Способ изготовления форм для литья по выплавляемым моделям
Владельцы патента RU 2505376:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева") (RU)
Изобретение относится к области литейного производства. Способ включает изготовление огнеупорной оболочки путем нанесения на выплавляемую модель суспензии на основе огнеупорного материала с применением в качестве связующего этилсиликата. При формовке в опоку на поверхность огнеупорной оболочки предварительно наносят графит из расчета 1 грамм на 1 см2 площади без учета поверхности литниково-питающей системы. Остальной объем опоки заполняют шамотной крошкой и герметизируют поверхностным слоем, состоящим из шамотной крошки и жидкого стекла толщиной не менее 50 мм. Последующее вакуумирование огнеупорной оболочки, заформованной в опоку, осуществляют после прокалки перед заливкой жидкой сталью. Обеспечивается производство отливок без поверхностного окисления и питтинга. 1 табл.
Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении отливок из высокопрочных, легированных, нержавеющих сталей сложной геометрической формы при плавке и заливке в вакууме.
Наиболее близким аналогом является способ изготовления форм для литья по выплавляемым моделям, включающий изготовление оболочки путем послойного нанесения на выплавляемую модель суспензии на основе огнеупорного материала с применением в качестве связующего этилсиликата, удаление модельного состава, установку оболочки в опоку, заполнение опоки огнеупорным материалом, прокалку (RU №2314891, МПК В22С 9/04 C1, 20.01.2008).
Недостатком данного способа является необходимость при изготовлении огнеупорной оболочки вводить в отдельные слои и при формовке в опорный наполнитель графит. Кроме того, при таком способе при плавке и заливке в вакууме происходит разрушение крупногабаритной оболочки.
В работе А.А Берстнева, С.П. Серебрякова «Влияние состава формы по выплавляемым моделям и условий литья жаропрочных сталей на образование поверхностных дефектов» [1] отмечено, что одной из проблем при производстве отливок литьем по выплавляемым моделям является питтинг - пораженность точечными поверхностными дефектами, выявляемыми как вмятины глубиной до 1,5 мм и диаметром до 5,0 мм.
Для предупреждения брака по точечным поверхностным дефектам предложены следующие мероприятия:
1. Для торможения миграции кремнезема и снижения химической активности первого слоя в огнеупорную суспензию лицевого слоя помимо огнеупорного наполнителя, вволится микропорошок АСД4 из расчета 8-10% от веса наполнителя для липового слоя керамической формы.
2. Для снижения содержания врелных примесей в керамической форме разработан способ обработки керамических форм на основе искусственного кварца (маршаллита), заключающийся в нагреве на воздухе при температуре 460-480°C с промывкой форм водой, предварительно электрически ионизированной до уровня pH 2-5 (патент RU №2285576, МПК В22С 9/04, 20.10.2006).
3. Для минимизации содержания кремнезема в керамической форме предложено изготавливать лицевой слой из смеси микропорошка электрокорунла фракций F230, F360, F800.
4. Для торможения миграции кремнезема и снижения химической активности первого слоя в огнеупорную суспензию лицевого слоя помимо огнеупорного наполнителя, вводится микропорошок АСД4 из расчета 8-10% от веса наполнителя для лицевого слоя керамической формы.
5. Для снижения содержания вредных примесей в керамической форме разработан способ обработки керамических форм на основе искусственного кварца (маршаллита), заключающийся в нагреве на воздухе при температуре 460-480°C с промывкой форм водой, предварительно электрически ионизированной до уровня pH 2-5 (патент RU №2285576, МПК В22С 9/04, 20.10.2006).
6. Для минимизации содержания кремнезема в керамической форме предложено изготавливать лицевой слой из смеси микропорошка электрокорунда фракций F230, F360, F800.
Предлагаемые мероприятия снижают окисление и количество точечных дефектов на поверхности отливок, но не устраняют полностью причину их образования в процессе заполнения керамической оболочки в форме, при этом значительно усложняют технологический процесс.
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание способа изготовления формы для литья по выплавляемым моделям, при помощи которого при плавке и заливке в вакууме обеспечивается получение отливок из высокопрочных, легированных нержавеющих сталей без общего окисления, а так же в виде отдельных точек (питтинга), не требующих черновой очистки поверхности.
Данный технический результат достигается способом изготовления форм для литья по выплавляемым моделям, включающим изготовление оболочки путем послойного нанесения на выплавляемую модель суспензии на основе огнеупорного материала с применением в качестве связующего этилсиликата. Потом удаляют модельный состав и устанавливают оболочку в опоку, заполняют опоку огнеупорным материалом. Проводят прокалку. При формовке на наружную поверхность огнеупорной оболочки, оформляющую отливку, предварительно наносят графит из расчета 1 грамм на 1 см2 площади без учета поверхности литниково-питающей системы. Остальной объем опоки заполняют шамотной крошкой и герметизируют поверхностным слоем, состоящим из шамотной крошки и жидкого стекла толщиной не менее 50 мм, и вакуумируют.
На примере конкретного выполнения способ реализуют следующим образом.
Огнеупорную оболочку изготавливают с использованием совмещенного способа гидролиза этилсиликата, предложенного М.Н. Ефимовым и З.А. Анчеевой [2]. Сущность его заключается в том, что гидролиз происходит одновременно с процессом приготовления огнеупорной смеси. Смеситель заполняют расчетным количеством растворителя, подкисленной воды, и этилсиликатом при вращении лопатки смесителя со скоростью 2800 об/мин.
Одновременно в зависимости от марки стали, конфигурации и веса отливки в смеситель подается один из пылевидных огнеупорных материалов: маршаллит, плавленый кварц или электрокорунд.
При совмещенном способе в процессе гидролиза вокруг каждого зерна пылевидного материала образуется тонкая пленка связующего, что обеспечивает высокую прочность крупногабаритной огнеупорной оболочки более 50 кг/см2. Для изготовления крупногабаритных отливок для деталей ракетных двигателей (весом до 150 кг) в зависимости от габарита и веса отливок на модельные блоки наносят от 12 до 18 слоев огнеупорного покрытия. Удаление модельного состава из огнеупорной оболочки осуществляют в бойлерклаве перегретым паром при температуре 200°C и давлении до 12 атмосфер.
При формовке на наружную поверхность огнеупорной оболочки, оформляющую отливку, предварительно наносят графит из расчета 1 грамм на 1 см2 площади без учета поверхности литниково-питающей системы.
Остальной объем опоки заполняют шамотной крошкой и герметизируют поверхностным слоем, состоящим из шамотной крошки и жидкого стекла толщиной не менее 50 мм, и вакуумируют.
Огнеупорные оболочки, заформованные в опоки, прокаливают в печи ЛПС при температуре 900-1000°C.
Известно [3], что при недостатке кислорода первоначально происходит неполное сгорание углерода с образованием газообразной окиси углерода:
2C+O2→2CO
Выше 300°C окись углерода неустойчива и разлагается с образованием двуокиси углерода и атомарного углерода:
2CO·2CO2+C
Таким образом, в процессе прокалки в зоне наружной поверхности огнеупорной оболочки за счет сгорания углерода создается безокислительная газовая среда, состоящая из окиси углерода и углекислого газа.
Перед заливкой, сразу после прокалки, формы устанавливают в предварительную камеру вакуумной плавильной печи ВИАМ-24. Во время вакуумирования во внутренней полости оболочки создается вакуум 10-1-10-2 мм рт.ст.
Разность парциального давления, составляющих газовой среды, между наружной и внутренней поверхностями оболочки способствует образованию безокислительной газовой среды во внутренней полости огнеупорной оболочки.
При заливке высокопрочной, легированной нержавеющей стали ВНЛ1 (0,8X14H7MЛ) при температуре 1580+10°C огнеупорная оболочка нагревается до температуры выше 1300°C.
Основой маршаллита, плавленого кварца, этилсиликата, входящих в состав огнеупорной оболочки, является кремнезем - двуокись кремния (SiO2).
Точка кипения двуокиси кремния составляет 2590°С [4].
Однако в вакууме двуокись кремния начинает испаряться при температуре выше 1200°C, при этом пары двуокиси кремния диссоциируются с образованием атомарного кислорода и паров окиси кремния по схеме [5].
SiO2·SiO+O
Таким образом, при плавке и заливке в вакууме, образование атомарного кислорода при отсутствии безокислительной газовой среды приводит к поверхностному окислению и питтингу на наружной поверхности отливок корпуса.
В процессе отработки новой технологии было определено оптимальное количество углерода на единицу поверхности огнеупорной оболочки для устранения окисления и образования питтинга.
Результаты работы приведены в таблице 1.
| Таблица №1 | ||||
| № п/п | Технологический процесс изготовления | Количество залитых отливок | Окисление и питтинг на наружной поверхности, % | Примечание |
| 1 | Серийный технологический процесс | 440 (20 партий) | 80 | Участки окисления размером до 5 см2 |
| 2 | Нанесение графита на поверхность оболочки 0,5 г/см2 | 66 (3 партии) | 50 | Окисление в виде питтинга размером до 0,5 см2 |
| 3 | Нанесение графита на поверхность оболочки 1,0 г/см2 | 110 (5 партий) | Отсутствует |
Как видно из таблицы защита от окисления определяется количеством графита кристаллического ГЛС - 1,2 ГОСТ Р-52729-2002 на единицу площади огнеупорной оболочки.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления форм для литья по выплавляемым моделям позволяет производить отливку в вакууме без образования окисления и питтинга, устраняет необходимость черновой очистки поверхности.
Список литературы
1. Журнал «Литейщик России» №4, 2012 г., А.А. Берстнев, С.П. Серебряков «Влияние состава формы по выплавляемым моделям и условий литья жаропрочных сталей на образование поверхностных дефектов», с.20-23.
2. Литье по выплавляемым моделям. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. Под редакцией Я. И. Шкленника и В.А. Озерова. М: «Машиностроение», 1971, (Инженерная монография), с.227-228.
3. А.П. Гуляев «Термическая обработка стали». Изд. 2-е, переработанное и дополненное, Машгиз, Москва, 1960, с.394.
4. Краткий справочник химика. Изд. шестое, переработанное и дополненное. ГХИ, Москва, 1963, с.93.
5. Б.В. Некрасов «Основы общей химии». Из-во: Химия, Москва, 1969, Том 2, второе стереотипное издание, с.96.
Способ изготовления форм для литья по выплавляемым моделям, включающий изготовление оболочки путем послойного нанесения на выплавляемую модель суспензии на основе огнеупорного материала с применением в качестве связующего этилсиликата, удаление модельного состава, установку оболочки в опоку, заполнение опоки огнеупорным материалом, прокалку, отличающийся тем, что при формовке на наружную поверхность огнеупорной оболочки, оформляющей отливку, предварительно наносят графит из расчета 1 грамм на 1 см2 площади без учета поверхности литниково-питающей системы, опоку заполняют шамотной крошкой, герметизируют поверхностным слоем, состоящим из шамотной крошки и жидкого стекла толщиной не менее 50 мм, и вакуумируют.
