Способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления отливок сложной геометрии. Способ включает послойное нанесение на воскообразную модель суспензии на основе эпоксидной смолы в органическом растворителе, обсыпку ее огнеупорным материалом, сушку слоев керамической формы в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (СВЧ) с мощностью не более 0,4-0,5 кВт, удаление воскообразной модели в поле СВЧ в два этапа: вначале с мощностью не менее 0,5 кВт на 1 кг массы керамической формы со скоростью нагрева 150-170°С/мин до начала оплавления поверхности модели, а затем - с мощностью не более 0,3 кВт до полного удаления модели. Сушку слоев керамической формы осуществляют в течение 1-2 минут. Изобретение позволяет интенсифицировать процесс сушки слоев и удаления восковых моделей, повысить качество оболочек и снизить количество брака литейных керамических форм. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления отливок сложной геометрии из жаропрочных сплавов методом литья по выплавляемым моделям.

Известен способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, в котором сушку слоев суспензии на блоках из восковых моделей проводят в электрическом поле сверхвысокой частоты СВЧ [Авторское свидетельство СССР №1692720].

Недостатком способа является продолжительный цикл сушки нанесенных слоев, связанный с низкой интенсивностью испарения влаги с ее поверхности и внутреннего массопереноса.

Известен способ изготовления керамических форм, в котором сушку слоев керамической формы, изготовленных на основе водного шликера, осуществляют путем воздействия на форму электрическим полем частотой 900-3000 МГц [Авторское свидетельство СССР №831352].

Недостатком способа является неравномерное протекание процесса испарения влаги с поверхности и внутреннего ее массопереноса к поверхности. Также недостатком является проблема поддержания низкой температуры на поверхности формы в месте контакта формы с модельной массой в пределах 20-25°С. Теплоустойчивость применяемых восковых модельных составов находится в интервале температур 30-35°С, ее превышение на поверхности моделей при сушке слоев оболочки приводит к недопустимым отклонениям по размерной точности будущей керамической формы и появлению трещин в ней.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на воскообразную модель суспензии на основе этилсиликатных связующих растворов, обсыпку ее огнеупорным материалом, сушку слоев керамической формы и удаление модели в поле СВЧ, причем сушку проводят в два этапа: на первом - слои оболочки нагревают до достижения температуры на 1-4°С меньше температуры теплоустойчивости модельного состава, на втором - поддерживают этот интервал температур, осуществляя непрерывное удаление паров растворителя и воды с наружных слоев оболочек, а удаление модели осуществляют двухсторонним тепловым потоком, создаваемым снаружи нагреваемой сухой оболочкой, изнутри - нагреваемым стояком-каркасом. При этом в состав суспензии при ее приготовлении вводят мелкодисперсную добавку - пылевидный оксид титана (IV) [Патент РФ №2127649].

Недостатком способа является частичное разупрочнение керамической оболочки водой, что вызывает появление скрытых трещин в будущих формах. Кроме того, во влажную оболочку невозможно подвести в начальный момент значительную СВЧ-мощность, необходимую для быстрого оплавления поверхности восковой модели. По мере испарения влаги из керамических оболочек интенсивность процесса будет снижаться. Введение оксида титана (IV) влечет за собой образование при прокалке двойных легкоплавких соединений TiO₂-SiO₂, что уменьшает прочность форм после прокалки; кроме того, введение оксида титана (IV) способствует большей степени взаимодействия жидкого жаропрочного сплава с поверхностью формы, т.е. увеличивается зона химического пригара на поверхности отливок.

Технической задачей предлагаемого изобретения является интенсификация процессов сушки слоев и удаления восковых моделей за счет повышения эффективности использования СВЧ-энергии, повышение качества оболочек и отливок и снижение брака литейных керамических форм и отливок.

Для достижения поставленной задачи предложен способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на воскообразную модель суспензии на основе органического связующего, обсыпку ее огнеупорным материалом, сушку слоев керамической формы и удаление модели в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (СВЧ), отличающийся тем, что суспензия содержит в качестве органического связующего эпоксидную смолу в органическом растворителе, сушку слоев керамической формы осуществляют в поле СВЧ с мощностью не более 0,4-0,5 кВт, а удаление воскообразной модели в поле СВЧ осуществляют в два этапа: вначале с мощностью не менее 0,5 кВт на 1 кг массы керамической формы со скоростью нагрева 150-170°С/мин до начала оплавления поверхности модели, а затем - с мощностью не более 0,3 кВт до полного удаления модели. Сушку слоев керамической формы осуществляют в течение 1-2 минут.

Применение органического связующего с термореактивной смолой из класса эпоксидных смол позволяет полностью использовать эффективность СВЧ-поля при сушке слоев формы без нагрева модельной массы выше 25°С. Это дает возможность сохранить геометрию оболочковых форм и отливок и избежать появления трещин на форме. Механизм сушки слоев формы, содержащей эпоксидное связующее на органическом растворителе, отличается от механизма сушки слоев, содержащих воду: даже при малой мощности за короткое время СВЧ-поле вызывает в эпоксидном связующем появление очень большого количества свободных радикалов (без повышения температуры формы), что влечет за собой увеличение скорости реакции полимеризации эпоксидного связующего, которое превращается в нерастворимое твердое соединение, прочно связывая керамический наполнитель в форме.

Поставленная задача достигается за счет применения определенных режимов по мощности и скорости нагрева керамики в СВЧ-поле. Процесс сушки (отверждения) проходит при кратковременном воздействии поля СВЧ-мощностью 0,4-0,5 кВт "на холоду", т.е. без какого-либо повышения температуры на модельной массе. Превышение указанных пределов по мощности ведет к деформации модельной массы. В случае уменьшения мощности СВЧ-излучения слои не успевают набрать достаточную прочность ввиду малой степени полимеризации эпоксидного связующего.

При удалении модельной массы обязательна быстрая и резкая передача тепла к модельной массе для быстрого оплавления ее поверхности и образования зазора между формой и моделью. Максимальная температура нагрева формы может достичь 250°С, для чего необходимо на первом этапе удаления подавать импульсы со скоростью нагрева 150-170°С/мин. Количество импульсов берется в зависимости от геометрической сложности модельного блока. Меньшая скорость приведет к объемному прогреву и расширению модельной массы. Давление, которое она будет создавать на оболочковую форму, может повлечь за собой появление термических напряжений или разрыв формы.

На втором этапе удаления необходимо снизить мощность до 0,3 кВт и поддерживать ее до полного удаления модельной массы.

Пример конкретного осуществления.

В лабораторных условиях был изготовлен блок из воскообразной модельной массы. На него послойно наносилась керамическая суспензия, включающая в качестве органического связующего эпоксидную смолу ЭД-16 в органическом растворителе (смесь ацетона и скипидара сульфатного очищенного) с последующей обсыпкой слоя зернистым огнеупорным порошком. После нанесения каждого слоя формирующаяся оболочковая форма подвергалась воздействию СВЧ-излучения мощностью 0,4 кВт в течение 1 минуты.

После нанесения последнего слоя следовала операция удаления модельной массы, для чего оболочка помещалась в СВЧ-поле, где в результате серии подаваемых импульсов мощностью 0,5 кВт на 1 кг массы керамической формы со скоростью нагрева 150°С/мин оплавлялась поверхность модели, а в результате последующей обработки СВЧ-излучением мощностью 0,2 кВт в течение 8 минут модельная масса была полностью удалена.

В таблице 1 представлены технологические параметры проведения процессов сушки и удаления модельных масс в СВЧ-поле (способы №1-№3 - по предлагаемому изобретению, №4 - по прототипу).

Формы, полученные по способам №2, 3, были изготовлены по описанной выше схеме, но по режимам, представленным в таблице 1.

В таблице 2 приведены свойства керамических форм, изготовленных по предлагаемой технологии (№1-3) и по технологии прототипа (№4).

Керамические литейные формы, полученные по предлагаемой технологии с минимальным количеством ручного труда, имеют высокую прочность на изгиб (20-25 МПа), низкий процент брака по трещинам (менее 5%). Кроме того, технологический цикл изготовления форм составляет не более двух часов.

Эффективность процесса оценивалась по длительности изготовления форм, количеству удаленной модельной массы в минуту, прочности на изгиб, наличию трещин в керамической форме.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет интенсифицировать процесс сушки слоев и удаления восковых моделей, повысить эффективность использования СВЧ-энергии, качество оболочек и снизить количество брака литейных керамических форм и отливок.

Таблица 1. Технологические параметры проведения процессов сушки и удаления модельных масс.
№	Связующее	Сушка	Удаление модельной массы
	суспензии		I-й этап	II-й этап
		Мощность, кВт	Время, мин	Мощность на 1 кг массы керамической формы, кВт	Скорость нагрева, °С/мин	Мощность, кВт	Время, мин
1	ЭД-16	0,4	1	0,5	150	0,2	8
2	ЭД-14	0,47	1,5	0,6	160	0,25	9
3	ЭД-20	0,5	2	0,7	170	0,3	10
4	Этилсиликат	1-2	30-40	2	20-30	-	-
Таблица 2. Свойства керамических форм.
№	Длительность процесса изготовления форм, час	Количество удаленной модельной массы, кг/мин	Прочность на изгиб, МПа	Брак по трещинам формы, %
1	1,5-2	3	20-25	Менее 5
2	1,5-2	3	20-25	Менее 5
3	1,5-2	3	20-25	Менее 5
4	8-10	1	1,8-5	20-25

1. Способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на воскообразную модель суспензии на основе органического связующего, обсыпку ее огнеупорным материалом, сушку слоев керамической формы и удаление модели в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, отличающийся тем, что суспензия содержит в качестве органического связующего эпоксидную смолу в органическом растворителе, сушку слоев керамической формы осуществляют в электромагнитном поле сверхвысокой частоты мощностью не более 0,4-0,5 кВт, а удаление воскообразной модели в электромагнитном поле сверхвысокой частоты осуществляют в два этапа: вначале с мощностью не менее 0,5 кВт на 1 кг массы керамической формы со скоростью нагрева 150-170°С/мин до начала оплавления поверхности модели, а затем - с мощностью не более 0,3 кВт до полного удаления модели.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку слоев керамической формы осуществляют в течение 1-2 мин.