанесения каждого слоя модельно-керамический блок подвергают вакуумированию до остаточного давления 0,506⋅10 Па…5,065⋅10 Па и выдерживают при этом давлении в течение 6…10 минут, а затем в вакуумной камере обрабатывают парами газообразного отвердителя кремнезольного связующего в течение 4…8 минут внешним давлением газообразного отвердителя 6,078⋅10 Па…1,013⋅10 Па. В качестве газообразного отвердителя применяют пары этанола или углекислый газ.
Вакуумирование нанесенного слоя суспензии способствует ускоренному и равномерному удалению воды (дисперсионной среды) из кремнезольного связующего по всем направлениям пространства, а воздействие паров этанола или углекислого газа создает в основном кремнезольном связующем слабокислую среду, способствующую химическому отверждению слоев. В целом, предлагаемый способ ускоряет за счет коагуляции коллоида переход золя связующего в студень и гель, и, тем самым, обеспечивает высокую производительность процесса изготовления формооболочек.
oct
Следует отметить, что в вакууме все поверхности нанесенного на модель слоя суспензии находятся в одинаковых условиях (P = const) и процесс удаления воды из связующего на всех поверхностях формы протекает с одинаковой скоростью. Следовательно, и скорость перехода золя в гель на всех поверхностях протекает с одинаковой скоростью. Это исключает напряжение в слое и его растрескивание.
4
4
4
4
4
4
Способ осуществляется следующим образом. Суспензия готовится на основном кремнезольном связующем, например, «Армосил А» (ТУ 2145-005-95412478-2006) и огнеупорном наполнителе, например, дисперсном муллитовом порошке. В суспензию вводится также смачиватель и пеногаситель в количестве 0,015 % каждый. Условная вязкость суспензии по вискозиметру ВЗ-4 составляет для облицовочных слоев 35…50 с, для последующих слоев 25…40 с. Суспензию наносят окунанием, затем производят обсыпку огнеупорным зернистым материалом, например, муллитом зернистым. После нанесения очередного слоя модельно- керамический бок помещают в вакуумную камеру, производят вакуумирование до остаточного давления 0,506⋅10 Па…5,065⋅10 Па и выдерживают при этом остаточном давлении в течение 6…10 минут В процессе вакуумирования происходит быстрое удаление свободной воды из кремнезоля и его переход в студень. Вакуумирование менее 6 минут не приводит к достаточному обезвоживанию кремнезоля. Вакуумирование более 10 минут не повышает эффективности процесса, а приводит к снижению производительности и лишним энергозатратам. Вакуумирование рабочего пространства вакуумной камеры в пределах остаточного давления 0,506⋅10 Па…5,065⋅10является оптимальным. Более глубокое вакуумирование (до остаточного давления менее 0,506⋅10 Па) может привести к появлению трещин на огнеупорном слое формооболочки вследствие быстрого испарения влаги из кремнезоля. Менее глубокий вакуум (остаточное давление более 5,065⋅10 Па) не удаляет эффективно влагу из кремнезоля.
4
5
5
После проведения вакуумирования отключают вакуумный насос и в рабочее пространство вакуумной камеры подают пары этанола или углекислый газ с целью обеспечения процесса гелеобразования связующего и предотвращения его обратного перехода в золь при нанесении следующего слоя суспензии. Этанол испаряют из емкости с жидким этанолом, подключая её к вакуумной камере. Углекислый газ подают из баллона через редуктор. Обработка менее 4 минут не дает положительного эффекта химического отверждения, а обработка более 8 минут не повышает эффективность, а снижает производительность процесса. Остаточное давление газообразного отвердителя менее 6,078⋅10 Па не дает нужного эффекта вследствие недостаточной концентрации отвердителя, а давление более 1,013⋅10 Па не повышает эффективности процесса, а приводит к дополнительным затратным технологическим сложностям в связи с созданием избыточного давления более 1,013⋅10 Па, т.е. 1 атм.
Приведены примеры практической реализации осуществления заявляемого способа изготовления керамических форм для литья по выплавляемым восковым моделям с ускоренным циклом изготовления за счет применения вакуумной сушки и обработки газообразными отвердителями.
Пример 1. Изготавливают отливку «Колесо рабочее» массой 14,5 кг из стали 12Х18Н10Т Модель отливки получают запрессовкой модельного состава МВС-15 в металлическую пресс-форму. На модельные блоки (в количестве 5 штук, в каждом блоке одна отливка) наносят слои огнеупорной суспензии следующего состава, мас. %: основное кремнезольное связующее «Армосил А» (ТУ 2145-005-95412478-2006) 43,0, смачиватель 0,015 %, пеногаситель 0,015 %, огнеупорный наполнитель – дисперсный муллитовый порошок 57,0.  Условная вязкость суспензии по вискозиметру ВЗ-4 составляет для первых двух слоев 40 с, для последующих слоев 30 с. Суспензию наносят окунанием, затем производят обсыпку в «кипящем слое» огнеупорным зернистым муллитом.
4
4
4
Обезвоживание (сушку) слоев производят в вакуумной камере в течение 6 мин с остаточным давлением 5,065⋅10 Па. За счет снижения остаточного давления значительно ускоряется процесс испарения свободной воды из интермицеллярного пространства кремнезольного связующего. Затем отключают вакуумный насос и открывают кран, соединяющий вакуумную камеру с емкостью, заполненной этанолом техническим. Так как остаточное внешнее давление над поверхностью этанола составляет 5,065⋅10 Па, то происходит его интенсивное испарение и заполнение парами газообразного этанола рабочего пространства вакуумной камеры. Напуск паров этанола ведут до достижения остаточного давления в рабочем пространстве вакуумной камеры 6,078⋅10 Па. Молекулы этанола создают слабокислую среду на поверхности и в порах огнеупорного покрытия, нейтрализуют стабилизирующие ионы натрия, взаимодействуют с мицеллами кремнезольного связующего, способствуя его коагуляции и перехода из золя в эластичный студень, а затем в состояние необратимого геля. Обработку парами этанола производят в течение 4 минут, затем пары этанола стравливают, соединяя вакуумную камеру с атмосферой. Вакуумную камеру открывают, извлекают модельно-керамические блоки и производят нанесение следующего слоя. Всего наносят 5 слоев покрытия, шестой слой «стек» наносятокунанием в суспензию без обсыпки зернистым огнеупорным муллитом. Модельный состав вытапливют в бойлерклаве. Прокалку керамических форм проводят при температуре 900…1000 °С без опорного наполнителя в течение трех часов. Металл плавят в индукционной печи средней частоты. Керамические формооболочки извлекают из прокалочной печи, устанавливают в опоки и засыпают опорным наполнителем. Формы заливают при температуре металла 1600 °С. После охлаждения отливки очищают от остатков керамики, затем проводят пескоструйную очистку. Изготовлено 5 отливок. Все отливки признаны годными, дефектов по вине литейной формы не обнаружено. Весь цикл формирования огнеупорных слоев керамической оболочки на модельном блоке составляет 75 минут.
4
4
Пример 2. Повторяют операции согласно примеру 1. Изменяют только параметры отверждения огнеупорного покрытия. Сушку слоев производят в вакуумной камере в течение 8 мин с остаточным давлением 5,065⋅10 Па, Обработку парами этанола производят в течение 6 минут, давлением газообразного отвердителя 8,1⋅10 Па. Все отливки признаны годными, дефектов по вине литейной формы не обнаружено. Весь цикл формирования огнеупорных слоев керамической оболочки на модельном блоке составляет 90 минут.
4
5
Пример 3. Повторяют операции согласно примеру 1. Изменяют только параметры отверждения огнеупорного покрытия.  Сушку слоев производят в вакуумной камере в течение 10 мин с остаточным давлением 0,506⋅10 Па. Обработку парами этанола производят в течение 8 минут, давлением газообразного отвердителя 1,013⋅10 Па. Все отливки признаны годными, дефектов по вине литейной формы не обнаружено. Весь цикл формирования огнеупорных слоев керамической оболочки на модельном блоке составляет 120 минут.
Также повторяют операции по примерам 1, 2, 3. Вместо паров этанола применяют углекислый газ. Изготовлено 15 отливок, по 5 отливок по каждому варианту. Все отливки признаны годными. Дефекты по вине литейной формы отсутствуют. Весь цикл формирования огнеупорных слоев керамической оболочки на модельном блоке составляет 120 минут.
Также изготавливали формы по способу прототипа. Цикл формирования шести огнеупорных керамической оболочки составляет минимум 360 минут.