Способ изготовления керамических форм по удаляемым моделям (варианты)

Изобретения относятся к области литейного производства. Способ включает изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии, обсыпку каждого слоя огнеупорным материалом, сушку, удаление модели, пропитку формы упрочняющим раствором и прокалку при температуре 1150-1350°С в течение 4-8 часов. Упрочняющий раствор содержит, мас.%: кремнийорганический лак 15-25, по меньшей мере, один фторид металла из группы Al, Cr, Mg, Ba, Zr, Ca 1,5-5,0 и этиловый спирт остальное. Во втором варианте изобретения упрочняющий раствор содержит, мас.%: кремнийорганический лак 15-25, мелкодисперсный Al 2,0-10,0 и этиловый спирт остальное. Кремнийорганический лак выбирают из группы, состоящей из полиметилсилоксанового лака, полиметилфенилсилоксанового лака, полиэтилфенилсилоксанового лака, полифенилсилоксанового лака, полиалюмоорганосилоксанового лака. Достигается повышение прочности керамической формы и качества получаемых отливок в процессе направленной кристаллизации. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретения относятся к литейному производству, а именно к технологии изготовления керамических форм, получаемых по удаляемым моделям, и могут быть использованы для получения отливок в керамических формах.

Известен способ изготовления стержней и форм на гипсовом связующем (Патент РФ №2214314 С1, 20.10.2003, В22С 9/00) включающий подготовку суспензии, ее вибровакуумирование, заливку и отверждение в оснастке с последующими пропиткой в упрочняющем растворе и прокалкой. В данном способе пропитку осуществляют раствором кремнийорганического лака при непрерывном воздействии ультразвукового поля интенсивностью (0,5-5)·10⁴ Вт/10².

Недостатком данного технического решения является то, что данный способ может быть применен только для изделий на гипсовом связующем. А также в указанном способе пропитка осуществляется при обязательном воздействии ультразвукового поля, что требует наличия соответствующего оборудования и усложняет процесс изготовления.

Известен также способ изготовления керамических форм по удаляемым моделям, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии с обсыпкой каждого слоя огнеупорным материалом и сушкой, удаление модели, прокалку формы и пропитку последней раствором (А.с. №1386355 А1, 07.04.1988, В22С 9/04) - прототип по первому варианту. В данном способе в качестве пропитывающего раствора используют водный раствор железоаммонийоксалата концентрацией 200-250 г/л.

Недостатком данного технического решения является то, что в данном способе пропитка керамической формы используется при литье в открытых печах и осуществляется для повышения качества керамической формы за счет стабилизации процесса обезуглероживания поверхности отливки.

Технический результат заявленного изобретения по первому варианту - повышение прочности керамической формы и качества получаемых отливок в процессе направленной кристаллизации.

Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что в способе изготовления керамических форм по удаляемым моделям, включающем изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии с обсыпкой каждого слоя огнеупорным материалом и сушкой, удаление модели, прокалку формы и пропитку последней раствором, керамическую форму пропитывают упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак, по меньшей мере, один фторид металла из группы Al, Cr, Mg, Ba, Zr, Ca и этиловый спирт, в следующем соотношении компонентов, мас.%:

- кремнийорганический лак - 15-25

- по меньшей мере, один фторид металла из группы Al, Cr, Mg, Ba, Zr, Ca - 1,5-5,0

- этиловый спирт - остальное до 100%,

далее керамическую форму просушивают, а затем прокаливают при температуре 1150-1350°С в течение 4-8 часов.

При этом в качестве кремнийорганического лака может быть использовано соединение из группы полиорганосилоксанов.

В качестве кремнийорганического лака может быть использован полиметилсилоксановый лак, или полиметилфенилсилоксановый лак, или полиэтилфенилсилоксановый лак, или полифенилсилоксановый лак, или полиалюмоорганосилоксановый лак.

Пропитка керамических форм упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак, по меньшей мере, один фторид металла из группы Al, Cr, Mg, Ba, Zr, Ca и этиловый спирт, позволяет повысить прочность керамической формы и исключить пригар керамики на поверхности отливки в процессе направленной кристаллизации, что соответственно повышает качество получаемых отливок.

Известен способ изготовления керамических форм по удаляемым моделям, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии с обсыпкой каждого слоя огнеупорным материалом и сушкой, удаление модели, прокалку формы и пропитку последней в растворе (А.с. №1386355 A1, 07.04.1988, В22С 9/04) - прототип по второму варианту. В данном способе в качестве пропитывающего раствора используют водный раствор железоаммонийоксалата концентрацией 200-250 г/л.

Недостатком данного технического решения является то, что в данном способе пропитка керамической формы используется при литье в открытых печах и осуществляется для повышения качества керамической формы за счет стабилизации процесса обезуглероживания поверхности отливки.

Технический результат заявленного изобретения по второму варианту - повышение прочности керамической формы и качества получаемых отливок в процессе направленной кристаллизации.

Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что в способе изготовления керамических форм по удаляемым моделям, включающем изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии с обсыпкой каждого слоя огнеупорным материалом и сушкой, удаление модели, прокалку формы и пропитку последней раствором, после прокалки керамическую форму пропитывают упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак, мелкодисперсный Al и этиловый спирт, в следующем соотношении компонентов, мас.%:

- кремнийорганический лак - 15-25

- мелкодисперсный Al - 2,0-10,0

- этиловый спирт - остальное до 100%,

далее керамическую форму просушивают, а затем прокаливают при температуре 1150-1350°С в течение 4-8 часов.

При этом в качестве кремнийорганического лака может быть использовано соединение из группы полиорганосилоксанов.

В качестве кремнийорганического лака может быть использован полиметилсилоксановый лак, или полиметилфенилсилоксановый лак, или полиэтилфенилсилоксановый лак, или полифенилсилоксановый лак, или полиалюмоорганосилоксановый лак.

Пропитка керамических форм упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак, мелкодисперсный Al и этиловый спирт, позволяет повысить прочность керамической формы и исключить пригар керамики на поверхности отливки в процессе направленной кристаллизации, что соответственно повышает качество получаемых отливок.

Пропитку керамических форм по первому и второму варианту можно осуществить путем заливки керамической формы упрочняющим раствором. Причем оптимальной является пропитка упрочняющим раствором внутренней поверхности керамической формы.

Обработка керамики раствором, содержащим в своем составе кремнийогранический лак, способствует повышению прочности (Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинного двигателя, Москва: «МИСИС», 2001).

Включение в упрочняющий раствор кремнийорганического лака по первому и второму варианту менее 15% не изменяет прочностных свойств керамики, а при включении кремнийорганического лака более 25% керамика будет иметь повышенную плотность и хрупкость, что может привести к разрушению керамической формы.

В качестве кремнийорганического лака по первому и второму варианту может быть использовано любое соединение, например из группы полиорганосилоксанов, в том числе полиметилсилоксановый лак, или полиметилфенилсилоксановый лак, или полиэтилфенилсилоксановый лак, или полифенилсилоксановый лак, или полиалюмоорганосилоксановый лак.

Использование в составе упрочняющего раствора по первому и второму варианту этилового спирта обеспечивает хорошую смачиваемость в процессе пропитки, а в процессе сушки - ускорение последней за счет летучести спирта.

Включение в состав упрочняющего раствора по первому варианту, по меньшей мере, одного фторида металла из группы Al, Cr, Mg, Ba, Zr, Ca в пределах заявленных соотношений позволяет исключить пригар керамики на поверхности отливки в процессе направленной кристаллизации.

При этом при включении в состав раствора, по меньшей мере, одного фторида металла из заявленной группы менее 1,5% не обеспечивает полного исключения пригар керамики на поверхности отливки, а включение более 5,0% является нецелесообразным, поскольку с увеличением процентного соотношения фторида металла в упрочняющем растворе не происходит дальнейшего внедрения фторида металла в поры керамического покрытия, обладающего ограниченной возможностью поглощения.

Включение в состав упрочняющего раствора по второму варианту мелкодисперсного Al позволяет исключить пригар керамики на поверхности отливки в процессе направленной кристаллизации.

При этом включение в состав упрочняющего раствора мелкодисперсного Al менее 2,0% не обеспечивает полного исключения пригара керамики на поверхности отливки, а включение более 10,0% является нецелесообразным, поскольку с увеличением процентного соотношения Al в упрочняющем растворе не происходит его дальнейшего внедрения в поры керамического покрытия, обладающего ограниченной возможностью поглощения.

После пропитки керамической формы упрочняющим раствором осуществляют ее сушку. Оптимальной для получения максимальной степени отверждения упрочняющего раствора является сушка керамической формы по первому и второму варианту при температуре 18-22°С в течение 1-3 часов. При сушке менее 1 ч может быть не достигнута необходимая прочность керамической формы из-за недостаточной степени отверждения раствора. Сушка более 3 ч является нерентабельной, поскольку процесс отверждения полностью проходит в течение 3 ч.

Большое значение на получение качественной керамической формы оказывают параметры прокалки керамической формы, такие как температура и время прокалки. Проведение по первому и второму варианту после пропитки упрочняющим раствором и сушки дополнительной прокалки керамической формы при температуре 1150-1350°С в течение 4-8 часов способствует выгоранию органических составляющих, присутствующих в керамической форме.

При температуре прокалки менее 1150°С керамическая форма не обладает достаточной прочностью, что отрицательно скажется на выход годного литья. А осуществление прокалки при температуре более 1350°С является нецелесообразным, поскольку дальнейшее увеличение температуры прокалки не приведет к повышению (улучшению) прочностных характеристик керамики.

Выбор времени прокалки (4-8 ч) керамической формы по первому и второму варианту при обозначенном выше диапазоне температур обусловлен тем, что проведение прокалки менее 4 ч не обеспечивает полного прогрева слоя керамического покрытия, что не позволит получить упрочнение керамической формы, а более 8 ч - является нерентабельным, поскольку не происходит дальнейших изменений в материале керамики, ведущих к упрочнению керамической формы.

При использовании заявленного способа по первому и второму варианту прочность керамической формы по сравнению с прототипом повышается на 10-25% в зависимости от % содержания кремнийорганического лака в упрочняющем растворе.

Предлагаемые способы изготовления керамической формы иллюстрируются следующими примерами.

Пример 1.

Предлагаемые изобретения были отработаны в условиях литейного цеха при изготовлении керамической формы для производства отливок лопаток газотурбинного двигателя.

Основа керамической формы была получена традиционным способом: изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии с обсыпкой каждого слоя огнеупорным материалом и сушкой, удаление модели, прокалку формы. Далее осуществляли пропитку керамической формы упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак, фторид хрома и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%:

- кремнийорганический лак (КО-85) - 20

- фторид хрома - 3,5

- этиловый спирт - 76,5

После пропитки керамической формы раствором осуществляли сушку последней при температуре 21°С в течение 1 ч и прокалку керамической формы при температуре 1300°С в течение 5 ч.

В результате получили керамическую форму, обладающую достаточной прочностью для сохранения геометрических параметров в процессе направленного затвердевания отливки (по сравнению с известным способом повышение прочности составило 16%). После остывания формы и удаления керамики пригар отсутствовал. Повысился на 22% (по сравнению с известными аналогами) выход качественных отливок.

Пример 2.

Основа керамической формы была получена аналогично способу 1. После прокалки формы осуществляли пропитку керамической формы упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак, смесь фторида алюминия и фторид хрома, а также этиловый спирт, в следующем соотношении компонентов, мас.%:

- кремнийорганический лак (КО-85) - 22

- смесь фторида алюминия и фторида хрома - 1,0

- этиловый спирт - 77

После пропитки керамической формы раствором осуществляли сушку последней при температуре 21°С в течение 1 ч и прокалку керамической формы при температуре 1300°С в течение 5 ч.

В результате получили керамическую форму, обладающую достаточной прочностью. Однако остался пригар на отливке после удаления керамики.

Пример 3.

Основа керамической формы была получена с помощью технологических операций, аналогичных приведенным в примере 1: изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии с обсыпкой каждого слоя огнеупорным материалом и сушкой, удаление модели, прокалку формы. Далее осуществляли пропитку керамической формы упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак, мелкодисперсный Al и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%:

- кремнийорганический лак (КО-85) - 18

- мелкодисперсный Al - 6

- этиловый спирт - 76

После пропитки керамической формы раствором осуществляли сушку последней при температуре 21°С в течение 1 ч и прокалку керамической формы при температуре 1000°С в течение 3 ч.

В результате получили керамическую форму обладающую недостаточной прочностью, что привело в дальнейшем к появлению трещин в керамической форме и вытеканию металла при заливке.

Пример 4.

Для изготовления основы керамической формы были произведены технологические операции, аналогичные приведенным в примере 1. После прокалки формы осуществляли пропитку керамической формы упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак, мелкодисперсный Al и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%:

- кремнийорганический лак (КО-85) - 16

- мелкодисперсный Al - 4

- этиловый спирт - 80

После пропитки керамической формы раствором осуществляли сушку последней при температуре 21°С в течение 1 ч и прокалку керамической формы при температуре 1250°С в течение 6 ч.

В результате получили керамическую форму, обладающую достаточной прочностью для сохранения геометрических параметров в процессе направленного затвердевания отливки (по сравнению с известным способом повышение прочности составило 14%). После остывания формы и удаления керамики пригар отсутствовал. Повысился на 18% (по сравнению с известными аналогами) выход качественных отливок.

Пример 5.

Для изготовления основы керамической формы были произведены технологические операции, приведенные в примерах 1-4. После прокалки формы осуществляли пропитку керамической формы упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак, мелкодисперсный Al и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%:

- кремнийорганический лак (КО-85) - 13

- мелкодисперсный Al - 9

- этиловый спирт - 78

После пропитки керамической формы раствором осуществляли сушку последней при температуре 21°С в течение 1 ч и прокалку керамической формы при температуре 1250°С в течение 6 ч.

В результате получили керамическую форму не обладающую достаточной прочностью, что в дальнейшем привело к разрушению керамической формы в процессе заливки последней металлом.

Из приведенных выше примеров следует, что использование заявленных способов изготовления керамических форм по удаляемым моделям с обозначенным количественным соотношением используемых в упрочняющем растворе компонентов и указанными параметрами прокалки керамической формы позволяют повысить прочность керамической формы, исключить пригар на отливках в процессе направленной кристаллизации последних и соответственно повысить выход годного литья.

1. Способ изготовления керамических форм по удаляемым моделям, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии с обсыпкой каждого слоя огнеупорным материалом и сушкой, удаление модели, прокалку керамической формы и пропитку последней раствором, отличающийся тем, что керамическую форму пропитывают упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак, по меньшей мере, один фторид металла из группы Al, Cr, Mg, Ba, Zr, Ca и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%:

кремнийорганический лак	15-25
по меньшей мере один
фторид металла из группы Al, Cr, Mg, Ba, Zr, Ca	1,5-5,0
этиловый спирт	остальное

после пропитки керамическую форму просушивают и прокаливают при температуре 1150-1350°С в течение 4-8 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кремнийорганического лака используют соединения из группы полиорганосилоксанов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кремнийорганического лака используют полиметилсилоксановый лак, или полиметилфенилсилоксановый лак, или полиэтилфенилсилоксановый лак, или полифенилсилоксановый лак, или полиалюмоорганосилоксановый лак.

4. Способ изготовления керамических форм по удаляемым моделям, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии с обсыпкой каждого слоя огнеупорным материалом и сушкой, удаление модели, прокалку формы и пропитку последней раствором, отличающийся тем, что керамическую форму пропитывают упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак, мелкодисперсный Al и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%:

кремнийорганический лак	15-25
мелкодисперсный Al	2,0-10,0
этиловый спирт	остальное

после пропитки керамическую форму просушивают и прокаливают при температуре 1150-1350°С в течение 4-8 ч.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве кремнийорганического лака используют соединения из группы полиорганосилоксанов.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве кремнийорганического лака используют полиметилсилоксановый лак, или полиметилфенилсилоксановый лак, или полиэтилфенилсилоксановый лак, или полифенилсилоксановый лак, или полиалюмоорганосилоксановый лак.