Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям

Способ включает изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда, последующую обсыпку каждого слоя зернистым электрокорундом. Первые два слоя наносят с использованием в керамической суспензии алюмоорганического связующего: общей формулы RO{[-Al(OR)-O-]_x[-Al(OR*)-O-]_y}_zH, где z=3-100; x+y=1; R*/Al=0,05÷0,95; R=C_nH_2n+1; n=1÷4; R*=С(СН₃)=СНС(O)C_nH_2n+1; С(СН₃)-СНС(O)OC_nH_2n+1, а последующие слои выполняют с использованием в качестве гидролизованного раствора этилсиликата. Сушку слоев проводят с выдержкой в камере с влажностью не менее 95% для первого слоя в течение 1 часа второго слоя - 3-х часов и последующей конвективной сушкой каждого слоя. Прокалку керамической формы проводят при температуре 1250-1350°С в течение 4-6 часов. Обеспечивается повышение термостойкости и прочности керамической оболочки. 1 табл.

 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления керамических оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве особо ответственных отливок из химически активных сталей и сплавов.

В настоящее время промышленно выпускаемыми и широко применяемыми связующими материалами являются технические этилсиликаты и кремнезоли, образующие после прокаливания диоксид кремния, наличие которого в керамической форме крайне нежелательно.

В процессе заливки и охлаждения расплава происходит интенсивное взаимодействие металла с диоксидом кремния керамической оболочки, что приводит к образованию на поверхности отливки трудноустранимых питтинг-дефектов, выявляющихся на различных стадиях технологического процесса изготовления деталей, повышению шероховатости поверхности и снижению коррозионной стойкости металла.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ изготовления комбинированных керамических форм по выплавляемым моделям, где в качестве суспензии для первых двух слоев используют связующее гидролизованный раствор этилсиликата, а для последующих слоев суспензию с жидким стеклом (Пат. РФ 2302311, В22С 9/04, 2007 г.).

Данное техническое решение обладает существенными недостатками:

- в процессе литья происходит физико-химическое взаимодействие материала оболочковой формы с расплавленным металлом. При этом глубина взаимодействия, определяемая толщиной металлооксидного слоя, зависит от состава жаропрочного сплава, содержания SiO₂ в оболочковой форме, ее структуры и может достигать 200 мкм;

- при нанесении жидкостекольного слоя на этилсиликатный, связующее мигрирует через поры этилсиликатных слоев к рабочей поверхности формы, тем самым снижая качество поверхности отливок из-за взаимодействия заливаемого сплава с оксидом натрия, содержащимся в жидком стекле;

- в процессе нагрева жидкостекольные слои претерпевают усадку, что вызывает напряжения в оболочковой форме, способные привести к трещинам и разупрочнению форм.

Задачей данного изобретения является улучшение качества литья по выплавляемым моделям за счет снижения химического взаимодействия на границе металл-форма, ликвидации питтинг-дефектов при производстве отливок из химически активных сталей и сплавов, повышение термостойкости, прочности керамической оболочки, улучшение выбиваемости отливок.

Указанная задача решается таким образом, что способ изготовления керамических оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве особо ответственных отливок из жаропрочных и тугоплавких металлов с равноосной структурой, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда, последующую обсыпку каждого слоя зернистым электрокорундом, сушку слоев керамической формы, удаление модели и прокалку керамической формы, отличается тем, что керамическую оболочковую форму изготавливают комбинированной, первые два слоя наносят с использованием в керамической суспензии алюмоорганическое связующее:

RO{[-Al(OR)-О-]_x[-Al(OR*)-О-]_y}_zH,

где z=3÷100; х+y=1; R*/Al=0,05÷0,95; R=C_nH_2n+1; n=1÷4;

R*=С(СН₃)=СНС(O)C_nH_2n+1; С(СН₃)=СНС(O)OC_nH_2n+1,

при этом сушку слоев проводят с выдержкой в камере с влажностью не менее 95% - для первого слоя 1 час, второго слоя - 3 часа и последующей конвективной сушкой каждого слоя в течение часа, причем последующие слои выполняют с использованием в качестве связующего гидролизованный раствор этилсиликата, а прокаливание комбинированных керамических форм проводят при температуре 1250-1350°С в течение 4-6 часов.

В целях экономии алюмоорганического связующего, снижения себестоимости литья, улучшения выбиваемости, в качестве связующего для первого и второго слоев используют алюмоорганическое связующее, а для последующих слоев в качестве связующего - гидролизованный раствор этилсиликата.

Приготовление керамической суспензии на алюмоорганическом связующем осуществляется по патенту РФ №2082535, В22С 1/06, 1/16, 1997 г.

Изготовление керамических оболочковых форм производят последовательным окунанием модели в огнеупорную суспензию на алюмоорганическом связующем для первых двух лицевых слоев и на этилсиликатном связующем для последующих слоев и ее обсыпку огнеупорным зернистым материалом на основе электрокорунда.

Сушку первых двух керамических слоев на алюмоорганическом связующем проводят в две стадии. Первую стадию проводят в камере с повышенной влажностью (не менее 95%): выдержка первого слоя - до 1 час, второго - до 3 часов. Вторая стадия - конвективная сушка до равновесного с окружающей средой влагосодержания. Сушку последующих слоев на этилсиликатном связующем проводят по общепринятой технологии.

Вытопка моделей из оболочковых форм производится любым известным способом.

Прокаливание керамических форм следует производить при температуре 1250-1350°С в течение 4-6 часов, что способствует выгоранию органических составляющих, присутствующих в форме и приданию оболочковой форме требуемых механических свойств.

Способы изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Предлагаемое изобретение было отработано в условиях литейного цеха при изготовлении керамической формы для производства отливок лопаток газотурбинного двигателя.

В качестве связующего для первых двух слоев покрытия использовали алюмоорганическое связующее с условным содержанием Al₂O₃ 11%.

На модельный блок послойно наносили керамическую суспензию, включающую в себя, мас.%:

алюмоорганическое связующее	25
огнеупорный наполнитель	75

с последующей обсыпкой каждого слоя зернистым электрокорундом.

После нанесения слоя производили сушку керамической формы в камере с влажностью 95% с последующей конвективной сушкой.

Последующие слои изготовляли с использованием суспензии на этилсиликатном связующем с сушкой каждого слоя в вакуумно-аммиачной камере. После нанесения последнего слоя следовала операция удаления модельного состава в бойлер-клаве.

Прокаливание керамической формы осуществляли при температуре 1280°С в течение 4 часов. Прокаленные формы были залиты сплавом ЖС6У при температуре 1530±10°С. Керамическую оболочку удаляли пескоструйной обработкой.

В дальнейшем, металлографическими исследованиями установлено, что при использовании комбинированной формы, слой взаимодействия между металлом отливки и оболочковой формой в ~7 раз меньше, чем на лопатках, изготовленных по серийной технологии, и не превышает 5 мкм.

Проведенные исследования рентгеновского спектра показали, что на лицевой поверхности комбинированной формы отсутствует диоксид кремний, диффундирующий из внутренних слоев, и содержание его равно тому количеству, которое присутствует в составе шихты микропорошков электрокорунда.

Исследования микроструктуры материала лопатки, полученной заливкой в комбинированную оболочковую форму, показали, что дисперсность дендритной структуры выше, по сравнению с контрольными лопатками. А также еще одной особенностью микроструктуры данной лопатки является уменьшение количества (γ-γ') - эвтектики в межосных зонах дендритов.

В табл.1 приведены сравнительные данные по толщине слоя пригара между металлом отливки и комбинированной оболочковой формой, а также этилсиликатной формой.

Пример 2.

Керамические формы изготовляли по технологии, указанной в примере 1. Прокаленные формы заливали сталью 08Х14Н7МЛ при 1600-1650°С

В результате, поверхность отливок, изготовленных по серийной технологии, была покрыта трудноустранимыми питтинг-дефектами, которые повышают шероховатость поверхности и снижают коррозионную стойкость металла.

Полученные же отливки в комбинированной форме не содержали на своей поверхности питтинг-дефектов.

Так же как и в примере 1, слой взаимодействия между металлом отливки и оболочковой формой в ~7 раз меньше, чем отливках, изготовленных по серийной технологии, и не превышает 5 мкм.

Таблица 1.
Сравнительные данные по толщине слоя пригара между металлом отливки и оболочковой формой
Связующее	Заливаемый металл	Температура заливки, °С	Толщина металлооксидного слоя, мкм
Гидролизованный раствор этилсиликата (ГРЭТС-40)	ЖС6У	1530	21.5
Комбинированная форма: 1÷2 слой - алюмоорганическое связующее 3÷7 слои - ГРЭТС-40	2-5
Комбинированная форма: 1÷2 слой - алюмоорганическое связующее 3÷8 слои - ГРЭТС-40	08Х14Н7МЛ	1600-1650	4-5

Способ изготовления керамических оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве особо ответственных отливок из жаропрочных и тугоплавких металлов с равноосной структурой, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда, последующую обсыпку каждого слоя зернистым электрокорундом, сушку слоев керамической формы, удаление модели и прокалку керамической формы, отличающийся тем, что керамическую оболочковую форму изготавливают комбинированной, первые два слоя наносят с использованием в керамической суспензии алюмоорганического связующего:
RO{[-Al(OR)-O-]_x[-Al(OR*)-O-]_y}_zH,
где z=3-100; x+y=1; R*/Al=0,05÷0,95; R=C_nH_2n+1; n=1÷4;
R*=С(СН₃)=СНС(O)C_nH_2n+1; С(СН₃)=СНС(O)OC_nH_2n+1, при этом сушку первых двух слоев проводят в камере с влажностью не менее 95% с выдержкой для первого слоя - 1 ч, второго слоя - 3 ч и последующей конвективной сушкой каждого слоя, последующие слои наносят с использованием в качестве связующего гидролизованного раствора этилсиликата, а прокаливание комбинированных керамических форм проводят при температуре 1250-1350°С в течение 4-6 ч.