Способ литья точных заготовок деталей

 

Изобретение относится к изготовлению точных заготовок литьем по выплавляемым моделям с формированием структуры методом высокоскоростной направленной кристаллизации. Способ включает изготовление форм нанесением слоев керамического покрытия с использованием в качестве наполнителя огнеупорной суспензии микропорошков белого электрокорунда порошка алюминия в количестве 7% к весу наполнителя, в качестве зернового материала - шлифзерно белого электрокорунда. Изготовленные формы заливаются металлом, монокристальная или ориентированная структура формируется методом высокоскоростной направленной кристаллизации. В микропорошках и шлифзерне белого электрокорунда, используемых для изготовления форм, устанавливается более низкий допустимый уровень легкоплавких примесей SiO₂ и K₂O + Na₂O, в микропорошках,мас.%: SiO₂ ≅0,03, K₂O + Na₂O ≅ 0,08, в шлифзерне, мас.%: SiO₂ ≅ 0,03, K₂O + Na₂O ≅0,06. Допустимый уровень содержания окислов железа в микропорошках повышается до 0,07%, в шлифзерне остается на том же уровне, при этом формы изготавливаются с точностью гарантирующей получение отливок без механической обработки. Более высокий уровень термомеханических свойств материала формы позволяет снизить толщину стенок формы, улучшить условия формирования структуры отливок, повысить выход годных отливок по структуре. 2 табл.

Изобретение относится к способам литья точных заготовок деталей с направленной поликристаллической или монокристальной или ориентированной монокристальной структуры методом высокоскоростной направленной кристаллизации.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу является способ литья точных заготовок деталей с направленной поликристаллической или монокристальной или ориентированной монокристальной структурой, включающий изготовление керамических оболочковых форм без опорного наполнителя с толщиной стенки, формируемой нанесением девяти слоев керамического покрытия, с использованием в качестве наполнителя огнеупорной суспензии микропорошков белого электрокорунда, в качестве зернистого материала для обсыпки при нанесении слоев керамического покрытия оболочковой формы шлифзерно белого электрокорунда, заливку форм расплавленным металлом, ведение процесса формирования направленной поликристаллической или монокристальной или ориентированной монокристальной структуры, механическую обработку отливок резанием для достижения необходимой точности деталей.

При этом в используемом для изготовления форм белом электрокорунде допускается содержание следующего уровня примесей, мас.

в микропорошках: Fe₂O₃ ≅0,05 SiO₂ ≅0,25 Na₂O ≅ 0,5 в шлифзерне: Fe₂O₃ ≅0,025 SiO₂ ≅0,1 Na₂O ≅0,2 Однако возможность литья и изготовления точных заготовок деталей с направленной поликристаллической или монокристальной или ориентированной монокристальной структурой известными способами сильно ограничена.

В процессе формирования структуры отливок при температуре металла и форм 1550 1600^oC с последующим их резким охлаждением до 650 670^oC происходит деформация и разрушение форм ввиду недостаточного уровня термомеханических свойств материала формы. Увеличение толщины стенок формы с целью повышения ее прочности резко ограничивает возможность формирования необходимой ориентированной или монокристальной структуры отливок. Деформация форм и вызванная этим потеря точности отливок требуют выполнение механической обработки отливок для достижения необходимой точности. Механическая обработка отливок вызывает образование в них механических напряжений.

При последующей термообработке отливок в местах напряжений происходит рекристаллизация металла, нарушающая структуру отливок (направленную или монокристальную).

Задачей изобретения является обеспечение оптимальных условий формирования направленной поликристаллической или монокристальной или ориентированной монокристальной структуры отливок в процессе их литья и изготовления.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе литья точных заготовок деталей небольшого веса с направленной поликристаллической или монокристальной или ориентированной монокристальной структурой, включающем изготовление керамических оболочковых форм с толщиной стенок, формируемой нанесением слоев керамического покрытия, используют в качестве наполнителя огнеупорную суспензию микропорошка белого эл. корунда, в качестве зернового материала для обсыпки при нанесении слоев шлифзерно белого электрокорунда, заливку форм металлом, введение процесса формирования структуры отливок, их механическую обработку резанием. В предлагаемом способе керамические оболочковые формы изготавливаются с точностью, обеспечивающей получение отливок без механической обработки преимущественно с допуском ±0,3 мм; при изготовлении форм используются в качестве наполнителя огнеупорной суспензии алюминиевый порошок в количестве 7% к суммарному весу наполнителя, микропорошки белого электрокорунда зернистостью М7, М40 с уровнем легкоплавких примесей, мас. к весу материала микропорошков: Fe₂O₃ ≅0,07
SiO₂ ≅0,03
K₂O + Na₂O ≅0,08
в качестве зернового материала при нанесении слоев используют шлифзерно белого зл. корунда зернистостью 20, 40, 50 с уровнем легкоплавких примесей, мас. к весу материала шлифзерна:
Fe₂O₃ ≅0,025
SiO₂ ≅0,03
K₂O + Na₂O ≅0,06
При этом уменьшается количество слоев, формирующих толщину стенок формы, на 30 40% а полученные отливки не требуют механической обработки.

Использование для изготовления форм белого электрокорунда с уменьшенным уровнем легкоплавких примесей SiO₂, K₂O + Na₂ позволяет повысить термомеханические свойства материала форм-прочность при изгибе и деформацию под нагрузкой при высоких температурах (см. табл. 1 и 2).

Повышенная прочность керамики форма позволяет снизить толщину формы на 30 40% что улучшает условия формирования ориентированной или монокристальной структуры отливок, а уменьшение деформации керамики повысить точность литых заготовок до уровня, обеспечивающего их изготовление без механической обработки, что позволяет избежать наведения механических напряжений в отливках и нарушения структуры отливок за счет возникновения рекристаллизации.

Снижение уровня легкоплавких примесей в микропорошках и шлифзерне белого электрокорунда не приведет к существенному увеличению затрат на их изготовление так, как позволяет несколько ослабить требование по ограничению примеси Fe₂O₃ в микропорошках, допустив повышение его уровня до 0,07% (с 0,05 до 0,07).

Прочность керамики форм при 20^oC после прокалки по технологическому режиму (1050^oC 4 ч) и режиму заливки и формирования структуры на печи УВНК-8П (1550^oC 4 ч).

Прогиб керамики форм под нагрузкой 10 кг/см² при изгибе при выдержке 5 мин при 1200^oC.

Пример 1 (по прототипу). Изготовлены формы для литья точных заготовок детали "лопатка турбины 1 ступени" с монокристаллической структурой. При изготовлении форм в качестве наполнителя суспензии использовались микропорошки белого электрокорунда зернистостью M7, M40 с уровнем примесей, мас.

Fe₂O₃ 0,05; SiO₂ 0,14; NaO₂O 0,25.

В качестве зернового материала для обсыпки при нанесении слоев керамического покрытия шлифзерно белого эл. корунда с уровнем легкоплавких примесей, мас.

Fe₂O₃ 0,02; SiO₂ 0,13; Na₂O 0,23.

Толщина стенок формы в районе пера и замка лопаток выдерживалась нанесением 9 слоев керамического покрытия, в районе литниковой системы формы - 9 слоев.

Поставщик белого электрокорунда фирма "Lonsa", ФРГ.

Отливка лопаток производилась из сплава ЖЦ-26 методом высокоскоростной направленной кристаллизации на печи УВНК-8П.

В процессе заливки форм и формирования монокристальной структуры отмечены обрывки форм в 50-60% случаев и сильная деформация форм, проводимости к 100% забракованию отливок по дефектам геометрии, выявляемым визуально.

Пример 2 (по прототипу). Ввиду невозможности получения годных отливок заготовки детали "Лопатка турбины 1 ступени" с монокристаллической структурой" известным способом по прототипу решено провести изготовление керамических оболочковых форм с использованием микропорошков и шлифзерна белого электрокорунда с уровнем легкоплавких примесей по прототипу, но с добавлением в наполнитель огнеупорной суспензии 7% к суммарному весу наполнителя алюминиевого порошка АСД-4, с толщиной стенок формы в районе пера лопаток нанесением 8 слоев керамики, а в районе замка лопаток и литниковой системы 9 слоев.

В качестве наполнителя огнеупорной суспензии использовались микропорошки белого электрокорунда зернистостью M7, M40 с уровнем примесей как и в примере N 1 того же поставщика, с добавлением в наполнитель суспензии алюминиевого порошка марки АСД-4 в количестве 7% к весу наполнителя.

В качестве зернового материала для обсыпки при нанесении слоев керамического покрытия использовали шлифзерно белого электрокорунда зернистостью N 20, 40, 50 того же поставщика, что и в примере N 1 с тем же уровнем примесей.

Отливка лопаток производилась из сплава ЖС-26 методом ВНК (высокоскоростной направленной кристаллизации) на печи УВНК-8П.

В процессе заливки форм и формирования монокристальной структуры отмечены разрушения и обрывы форм в 5-8% случаев.

При контроле геометрии отливок отмечены дефекты геометрии заготовок в районе замка лопаток в 25-30% случаев. В районе пера лопаток, при контроле геометрии и толщин стенок лопаток методом ультразвуковой толщинометрии установлено, что все заготовки имели отклонение геометрии по профилю пера лопаток в сторону увеличения доступа на 0,3 0,5 мм, что потребовало их механической доработки.

При контроле макроструктуры отливок методом травления установлено, что уровень брака лопаток по макроструктуре составил 55-58% После механической обработки и последующей термообработки отливок уровень брака лопаток по макроструктуре по причине рекристаллизации дополнительно возрос на 20-22%
Пример 3 (по предлагаемому способу). Изготовлены керамические оболочковые формы для литья точных заготовок детали "лопатки турбины первой ступени с монокристальной структуры" с точностью, гарантирующей получение отливок с допуском ±0,3 мм.

При изготовлении форм в качестве наполнителя суспензии использовались микропорошки белого электрокорунда зернистостью M7, 40 с уровнем примесей, мас.

Fe₂O₃ 0,06
SiO₂O₂ 0,02
Na₂O+K₂O 0,08,
а также порошок алюминия марки АСД-4 в количестве 7% к весу наполнителя.

В качестве зернового материала при нанесении слоев керамического покрытия использовали шлифзерно белого электрокорунда зернистостью N 20, 40, 50 с уровнем примесей, мас.):
Fe₂O₃ 0,02
SiO₃ 0,01
Na₂O+K₂O 0,05.

Толщина стенок формы выдерживалась нанесением 5 слоев керамического покрытия в районе пера лопаток, в районе литниковой системы нанесением 7 слоев керамики.

Отливка лопаток производилась из сплава ЖС-26 методом высокоскоростной направленной кристаллизации на печи УВНК-8П.

При отливке лопаток и выращивании кристалла (формирования монокристальной структуры) случаев обрыва и разрушения форм не наблюдалось.

При контроле геометрии лопаток механическим методом и толщин стенок лопаток ультразвуковым прибором дефектов отливок по геометрическим размерам по причине деформации форм не обнаружено.

В 94% случаев лопатки не требовали механической обработки по профилю пера, и их механическая обработка не проводилась.

При контроле макроструктуры методом травления выход годных лопаток по структуре 85% при контроле макроструктуры лопаток после термообработки дефектов структуры лопаток по причине рекристаллизации не выявлено.

Применение предлагаемого способа при изготовлении точных заготовок деталей с направленной поликристаллической или монокристальной или ориентированной монокристальной структурой позволяет повысить выход годных отливок и снизить трудоемкость их изготовления.

Формула изобретения

Способ литья точных заготовок деталей с направленной поликристаллической, или монокристальной, или ориентированной монокристальной структурой, включающий изготовление керамических оболочковых форм с толщиной стенки, формируемой нанесением нескольких слоев керамического покрытия, содержащего в качестве наполнителя огнеупорной суспензии микропорошки белого электрокорунда, а в качестве зернового материала для обсыпки при нанесении слоев керамического покрытия шлифзерно белого электрокорунда, заливку формы расплавленным металлом и введение процесса формирования направленной поликристаллической, или монокристальной, или ориентированной монокристальной структуры, отличающийся тем, что в качестве наполнителя огнеупорной суспензии дополнительно используют алюминиевый порошок в количестве 7% от веса суммарного наполнителя, керамическую оболочковую форму изготавливают с точностью, обеспечивающей получение отливок без механической оболочки, преимущественно с допуском ± 0,3 мм, микропорошки белого электрокорунда используют с уровнем примесей, к массе микропорошков:
Fe₂O₃ ≅ 0,07;
SiO₂ ≅ 0,03;
K₂O + Na₂O ≅ 0,08,
при этом в качестве зернового материала для обсыпки при нанесении слоев керамического покрытия используют шлифзерно белого электрокорунда с уровнем легкоплавких примесей, к массе шлифзерна:
Fe₂O₃ ≅ 0,05;
SiO₂ ≅ 0,03;
K₂O + Na₂O ≅ 0,06.

РИСУНКИ

Рисунок 1