Усовершенствованный способ литья по выплавляемым моделям
Изобретение относится области литейного производства. Предварительно отформованную расширяемую модель погружают в суспензию из огнеупорных частиц и коллоидной жидкой связки для создания слоя покрытия на упомянутой модели, осуществляют нанесение частиц огнеупорного материала на слой покрытия и сушку полученной формы. Во время, по меньшей мере, одного этапа нанесения частиц огнеупорного материала на слой покрытия частицы огнеупорного материала предварительно смешивают с гелеобразующим материалом для покрытия части упомянутых огнеупорных частиц этим материалом, чтобы после контакта со слоем покрытия влага абсорбировалась гелеобразующим материалом, что вызывает превращение в гель коллоидной связки. В качестве гелеобразующего материала используют полимер-суперабсорбент. Достигается сокращение времени сушки оболочковой формы. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 табл.
Изобретение относится к усовершенствованному способу литья по выплавляемым моделям, в частности к способу, который осуществляется значительно быстрее по сравнению с обычными.
Типичный способ литья по выплавляемым моделям включает изготовление металлических отливок для машиностроения с использованием расходуемой модели. Модель представляет собой комплексную смесь полимера, наполнителя и воска (или другого испаряющегося материала, например пенополистирола), которая вводится в металлическую форму под давлением. Несколько таких моделей после затвердевания собирают в блок и устанавливают на восковую литниковую систему. Восковой узел погружают в огнеупорную суспензию, состоящую из жидкой связки и огнеупорного порошка. После сушки на влажную поверхность наносят зерна огнеупорного гипса, чтобы получить основное огнеупорное покрытие (именно процесс покрытия узла огнеупорным материалом дал в англоязычном варианте название данному способу). Когда основной слой покрытия застыл (обычно для этого используют сушку на воздухе до превращения связки в гель), узел неоднократно погружают в суспензию и затем покрывают гипсом до получения требуемой толщины оболочковой. формы. Дожидаются полного затвердевания каждого слоя покрытия между погружениями, в результате чего изготовление каждой формы может занимать от 24 до 72 часов. Назначением гипса является снижение до минимума напряжений, возникающих в слоях покрытия при сушке за счет создания множества распределенных центров концентрации напряжений, что уменьшает величину возможных локальных напряжений. Кроме того, каждый из слоев гипса обеспечивает шероховатую поверхность, облегчающую крепление следующего слоя покрытия. По мере добавления слоев покрытия размер частиц гипса увеличивают, чтобы обеспечить максимальную проницаемость формы и придать ей вес.
В последние годы созданы детали из современных керамических материалов (например, нитрида кремния), которые предоставляют значительные преимущества по сравнению с аналогичными металлическими деталями. Известно множество способов, при помощи которых могут быть изготовлены такие керамические детали, они включают механическую обработку, инжекционное формование, шликерное литье, литье под давлением и гель-формование. При гель-формовании в форму заливают концентрированную суспензию из керамического порошка в органическом мономере-растворителе и полимеризуют по месту с получением исходной заготовки в форме полости литейной формы. После извлечения из формы, исходную керамическую заготовку сушат, при необходимости механически обрабатывают, подвергают пиролизу для удаления связки, а затем спекают для получения окончательной плотности. В настоящее время разработаны системы на водной основе, например акриламидная, в которых используются водорастворимые мономеры и вода в качестве растворителя.
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа литья по выплавляемым моделям, который устраняет - или уменьшает - один или более недостатков, связанных с известными способами литья по выплавляемым моделям и который в предпочтительном случае значительно уменьшает время, необходимое для создания оболочковой формы.
Согласно настоящему изобретению предлагается способ изготовления оболочковой формы, содержащий следующие последовательные этапы:
(I) погружение предварительно отформованной расходуемой модели в суспензию из огнеупорных частиц и коллоидной жидкой связки для создания слоя покрытия на упомянутой модели;
(II) нанесение частиц огнеупорного материала на упомянутый слой;
(III) сушка,
причем этапы с первого по третий повторяют так часто, как это требуется для изготовления оболочковой формы, имеющей требуемое число слоев покрытия, отличающийся тем, что во время, по меньшей мере, одного выполнения второго этапа частицы огнеупорного материала предварительно смешивают с гелеобразующим материалом для покрытия, по меньшей мере, части упомянутых огнеупорных частиц этим гелеобразующим материалом, чтобы после контакта со слоем покрытия влага абсорбировалась упомянутым гелеобразующим материалом, что вызывает превращение в гель коллоидной связки, в результате чего снижается время, требующееся для сушки на третьем этапе.
В предпочтительном варианте способ также включает дополнительный четвертый этап, выполняемый после завершающего третьего этапа и заключающийся в нанесении герметизирующего покрытия, содержащего суспензию из огнеупорных частиц и коллоидной жидкой связки, с последующей сушкой.
При создании оболочковой формы слой покрытия, наносимый на расходуемую модель, обычно называется основным слоем, а последующие слои суспензии называются дополнительными слоями. В типичном случае наносят от трех до двенадцати дополнительных слоев.
В предпочтительном варианте огнеупорные частицы, покрытые гелеобразующим материалом, наносят на каждый дополнительный слой покрытия (т.е. во время каждого из повторений второго этапа после его первого выполнения). Возможно также нанесение огнеупорных частиц, покрытых гелеобразующим материалом, на основной слой покрытия.
Понятно, что нанесение огнеупорных частиц (покрытых или непокрытых) на втором этапе может выполняться при помощи любого из обычных способов, например с использованием установки для обсыпки в песчаном дожде или псевдоожиженного слоя.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения покрытые и не покрытые полимером огнеупорные частицы используют на одном и том же втором этапе, например, покрытые частицы предварительно смешивают с непокрытыми частицами перед нанесением на слой покрытия. В данном предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения соотношение покрытых и непокрытых частиц может составлять от 95:5 до 5:95, более предпочтительно - от 85:15 до 50:50 и наиболее предпочтительно - приблизительно 75:25 по весу.
В предпочтительном варианте количество гелеобразующего материала, используемого на втором этапе, не превышает 5 весовых процентов от частиц огнеупорного материала, используемых на данном втором этапе, и более предпочтительно не превышает 2 весовых процента. Предпочтительными диапазонами являются 2,5-5 весовых процентов, 1-2 весовых процента, а также 0,2-1 весовой процент и 0,15-0,5 весового процента. Предпочтительный диапазон может зависеть от способа, используемого для получения покрытых огнеупорных частиц, а также от размера и природы применяемых огнеупорных частиц. Необходимо понимать, что при использовании гелеобразующего материала при более чем одном повторении второго этапа способа количества, используемые на каждом из этих этапов, могут различаться.
В предпочтительном варианте упомянутый гелеобразующий материал представляет собой полимер, более предпочтительно полимер-суперабсорбент, например, полиакриламид и полиакрилат. Особенно предпочтительным полимером является натриевая соль сшитой полиакриловой кислоты (например, продаваемая под торговой маркой Liquiblock 144).
В предпочтительном варианте способ включает этап покрытия огнеупорных частиц гелеобразующим материалом. Это может достигаться путем смешивания гелеобразующего материала с водой с получением геля и последующего примешивания огнеупорных частиц к гелю, затем следуют сушка (например, при повышенной температуре или с использованием микроволн) и измельчение полученной в результате массы. В качестве альтернативы покрытие можно выполнять путем нанесения огнеупорных частиц при помощи распылительной сушки, спекания или использования псевдоожиженного слоя либо при помощи любого другого подходящего способа. Хотя размер частиц полимера не играет существенной роли, если создание покрытия на огнеупорных частицах выполняется при первоначальном размешивании полимера в воде, то в случае частиц (например, приблизительно 300 мкм или меньше) меньшего размера обеспечивается лучшее диспергирование.
Необходимо также понимать, что требуемое количество полимера может быть получено путем комбинирования количества полимера, используемого для получения покрытых частиц, и количества непокрытых частиц, смешиваемых с покрытыми частицами.
Преимуществом является то, что данный процесс (не считая использования гелеобразующего материала и в результате - уменьшенного времени сушки) может быть фактически идентичен стандартному процессу литья по выплавляемым моделям с применением обычного оборудования и материалов. Таким образом, необходимо понимать, что природа расходуемой модели, составы суспензии, используемые на первом этапе (а также четвертом этапе, если он есть), и огнеупорные частицы, используемые на втором этапе, могут быть любыми из известных специалисту в данной области техники. Типичные огнеупорные материалы включают, только в качестве примера, диоксид кремния, силикат циркония, алюминосиликаты и оксид алюминия.
Кроме того, способ в предпочтительном варианте включает этап удаления расходуемой модели из оболочковой формы после последнего третьего этапа (или четвертого этапа, если он есть), и в более предпочтительном случае способ включает завершающий этап обжига полученной в результате оболочковой формы.
Обжиг может осуществляться путем нагрева до 900°С или более в обычных печах с использованием обычных схем обжига. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения может оказаться предпочтительной многоступенчатая процедура обжига. Например, первый этап может включать нагрев до температуры 400°С-700°С со скоростью от 1 до 5°С/мин (предпочтительно 1-3°С/мин), за которым следует второй этап нагрева, по меньшей мере, до 900°С (предпочтительно приблизительно 1000°С) со скоростью 5-10°С/мин. Между первым и вторым этапами температура может поддерживаться неизменной в течение короткого времени (например, менее 10 минут). Если необходимо, нагрев до, по меньшей мере, 900°С может осуществляться в три или более этапов.
Настоящее изобретение также относится к оболочковой форме, изготавливаемой при помощи способа, согласно изобретению.
Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на приведенные ниже примеры.
Сравнительный пример 1
Этот сравнительный пример предназначен для иллюстрации стандартной оболочковой формы, соответствующей существующему уровню техники и используемой для литья алюминиевых сплавов, изготовление которой происходило следующим образом.
Испытательный образец из воска с наполнителем погружали в первую суспензию (основную) на 30 секунд и сушили в течение 60 секунд. Затем на влажную поверхность суспензии наносили крупнозернистый гипсовый материал при помощи обсыпки в песчаном дожде (наносили с высоты приблизительно 10 см). Покрытый испытательный образец был помещен на вращающийся накопитель для сушки и просушивался в течение требуемого времени в контролируемых условиях низкой скорости перемещения воздуха. Продолжительная сушка удаляет влагу из коллоидной связки, вызывая застывание частиц с образованием плотного геля.
Последующие слои покрытия были нанесены путем погружения (30 секунд) во вторую (дополнительную) суспензию, после чего следовала сушка (60 секунд), с последующим нанесением гипса (обсыпка в песчаном дожде, нанесение с высоты приблизительно 10 см) и сушкой в течение требуемого времени после нанесения каждого из слоев гипса. Всего было нанесено четыре дополнительных слоя покрытия. На завершающем этапе было нанесено герметизирующее покрытие (погружение в дополнительную суспензию, но без нанесения гипса), после чего следовала сушка.
Характеристики основной и дополнительной суспензии содержатся в Таблице 1, другие параметры процесса приведены в Таблице 2. Добавление латекса в Таблице 1 относится к использованию латексной системы на водной основе, которая добавляется к основной связке для улучшения прочности в необожженном состоянии и уменьшения прочности в обожженном состоянии.
| Таблица 1 | ||||
| Характеристики суспензии для приготовления оболочковой формы для алюминия (все данные в весовых процентах) | ||||
| Суспензия | Содержание связки из диоксида кремния, % по весу | Добавление латексного полимера, % по весу | Тип наполнителя | Концентрация огнеупора, % от общего веса суспензии |
| Основная | 26 | 6 | (а) циркон 2 00 меш | 77%а:b 3:1 |
| (b) плавленый кварц 200 меш | ||||
| Дополнительная | 22 | 8 | плавленый кварц 200 меш | 57% |
| Таблица 2 | |||
| Характеристики состава оболочки для Сравнительного примера 1 | |||
| Слой покрытия | Гипс | Скорость воздуха при сушке, мс-1 | Время сушки, мин |
| Основной | алюминосиликат 50/80 меш | 0,4 | 1440 |
| Дополнительный | алюминосиликат | 3 | 90 |
| 1 | 30/80 меш | ||
| Дополнительный | алюминосиликат | 3 | 90 |
| 2 | 30/80 меш | ||
| Дополнительный | алюминосиликат | 3 | 90 |
| 3 | 30/80 меш | ||
| Дополнительный | алюминосиликат | 3 | 90 |
| 4 | 30/80 меш | ||
| Герметизирующий слой |
нет | 3 | 1440 |
| Итого | 3240 |
Сравнительный пример 2
Оболочковая форма, соответствующая Сравнительному примеру 2 была изготовлена тем же образом, что и для Сравнительного примера 1 с использованием суспензий, указанных в Таблице 1, за исключением того, что гипс, нанесенный на основной и все дополнительные слои покрытия, включал частицы полиакрилата (при концентрации 1 часть полиакриламида на 40 частей гипса). Параметры процесса приведены в Таблице 3. Когда полиакрилат наносится на влажную поверхность суспензии, он быстро абсорбирует влагу из соседней коллоидной части суспензии, усиливая застывание в плотный гель без необходимости продолжительного времени сушки.
| Таблица 3 | |||
| Характеристики состава оболочки для Сравнительного примера 2 | |||
| Слой покрытия | Гипс | Скорость воздуха при сушке, мс-1 |
Время сушки, мин |
| Основной | алюминосиликат 50/80 меш Liquiblock 144 (2,5 вес.%)* | 0,4 | 10 |
| Дополнительный 1 | алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (2,5 вес.%)* | 3 | 5 |
| Дополнительный 2 | алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (2,5 вес.%)* | 3 | 5 |
| Дополнительный 3 | алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (2,5 вес.%)* | 3 | 5 |
| Дополнительный 4 | алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (2,5 вес.%)* | 3 | 5 |
| Герметизирующий слой | нет | 3 | 1080 |
| Итого | 1110 | ||
| * полиакрилат с размером частиц<300 мкм |
Пример 1
Была приготовлена смесь из одной весовой части Liquiblock 144, 400 весовых частей алюминосиликата с размером частиц 50/80 меш и 400 весовых частей деионизированной воды, которая была подвергнута сушке при 100°С в течение 24 часов с периодическим перемешиванием. Небольшие образцы были подвергнуты обжигу при 1000°С в течение 30 минут, и было определено первоначальное процентное содержание полимера путем отнесения потери содержания весовых процентов на счет выгорания полимера. Результаты показали, что гипс содержал полимера 0,20% по весу (процентное содержание полимера чуть меньше теоретических 0,25 весового процента, так как в гипсе осталось некоторое количество воды).
В качестве альтернативного варианта приготовления гипса полимер был энергично перемешан с водой для получения вязкого геля. Затем были добавлены частицы огнеупорного материала, которые находились во взвешенном состоянии в гелевой матрице. Была проведена сушка в течение 20 минут с использованием микроволнового излучения, которая привела к получению сухой твердой заготовки, после чего эта заготовка была осторожно повторно измельчена, чтобы предотвратить существенные изменения размера частиц. Такой способ гарантирует, что фактически все огнеупорные частицы будут покрыты полимером.
Керамические суспензии были приготовлены в соответствии с Таблицей 1, и создание образцов керамической формы происходило в соответствии с приведенной ниже Таблицей 4, при этом процедура соответствовала использованной для Сравнительных примеров 1 и 2.
| Таблица 4 | |||
| Изготовление оболочковой формы в Примере 1 | |||
| Слой покрытия | Гипс | Скорость воздуха при сушке, мс-1 | Время сушки, мин |
| Основной | алюминосиликат 50/80 меш Liquiblock 144 (0,25 вес.%)* | 0,4 | 10 |
| Дополнительный 1 | алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (0,25 вес.%)* | 3 | 10 |
| Дополнительный 2 | алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (0,25 вес.%)* | 3 | 10 |
| Дополнительный 3 | алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (0,25 вес.%)* | 3 | 10 |
| Дополнительный 4 | алюминосиликат 30/80 меш | 3 | 10 |
| Liquiblock 144 (0,25 вес.%)* | |||
| Герметизирующий слой | нет | 3 | 1080 |
| Итого | 1130 |
Пример 2
Был повторен Пример 1 при четырехкратном увеличении содержания полимера (т.е. теоретический 1%). Сравнение толщины оболочек
Сравнение толщины керамических оболочек, полученных для оболочковых форм в Сравнительных примерах 1 и 2, а также в Примере 1 и Примере 2, приведено в Таблице 5.
| Таблица 5 | |||
| Сравнение толщины оболочковых форм | |||
| Состояние | Средняя толщина, мм | Стандартное отклонение σ-1, мм | |
| Сравнительный Пример 1 | необожженное | 4,99 | 0,39 |
| обожженное | 4,81 | 0, 56 | |
| Сравнительный Пример 2 | необожженное | 9,42 | 0,36 |
| обожженное | 8,53 | 0,46 | |
| Пример 1 | необожженное | 6,41 | 0,42 |
| обожженное | 6,75 | 0,56 | |
| Пример 2 | необожженное | 7,35 | 0,93 |
| обожженное | 7,54 | 0, 88 |
Измерение прочности плоского бруска (предел прочности)
Предел прочности представляет собой максимальное напряжение, которому может противостоять призматический испытательный образец заданных размеров, когда он нагружается в режиме трехточечного изгиба. Принципом испытания является нагружение испытательных образцов с постоянной скоростью увеличения напряжения до разрушения. Этот способ испытания широко используется в промышленности, в частности для выбора материала формы с лучшими свойствами. Способ испытания стандартизован Британским стандартом BS 1902-4.4:1995, который определяет способ испытания и допуски на размеры, необходимые для правильного выполнения испытания.
Для испытания на прочность образцы были изготовлены на восковой модели с размерами 200 мм × 25 мм × 10 мм. После удаления воска формы были нарезаны на прямоугольные бруски для испытаний. Необожженные и обожженные образцы были испытаны при комнатной температуре (18-21°С).
Чтобы оценить влияние процедуры удаления воска на механическую прочность оболочковых форм, прочность в необожженном состоянии была измерена для сухих образцов (перед испытанием оставленных при 21°С на 12 часов) и влажных образцов (перед испытанием установленных над паровой ванной при температуре 80-90°С на 30 минут). Образцы нагружались на установке для испытаний на растяжение Instron 8500 с постоянной скоростью нагружения 1 мм/мин до разрушения.
Предел прочности σМах был вычислен с использованием Уравнения 1:
где РМах - разрушающая нагрузка, W и H - ширина и толщина зоны разрушения образца, L - длина интервала. Предел прочности, измеренный в режиме трехточечного изгиба является неотъемлемым свойством материала, на которое не влияют размеры бруска для испытаний. На характеристики материала влияет изменение толщины оболочки, поэтому была вычислена скорректированная разрушающая нагрузка при изгибе (AFLB) (определенная как нагрузка, необходимая для разрушения испытательного образца оболочки шириной 10 мм при интервале 70 мм). Эта величина нормализует способность восприятия нагрузки оболочкой и может быть вычислена с использованием Уравнения 2:
где fB - константа, равная 0,1, т.е. нормализующая данные для ширины 10 мм.
Для создания керамических оболочек, получаемых при помощи описанных выше процедур, использовались вводимые восковые бруски. После создания оболочек воск удалялся при помощи пара на установке Boilerclave™ при давлении 8 бар в течение 4 минут с последующим циклом контролируемого сброса давления со скоростью 1 бар/мин. Были нарезаны испытательные образцы размером приблизительно 20 мм × 80 мм с использованием шлифовального круга, которые были испытаны в режиме трехточечного изгиба при комнатной температуре (основной слой покрытия в состоянии сжатия).
Сравнение максимальных значений прочности, полученных при комнатной температуре в режиме трехточечного изгиба для оболочковых образцов, приведено в Таблице 6. В дополнение к измерениям прочности в исходном сухом состоянии образцы, соответствующие Примерам 1 и 2, а также Сравнительным примерам 1 и 2, были испытаны на прочность в исходном влажном состоянии (чтобы смоделировать прочность при удалении воска), а также на прочность в обожженном состоянии при различных режимах нагрева. Эти результаты также приведены ниже в Таблице 6.
| Таблица 6 | |||
| Прочность плоских брусков при испытаниях на разрушение | |||
| Пример | Состояние | Прочность, МПа | Скорректированная разрушающая нагрузка, Н |
| Сравнительный Пример 1 | исходное, сухое | 4,86+/-0,54 | 12,0 |
| исходное, влажное | 4,55+/-0,47 | 11,1 | |
| обожженное (способ А) | 4,24+/-0,61 | 9,7 | |
| обожженное (способ В) | 3,80+/-0,38 | 9,1 | |
| Сравнительный Пример 2 | исходное, сухое | 2,80+/-0,75 | 24,8 |
| исходное, влажное | 1,63+/-0,36 | 13,9 | |
| обожженное (способ В) | 1,32+/-0,32 | 9,5 | |
| обожженное (способ С) | 0,98+/-0,29 | 8,7 | |
| Пример 1 | исходное, сухое | 2,11+/-0,16 | 8,3 |
| исходное, влажное | 1,29+/-0,16 | 5,6 | |
| обожженное (способ В) | 1,15+/-0,16 | 5,2 | |
| обожженное (способ С) | 1,18+/-0,09 | 5,1 | |
| Пример 2 | исходное, сухое | 3,15+/-0,9 | 17,2 |
| исходное, влажное | 1,70+/-0,22 | 11,3 | |
| обожженное (способ А) | 1,86+/-0,37 | 9,7 | |
| обожженное (способ В) | 1,86+/-0,37 | 11,8 | |
| обожженное (способ С) | 2,05+/-0,33 | 11,2 |
Способ обжига А: до 1000°С при 20°С/мин, выдержка 60 мин, охлаждение в печи;
Способ обжига В: до 700°С при 1°С/мин, выдержка 6 мин, до 1000°С при 5°С/мин, выдержка 30 мин, охлаждение в печи;
Способ обжига С: до 700°С при 2°С/мин, выдержка 6 мин, до 1000°С при 10°С/мин,; выдержка 60 мин, охлаждение в печи.
Необходимо отметить, что до тех пор пока прочность в обожженном состоянии достаточна для удержания отливаемого сплава, более низкие значения прочности оболочковой формы фактически являются более выгодными с точки зрения ее выбивания, особенно при литье относительно мягких алюминиевых сплавов.
Хотя оболочковые формы, соответствующие Сравнительному примеру 2, в общем случае удовлетворяют требованиям и могут быть изготовлены значительно быстрее, чем стандартные оболочки (Сравнительный пример 1), имелась тенденция к отслаиванию основного слоя гипса. При удалении воска и обжиге также наблюдалось некоторое растрескивание, хотя прорыва металла не происходило.
Отслаивание во время изготовления оболочки и удаления воска может быть обусловлено объемным расширением отдельных частиц полимера по мере абсорбции воды и "разбухания" частиц. Другой наблюдавшийся эффект, "вспучивание", может быть обусловлен тем, что полимер вводится как "дискретные" частицы: не вся влага из слоя суспензии удаляется из коллоидной фазы, так как существует ограничение на степень/скорость перемещения влаги через сеть капилляров. При создании путем погружения следующего слоя будет возникать излишек влаги в коллоидной сети, предотвращая застывание и ускоряя "распад" уже застывшей связующей структуры. Расширение и растрескивание оболочки во время обжига может быть обусловлено несовпадением тепловых характеристик керамики/коллоида/полимерной добавки, либо расширением из-за испарения полимера. Дискретные частицы будут характеризоваться высокой концентрацией полимера в одной конкретной области, при этом будут оставаться пустоты по мере его удаления.
Полным контрастом является то, что в Примере 1 и Примере 2 оболочки вообще не растрескиваются во время удаления воска, при этом оболочка в целом (основной и дополнительные слои) остается неповрежденной. После обжига при уменьшенных скоростях нагрева (Способы В и С) оболочка является целой и отслаивания не наблюдается. Прочность эквивалентна прочности при использовании добавок полимера в виде частиц, но тот факт, что оболочка в целом остается неповрежденной, означает, что оболочки, соответствующие настоящему изобретению, будут предпочтительны при литье. Кроме того, можно заметить, что значения AFL для Примера 2 сопоставимы или выше значений для немодифицированных стандартных оболочек, соответствующих Сравнительному примеру 1, что предполагает, что данная оболочка фактически будет обладать повышенной способностью к восприятию нагрузок.
Испытания на прочность ребер (клином) в исходном и обожженном состоянии
Испытание на предел прочности не характеризует способности формы сопротивляться растрескиванию в том месте, где наиболее часто происходит разрушение во время удаления воска и литья, которое совпадает с малыми радиусами или острыми углами. Это часто наблюдается в таких изделиях, как лопатки турбины, где равномерность покрытия суспензией и гипсом играет важную роль. Испытание на прочность ребер используется для оценки прочности и способности к восприятию нагрузки оболочковой формы на ребрах и углах (Лиланд С.П. (Leyland S.P.), Хайд P. (Hyde R.) и Уйти П.A. (Withey Р.А.), "Соответствие назначению оболочек для литья по выплавляемым моделям", Материалы 8-го Международного симпозиума по литью по выплавляемым моделям (Precast 95), Чешская Республика, Брно, 1995, 62-68).
Для испытания на прочность ребер, в отличие от испытания плоской поверхности формы, пуансон в виде клина вдавливается в испытательный образец специальной конструкции. Испытательный образец нагружается таким образом, чтобы внутренняя поверхность формы (основной слой) испытывала растяжение, а внешняя поверхность - сжатие. Испытательные образцы брались из форм, изготовленных с использованием восковой модели специальной конструкции, которая обеспечивает создание симметричных протяженных участков ребра. Длина образца для испытаний на прочность ребер составляла приблизительно 20 мм, а ширина - 10 мм. Испытывались образцы, находившиеся в исходном (сухом и влажном) состоянии и обожженном (в соответствии с указанными выше схемами) состоянии.
Регистрировалась нагрузка, необходимая для разрушения испытательного образца, и предел прочности испытательного образца вычислялся с использованием Уравнения 3:
где F - разрушающая нагрузка, приложенная к клину, d - длина интервала, W - ширина и Т - толщина образца для испытаний ребер на прочность. Скорректированная разрушающая нагрузка образца, содержащего ребро (AFLW), определенная как нагрузка, необходимая для разрушения испытательного образца шириной 10 мм при длине интервала 20 мм, нормализует способность к восприятию нагрузки оболочкой на ребрах и может быть вычислена с использованием Уравнения 4:
где fW - константа, равная 0,1.
Пример 2 обеспечил получение структуры оболочки, которая абсолютно не расслаивается. Как исходные, так и обожженные образцы были неповрежденными и прочными. Это предполагает, что сниженное содержание полимера не только уменьшает уровень остаточного увлажнения во время изготовления исходной (сырой) оболочки, но также снижает напряжение, действующее на оболочковую конструкцию при обжиге. Считается, что такая комбинация избыточной влаги и напряжений, возникающих во время испарения полимера, является причиной расслаивания. Таким образом, в будущем оболочковые конструкции необходимо изготавливать с минимальным уровнем добавления полимера, обстоятельство, которое также будет уменьшать стоимость материалов, входящих в состав оболочки. В Таблице 7 приведено сравнение результатов испытаний на прочность ребер (включая результаты AFL) для Сравнительного примера 1 и Примера 2.
| Таблица 7 | |||
| Сравнение результатов испытаний на прочность ребер | |||
| Пример | Состояние | Прочность ребра, МПа | Скорректированная разрушающая нагрузка, Н |
| Сравнительный Пример 1 | исходное, сухое | 1,89+/-0,37 | 2,93+/-0,51 |
| исходное, влажное | 1,65+/-0,23 | 2,90+/-0,59 | |
| обожженное (способ А) | 1,34+/-0,14 | 1,6З+/-1,21 | |
| обожженное (способ В) | 1,58+/-0,27 | 2,25+/-0,46 | |
| Пример 2 | исходное, сухое | 0,65+/-0,15 | 3,82+/-0,76 |
| исходное, влажное | 0,44+/-0,10 | 2,13+/-0,39 | |
| обожженное (способ А) | 0,39+/-0,08 | 2,43+/-1,47 | |
| обожженное (способ В) | 0,43+/-0,08 | 2,11+/-0,74 | |
| обожженное (способ С) | 0,42+7-0,07 | 2,03+/-0,93 |
Результаты испытаний на прочность ребер показывают, что оболочка, соответствующая Примеру 2 имеет более низкую прочность по сравнению со стандартными конструкциями. Однако усиленная конструкция оболочки на уязвимом ребре обеспечивает способность к восприятию нагрузки (AFL), которая является сопоставимой, т.е. ребра оболочки будут противостоять тем же нагрузкам. Стандартное отклонение при измерениях толщины значительно выше для оболочки, соответствующей Примеру 2, и указывает на увеличенную изменчивость в структуре оболочки. Однако увеличенная изменчивость толщины оболочки, по-видимому, не влияет на хорошо согласующиеся значения прочности ребер, демонстрируемые этими оболочками. Результаты также показывают, что модифицированная конструкция может подвергаться обжигу со скоростями, сопоставимыми с промышленными стандартами (обжиг А) без возникновения каких-либо неблагоприятных эффектов, что устраняет необходимость в уменьшении скоростей обжига для этих специализированных оболочек.
Полномасштабные литейные испытания
Пример 3
Литейные испытания, проведенные на этом этапе проекта, имели целью подтвердить способ быстрого изготовления оболочек и его способность обеспечить изготовление отливок промышленного размера в современном литейном производстве. Формы изготавливались вручную из-за большого количества материалов, необходимых для работы промышленной установки для обсыпки в песчаном дожде с использованием материала, покрытого гипсом.
Узел был изготовлен с использованием моделей, соответствующих испытательному образцу, из свежего воска (Remet Hyfill) и литниковой системой из регенерированного воска. Погружение оболочки выполнялось в соответствии с процедурой, указанной в приведенной ниже Таблице 8, при этом гипс приготавливался, как для Примеров 1 и 2.
| Таблица 8 | |||
| Характеристики состава оболочки для Примера 3 | |||
| Слой покрытия | Гипс | Скорость воздуха при сушке, мс-1 | Время сушки, мин |
| Основной | алюминосиликат 50/80 меш Liquiblock 144 (1 вес.%)* | 0,4 | 10 |
| Дополнительный 1 | алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (1 вес.%)* | 3 | 10 |
| Дополнительный 2 | алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (1 вес.%)* | 3 | 10 |
| Дополнительный 3 | алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (2 вес.%)* | 3 | 10 |
| Дополнительный 4 | алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (2 вес.%)* | 3 | 10 |
| Герметизирующий слой | нет | 3 | 720 |
| Итого | 770 |
Восковой узел был упакован и перевезен в промышленный литейные цех для удаления воска на реальной промышленной установке Boilerclave. Использованная схема удаления воска была следующей:
1. Давление от 0 до 8,5 бар (0,85 МПа) за 10 секунд.
2. Выдержка при максимальном давлении в течение 5 минут.
3. Сброс давления до атмосферного за 10 минут (0,8 бар/мин). Оболочка была обожжена в промышленной печи при следующем режиме:
1. Установка в печь и нагрев до 450°С с постоянной скоростью (приблизительно 15°С/мин);
2. Нагрев с постоянной скоростью с 450°С до 800°С (приблизительно 12°С/мин);
3. Выдержка при 800°С в течение 30 минут;
4. Заливка сплава LM25 (алюминиевый сплав) при приблизительно 800°С;
5. Охлаждение на воздухе.
Отливка, изготовленная в соответствии со Сравнительным примером 2 (добавление частиц гипса 2,5 весовых процента), с использованием промышленно чистого алюминия продемонстрировала проблемы, заключающиеся в отслаивании основного слоя покрытия на литниковой воронке. Отливка не показала какого-либо существенного отслаивания в теле узла, хотя имелись признаки растрескивания ребер и небольшие количества первичной потери. В противоположность этому оболочка, соответствующая Примеру 3, не продемонстрировала отслаивания основного или дополнительных слоев покрытия и видимых повреждений, которые происходят во время удаления воска. После обжига оболочка была залита сплавом LM25 с добавлением небольшого количества цемента вокруг основания испытательных образцов (обычная практика для соответствующего литейного производства), хотя признаки растрескивния или ослабления в этом месте отсутствовали.
Оболочка является значительно более слабой по сравнению со стандартной и, следовательно, относительно легко удаляемой. Признаки первичного отслаивания отсутствовали, и отливка была прочной с хорошим состоянием поверхности. Попытка отлить быстро изготавливаемую промышленную оболочку в стандартных условиях промышленного удаления воска и литья оказалась успешной.
Пример 4
С целью дальнейшего совершенствования оболочковой формы был внесен ряд изменений в процесс, соответствующий Примеру 3:
- дальнейшее уменьшение содержания суперабсорбирующего полимера для снижения накопления влаги во время погружения;
- уменьшение/устранение перемещения воздуха между слоями и времени, отведенного на это перемещение для ускорения изготовления;
- использование стандартных сроков основных этапов изготовления (модификация полимера отсутствует), чтобы полностью предотвратить отслаивание основного слоя покрытия;
- "сдувание" отставшей суспензии между погружениями, чтобы снизить отслаивание (стандартная процедура в промышленности);
- использование существующих промышленных схем удаления воска и обжига.
В этом примере изготавливаемая отливка представляла собой турбокомпрессор промышленной газовой турбины. Погружение осуществлялось в соответствии с процедурой, указанной в приведенной ниже Таблице 9, при этом гипс приготавливался, как для Примеров 1 и 2.
| Таблица 9 | |||
| Характеристики состава оболочки для Примера 4 | |||
| Слой покрытия | Гипс+ | Скорость воздуха при сушке, мс-1 | Время сушки, мин |
| Основной | Цирконовый песок | 0,1 | 420 |
| Дополнительный 1 | Алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (0,25 вес.%)* | 0,1 | 20 |
| Дополнительный 2 | Алюминосиликат 30/80 меш Liquiblock 144 (0,25 вес.%)* | 1,5 | 20 |
| Дополнительный 3-7 | Алюминосиликат 18/36 меш Liquiblock 144 (0,25 вес.%)* | 3 | 80 |
| Герметизирующий слой | нет | 3 | 720 |
| Итого | 1580 | ||
| + Если в дополнительных слоях использовался полимер, то предварительно покрытый полимером материал гипса предварительно смешивался со стандартным непокрытым материалом в соотношении "покрытый/непокрытый" 3:1. |
Удаление воска в реальной промышленной установке Boilerclave осуществлялось при максимальном давлении 8 бар (180°С, 0,8 МПа) в течение 10 минут, при скорости сброса давления 1 бар/мин.
Оболочка обжигалась в промышленной печи при следующем режиме:
1. Установка в печь и нагрев с постоянной скоростью до 900°С (приблизительно 20°С/мин);
2. Выдержка при 900°С в течение 120 минут;
3. Охлаждение в печи.
После обжига было выполнено промывание, чтобы определить наличие какого-либо первичного отслаивания (частицы вымываются и становятся видны) или сквозных трещин в структуре оболочки. В промывочной воде используется красящий компонент, который проникает через трещины, делая их видимыми. В этом случае оболочка оставалась абсолютно целой без следов первичного отслаивания.
Литье осуществлялось с использованием суперсплава на основе никеля при 1600°С в вакууме. После этого форма оставалась неповрежденной, без следов растрескивания, вытекания металла или образования заусенцев на ребрах лопатки (указывают на трещины в ребрах оболочки). Это повторно подтверждалось после удаления формы, когда отсутствовали заусенцы, или искажения внешнего вида отливки.
На завершающем этапе отливка была подвергнута дробеструйной обработке, очистке, термической обработке и подготовлена для испытания методом неразрушающего контроля (NDT - Non-Destructive Test) и проверки допусков на размеры. Изготовленные быстрым способом отливки продемонстрировали размеры, идентичные размерам отливок, изготовленных с использованием обычной оболочковой формы, были абсолютно неповрежденными и находились в пределах требуемых допусков на размеры.
Сушка и улучшение прочности каждого слоя покрытия при изготовлении оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям является наиболее существенным фактором, ограничивающим скорость выполнения, при уменьшении периодов освоения новой продукции и затрат на изготовление в данной области промышленности. Как таковые, усовершенствования, которые снижают стоимость и сроки циклов, открывают огромные возможности для совершенствования изделий, экономии затрат и рациональной по отношению к окружающей среде практике снижения энергопотребления. Фундаментальная потребность в удалении существенного количества влаги для застывания коллоидной связки и в создании достаточной прочности в исходном состоянии для повторного погружения была преодолена за счет нахождения альтернативного способа быстрого удаления влаги из коллоида без сушки. В целях изготовления форм для процессов литья по выплавляемым моделям был разработан альтернативный способ, использующий добавку из полимера-суперабсорбента для быстрого удаления воды и ее химического "блокирования" в полимерной структуре, в результате чего удаление влаги путем сушки не требуется, чтобы вызвать застывание связки. Использование системы подтверждено промышленной практикой, при этом требуются минимальные капитальные затраты или замена оборудования, так как легко могут быть использованы существующие системы. Имеется огромный потенциал для снижения трудовых и материальных затрат, и периоды освоения новой продукции, начиная с этапов создания восковых моделей/литья, могут быть значительно сокращены, позволяя изготавливать существующие детали быстрее, а также создавая потенциал для применения специализированных в настоящее время технологических цепочек (т.е. детали автомобильной промышленности и общего машиностроения) в новых областях.
1. Способ изготовления оболочковой формы, включающий последовательные этапы погружения предварительно отформованной расходуемой модели в суспензию из огнеупорных частиц и коллоидной жидкой связки для создания слоя покрытия на модели, нанесения частиц огнеупорного материала на слой покрытия и сушки полученной оболочковой формы, причем число упомянутых этапов соответствует при изготовлении оболочковой формы требуемому числу слоев покрытия, отличающийся тем, что во время, по меньшей мере, одного этапа нанесения частиц огнеупорного материала на слой покрытия частицы огнеупорного материала предварительно смешивают с гелеобразующим материалом для покрытия, по меньшей мере, части огнеупорных частиц этим гелеобразующим материалом, при этом после контакта со слоем покрытия влагу абсорбируют упомянутым гелеобразующим материалом для превращения в гель коллоидной связки и сокращения времени сушки оболочковой формы, при этом в качестве гелеобразующего материала используют полимер-суперабсорбент.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после сушки оболочковой формы на нее наносят герметизирующее покрытие, содержащее суспензию из огнеупорных частиц и коллоидной жидкой связки с последующей сушкой.
3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что огнеупорные частицы, покрытые гелеобразующим материалом, наносят во время каждого повторного этапа нанесения частиц огнеупорного материала на слой покрытия.
4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что этап нанесения частиц огнеупорного материала на слой покрытия выполняют с использованием установки для обсыпки в песчаном дожде.
5. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что на этапе нанесения частиц огнеупорного материала на слой покрытия используют гелеобразующий материал в количестве, не превышающем 2 вес.% от частиц огнеупорного материала, используемых на данном этапе.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимера-суперабсорбента используют полиакрилат.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение между предварительно покрытыми гелеобразующим материалом и непокрытыми частицами огнеупорного материала, используемыми на этапе нанесения частиц огнеупорного материала на слой покрытия, составляет 75:25 по весу соответственно.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что соотношение между предварительно покрытыми и непокрытыми частицами огнеупорного материала получают путем смешивания упомянутых покрытых частиц огнеупорного материала с непокрытыми частицами огнеупорного материала.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие частиц огнеупорного материала выполняют путем смешивания гелеобразующего материала с водой с получением геля и последующего примешивания частиц огнеупорного материала к гелю, последующей сушки и измельчения полученной в результате массы.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что упомянутый этап покрытия частицами огнеупорного материала, которые покрыты гелеобразующим материалом, выполняют путем нанесения их при помощи распылительной сушки, агломерации или использования псевдоожиженного слоя.
11. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве частиц огнеупорного материала используют частицы диоксида кремния, силиката циркония, алюминосиликата, оксида алюминия или оксида иттрия.
12. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что расходуемую модель удаляют из оболочковой формы после последнего этапа ее сушки или, при необходимости, после нанесения герметизирующего покрытия на оболочковую форму, а затем осуществляют обжиг полученной оболочковой формы.
13. Оболочковая форма, изготовленная способом по любому из пп.1-12.
