Способ изготовления литейных керамических форм по выплавляемым моделям для сложнопрофильных отливок


 


Владельцы патента RU 2529603:

Автономная некоммерческая организация высшего профессионального образования "Белгородский университет кооперации, экономики и права" (RU)

Изобретение относится к литейному производству. Способ включает приготовление огнеупорной суспензии, послойное формирование огнеупорных слоев оболочки, сушку, отверждение, выплавление модели, сушку и обжиг полученной керамической формооболочки. После нанесения обсыпочного материала на суспензионный слой и сушки в местах сложного профиля на него подают пульсирующую струю органического вещества в виде аэрозоля с расходом 10÷30 см3/кг за два или три цикла. Подачу аэрозоля производят в течение 0,5 с за один цикл с периодичностью 1÷2 минуты. Аэрозоль наносят на третий, пятый и седьмой слои формы. Обеспечивается получение керамических форм со стабильными показателями прочности для литых деталей со сложным профилем. 1 табл.

 

Данное изобретение относится к области литья по выплавляемым моделям и может быть использовано при получении отливок со сложным профилем. В настоящее время недостаточная экономическая эффективность процесса получения отливок со сложным профилем, получаемых методом литья по выплавляемым моделям, связана с появлением дефектов на литой поверхности. К сложнопрофильным относятся отливки, конструкция которых состоит из сочетания массивных и тонкостенных зон и их резких переходов, например лопатки турбин, что является причиной возникновения термических напряжений при охлаждении отливок после заливки формы. В вогнутой части пера лопатки, имеющей серповидное сечение, действуют сжимающие напряжения при охлаждении, а керамическая форма препятствует усадке металла, при этом на тонких кромках отливки образуются мелкие трещины. Если форма имеет пониженную прочность, то возможен ее разрыв из-за гидравлического и термического удара расплавленного металла в момент заливки, так как замковая часть лопатки имеет массу, в несколько раз большую по сравнению с ее тонкой частью - пером. Если форма не разрушилась, а в ней образовались трещины, то отделившиеся от ее поверхности огнеупорные частицы остаются после затвердевания металла на литой поверхности, что является признаком брака. Так как снижение прочности керамики допустимо только в определенных пределах, задачи проводимых ранее исследований были направлены на разработку способов, позволяющих замедлить затвердевание тонкой части отливки, что снизит вероятность образования трещин в керамике. При медленном затвердевании тонкой части лопатки - кромки возникающие в ней при затрудненной усадке дефекты будут залечиваться поступающей порцией жидкого расплава. Однако при толщине стенки отливки 1 мм процесс затвердевания увеличится ненадолго и этот метод не будет эффективным. Кроме того, сильно снижается производительность процесса, увеличивается его трудоемкость.

Известны три направления:

1) внешняя теплоизоляция той части керамической формы, где формируется тонкая часть отливки;

2) повышение температуры формы перед заливкой сплава;

3) повышение пористости керамики для снижения теплопроводности, при этом в разной степени снижается ее удельная прочность.

К первому направлению можно отнести способ, предназначенный для получения точных отливок неравномерного сечения из сплавов с повышенной склонностью к трещинам, например пустотелых турбинных лопаток (Пат. 4549599 США, №131291, заявл. 17.03.1980, опубл. 29.10.85). Способ предусматривает уменьшение теплопроводности за счет применения внешнего теплоизоляционного покрытия. Покрытие наносится в местах наиболее тонких сечений отливки. В качестве покрытия рекомендуется асбест или алюмосиликат в виде тканых или слоистых волокнистых материалов, которыми обертывают соответствующие части формы. Толщина теплоизоляционного покрытия 16÷25 мм.

Второе направление может быть представлено результатами работы (Билык В.Я., Алексеев А.Г. Влияние теплового режима затердевания отливок на структуру сплава ЖС6-К // Литейное производство, 1973. №9. С.37÷38), в которой исследовали структуру плоских образцов сплава, полученных при разных температурах подогрева формы перед заливкой. Установлено, что у образцов разной толщины получена одинаковая микроструктура по величине зерна при начальной температуре формы 1120°C. Однако в работе (Шпиндлер С.С, Портной Я.П., Калашникова К.Н., Григораш Е.Ф. Повышение плотности лопаток турбин при литье по выплавляемым моделям в вакууме // Литейное производство, 1974. №2. С.2÷3) показано, что для лопатки с длиной пера более 150 мм и толщиной стенки наименьшее количество брака получено при подогреве формы до 850+30°C и температуре заливки сплава 1600+20°C. Отмечается, что при температуре корундо-силлиманитовой формы до 1100°C в ней образуются соединения, вызывающие ее размягчение и разупрочнение. Последнее подтверждается данными работы (Шпиндлер С.С., Ланда М.Н., Мамлеев Р.Ф. Установка для исследования термомеханических свойств оболочковых форм // Литейное производство, 1977. №2. С.25).

Так как появление трещин на поверхности сложнопрофильных отливок связано с низкой податливостью формы, то целесообразно главным параметром качества керамической формы считать ее прочность. Следует отметить, что повышение пористости керамики за счет введения в суспензию выгорающих при обжиге добавок неоднозначно влияет на прочность. После выгорания органической составляющей форма имеет повышенную пористость и пониженную удельную прочность. В работе (Шпиндлер С.С., Ланда М.И., Мамлеев Р.Ф. Оболочковые формы с регулируемыми свойствами // Литейное производство, 1075. №4. С.31-32) показано, что введение в состав суспензии 3÷5 % графита увеличивает пористость керамики всего на 5÷9 %, при этом практически не удалось уменьшить ее прочность. Авторы связывают с малым изменением живого сечения керамики и образованием пор сферической формы малого размера - 20÷40 мкм. В этой же работе показано, что ввод в суспензию 6 % древесных опилок не изменяет прочности керамики как при 20°C, так и при 950°C, что также связано с природой пор. Исключение горячих трещин в отливках за счет снижения прочности восьмислойной электрокорундовой формы удалось получить при использовании суспензии пятого слоя из гидролизованного этилсиликата и графита в количестве 36÷44 мас.% (А.с. 1014625 СССР. Суспензия для формирования промежуточного слоя многослойной оболочковой формы. №3288962, заявл. 13.05.1981, опубл. 30.01.1983. Бюл. №16).

Представленный анализ показывает, что формирование в связующем мелких пор округлой формы мало влияет на прочность керамической формы. Для увеличения размеров пор необходимо увеличивать количество вводимой в суспензию выгорающей добавки. Это приводит к изменению технологических свойств суспензии, например ухудшению ее кроющей способности и появлению некачественного облицовочного слоя керамической формы. Вторым недостатком данного направления при широкой номенклатуре литых деталей является необходимость приготовления дополнительной суспензии, что повышает материалоемкость и трудоемкость производственного процесса.

Известны способы, согласно которым в керамической форме формируют промежуточный слой из органического состава. Это достигается погружением модели с несколькими огнеупорными слоями в органический раствор с последующей сушкой образовавшейся пленки (А.с. 222576 ЧССР. Способ изготовления керамических оболочковых форм. И. Дашкар, X. Натоушек (ЧССР) // Технология машиностроения, 1984. №10. C.71) либо обсыпкой промежуточного суспензионного слоя плакированным обсыпочным материалом (Пат. РФ. №2465092 «Способ плакирования огнеупорных зернистых материалов» №2011110128, заявл. 17.03.2011, опубл. 27.10.2012, Бюл. №30.). При этом возможно получение недостаточной прочности керамической формы в местах расположения массивных частей отливок. Это приводит к пробою формы при ее заливке или размыванию ее поверхности металлическим расплавом. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о необходимости получения керамической формы с различной величиной прочности ее отдельных частей, различающихся по конфигурации и размерам рабочей полости. Прочность керамики в местах тонких сечений детали должна быть меньше.

Сложность технического выполнения этого решения связана с тем, что использование метода погружения модели в раствор или обсыпка суспензионного слоя методом «кипящего слоя» приводит к полной обработке поверхности для детали со сложным профилем. Примером такой детали может быть лопатка с двумя замками, расположенными с двух ее сторон.

Наиболее близким техническим решением к патентуемому является способ (Пат. РФ. №2465092 «Способ плакирования огнеупорных зернистых материалов» №2011110128, заявл. 17.03.2011, опубл. 27.10.2012, Бюл. №30). Способ реализуется за счет обработки обсыпочного материала, находящегося в пескосыпе во взвешенном состоянии, аэрозолью на основе раствора органического лака. Аэрозоль из сосуда подают сверху на поток огнеупорных частиц в течение 1…3 секунд через промежутки в 3…5 секунд под давлением, на 10…30 % превышающим давление воздуха на входе в пескосып. Количество циклов обработки для одного слоя (от 2 до 3) зависит от размера обсыпочного материала и толщины пленки покрытия, которая и определяет величину прочности керамической формы после обжига. В качестве выгорающего материала используют раствор битумного лака плотностью 0,85…0,92 г/см с органическим растворителем. Расход аэрозоля находится в пределах 10…30 мл на один килограмм обсыпочного материала. Плакированный таким способом обсыпочный материал наносят на суспензионные слои - от 3-го до 7-го. Реализация данного способа позволяет на 5÷25 % снизить прочность керамической формы.

Однако данный способ имеет недостатки. Струя аэрозоля, увеличиваясь в диаметре по мере удаления от сопла пульверизатора, прибивает зерно обсыпочного материала к борту пескосыпа. Это вызывает неоднородность распределения органического состава по зернам обсыпочного материала. Кроме того, формирование сплошной органической пленки на зернах обсыпочного материала приводит к образованию на них пустот после обжига, что вызывает ослабление связи между огнеупорными слоями и получение нестабильных результатов прочности. Особенно это опасно при изготовлении керамических форм со сложным профилем, когда напряжения в различных частях формы могут вызвать их растрескивание при высоких температурах.

Цель изобретения: получение керамических форм со стабильными показателями прочности для литых деталей со сложным профилем.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности значений прочности.

Способ реализуется за счет приготовления огнеупорной суспензии, послойного формирования огнеупорных слоев, затем производят сушку и отверждение, подачу на обсыпочный зерновой материал пульсирующей струи органического вещества в виде аэрозоля с расходом 10÷30 см/кг за два или три цикла, выплавление модели, сушку и обжиг полученной керамической формооболочки, причем подачу аэрозоля производят на обсыпочный материал после его нанесения на суспензионный слой и сушки в местах сложного профиля, кроме того, подачу аэрозоля производят в течение 0,5 с за один цикл с периодичностью 1÷2 минуты и подачу аэрозоля производят на 3,5 и 7 слои формы.

Преимуществом способа является плавное уменьшение прочности по сечению керамической формы, что важно в случае получения отливок со сложным профилем. Это достигается за счет следующих факторов:

- обсыпочный материал покрывается только с одной стороны органическим составом, что обеспечивает его связь с одним огнеупорным слоем;

- при нескольких циклах пульсационной обработки качество покрытия зерен обсыпки, закрепленных суспензией предыдущего слоя, выше, т.к. зерна не меняют своего положения в процессе обработки;

- суспензия четных слоев пропитывает поры нечетных огнеупорных слоев, что увеличивает их прочность.

Для оценки влияния предложенного способа на прочность керамической восьмислойной формы провели лабораторные испытания стандартных образцов. В качестве модели использовали пластинку из модельной массы ВИ-АМ-102, с обеих сторон которой были по четыре углубления, контур которых после формирования керамической оболочки образовывал границы стандартных образцов. Суспензия на основе гидролизованного этилсиликата-40 с содержанием условного кремнезема 18 % в качестве наполнителя содержала дистенсиллиманит. Вязкость суспензии для первого слоя составляла 43…45 с, второго и последующих - 25…27 с. Обсыпка на первый и второй слои - электрокорунд ЭБ20, на 3…8 слои - электрокорунд ЭБ50. Отверждение огнеупорных слоев проводили вакуумно-аммиачным способом. Обсыпочный материал обрабатывали в пескосыпе напылением аэрозоли лакового раствора с расходом 10 и 30 мл/кг согласно прототипу. Расчет расхода органического раствора производили исходя из его плотности 0,88 г/см3, толщины образуемой пленки 10, 30 и 40 мкм, размера зерна обсыпки 500 мкм и плотности корунда 3,99 г/см3 с учетом того, что корундовые зерна ложатся на суспензию одним слоем и зерна покрываются с одной стороны. При толщине пленки 10 мкм расход органического раствора, наносимого на форму, составлял 8,8 г/м3 или 10 см/м3. Расход органического раствора на 1 кг обсыпочного материала составляет 10 см3/кг. Увеличение толщины пленки органического состава до 20 или 30 мкм требует увеличения его расхода соответственно до 20 и 30 см3/кг. Аэрозоль наносили одной, двумя и тремя циклами продолжительностью 0,5 с в одну область. Через 1÷2 минуты после одноразовой обработки образуется пленка. После выплавления модели формы сушили и подвергали обжигу при 900°C в течение 4-х часов. От каждой формы отделяли 8 стандартных образцов и испытывали на изгиб σи по трем точкам (Литье по выплавляемым моделям. Монография. / Под ред. Я.И. Шкленника и В.А. Озерова. М.: Машиностроение. 1984. 482 с). Вычисляли среднее значение прочности и отклонение значений прочности от их среднего значения Δ по формуле: Δ=(σи maxи min)·100%/σср, где σи max, σи min и σср - максимальное, минимальное и среднее значение прочности керамических образцов. Результаты приведены в таблице 1

Таблица 1
Параметры способов обработки и результаты испытаний на прочность керамических образцов
Способ обработки обсыпки Количество циклов на 1 слой Расход органического раствора, мл/кг σи, кг/см3 σср кг/см3 Δ, %
1 Без обработки - - 31,16÷32,08 31,62 22,91
2 В «кипящем слое», 3÷5 слои 1 10 29,42÷30,87 30,15 44,88
3 В «кипящем слое», 3÷5 слои 2 20 26,82÷27,93 27,38 44,05
4 В «кипящем слое», 3÷5 слои 3 30 24,86÷26,14 25,50 55,02
5 В «кипящем слое», 3÷7 слои 3 30 23,64÷25,01 24,32 55,63
6 На форму 3,5,7 слои 1 10 29,40÷30,18 29,79 22,62
8 На форму 3,5,7 слои 2 20 26,62÷26,80 26,90 11,27
9 На форму 3,5,7 слои 3 30 24,17÷24,74 24,46 22,29

Представленные результаты показали, что применение предложенного способа позволяет снизить прочность керамической формы на 6,1÷29,3 % (№1 и №6÷9). Обработка неподвижного зерна обсыпочного материала позволила сократить время обработки за один цикл до 0,5 с и тем самым практически исключить образование потеков на зернах. Вторая порция аэрозоля наносится на отвердевший слой органического покрытия. Более качественное покрытие зерен обсыпочного материала сказывается на показателях прочности. Например, при сопоставимых параметрах вариантов №8 и №3 величина наибольшего показателя прочности варианта №3 заметно отличается от минимального показателя и показателей прочности варианта №8. Прочность образцов варианта №9 меньше прочности образцов варианта №4. Применение нового способа позволяет получить стабильные показатели прочности керамических форм. Отклонение этих показателей от среднего значения составило 1,27÷2,29 % при 4,02÷5,63% у прототипа.

Способ изготовления литейных керамических форм по выплавляемым моделям для получения сложнопрофильных отливок, включающий приготовление огнеупорной суспензии, послойное формирование огнеупорных слоев, сушку и отверждение, подачу на обсыпочный зерновой материал пульсирующей струи органического вещества в виде аэрозоля с расходом 10÷30 см3/кг за два или три цикла, выплавление модели, сушку и обжиг полученной керамической формооболочки, отличающийся тем, что подачу аэрозоля производят на обсыпочный материал 3, 5 и 7 слоев формы после его нанесения на суспензионный слой и сушки в местах сложного профиля в течение 0,5 с за один цикл с периодичностью 1÷2 минуты.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к литейному производству. Способ включает помещение сплава в литейную форму и окисление элемента сплава с формированием защитного слоя на поверхности отливки.

Изобретение относится к литейному производству. Отдельные сектора корпуса отливают из стали с содержанием углерода 0,05-0,14% методом литья по газифицированным моделям.
Изобретение относится к области литейного производства. Способ включает изготовление моделей из пенополистирола, фиксирование вставок в модели, размещение моделей в опоке и заливку их металлическими расплавами.

Изобретение относится к области литейного производства. В пресс-форму устанавливают один или несколько элементов, изготовленных из химико-термически обработанных металлических материалов или сплавов.
Изобретение относится к области литейного производства. Способ включает изготовление восковой выплавляемой модели, формирование огнеупорной оболочковой формы путем послойного нанесения на восковую модель огнеупорного покрытия с сушкой каждого из слоев и выплавление восковой модели.
Изобретение относится к литейному производству. На внешнюю поверхность газифицируемой модели наносят предварительно разведенную в жидкости до пастообразного состояния обмазку, содержащую, мас.%: карбид бора 55-75; фторид натрия, 1-5; диборид титана 25-45.
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.

Суспензия для получения литейной формы содержит от 50 до 80 мас.% термостойких частиц, средний размер которых составляет от 0,5 до 150 мкм, от 5 до 35 мас.% частиц оксида алюминия, средний диаметр которых составляет менее 300 нм, и от 5 до 35 мас.% воды, pH указанной суспензии составляет от 5 до 12.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья из жаропрочных сплавов преимущественно на основе никеля, кобальта и ниобия лопаток газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.
Изобретение относится к области литейного производства. Способ включает нанесение на модель методом погружения нейтральной гидрофобной пленки из материала на основе воска, послойное формирование на модели огнеупорной оболочки, удаление модели, сушку и обжиг керамической формы.

Изобретение относится к области литейного производства. На модели формируют огнеупорные слои из огнеупорной суспензии на основе этилсиликатного связующего. Для формирования 5-9 слоев используют этилсиликатное связующее с пониженным до 8-10 мас.% содержанием условного кремнезема, содержащее поверхностно-активное вещество в количестве 0,2 мас.%. Осуществляют выплавление модели, сушку керамической формы, ее пропитку, сушку и обжиг. Пропитку керамической формы осуществляют с внешней стороны методом погружения 5-10%-ными водными растворами хлоридов бария, кальция или сернокислого алюминия в течение 5-10 с. Обеспечивается получение керамических форм с оптимальными и стабильными показателями прочности при снижении расхода этилсиликата. 1 табл.
Изобретение относится к литейному производству. На модельном блоке формируют оболочку с использованием кремнезольного связующего, огнеупорного наполнителя и обсыпочного материала. Проводят сушку слоев оболочки, вытопку модельного состава в горячей воде. Для формирования первого слоя или двух первых слоев используют суспензию, содержащую, об.%: кремнезоль кислый 37-41 и плавленый кварц 59-63. Для формирования последующих слоев используют суспензию, содержащую, об.%: кремнезоль основной 36-44 и плавленый кварц 56-64. Обеспечивается повышение прочности керамических оболочковых форм.

Изобретение относится к литейному производству. На блок выплавляемых моделей послойно наносят огнеупорную суспензию. В состав суспензии первого слоя вводят мелкодисперсный модификатор - абразивную пыль полировально-шлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов в количестве 1-2 мас.% суспензии. Осуществляют обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, сушку, прокаливание форм и помещение их в экранирующее термостатирующее устройство. Оболочковые формы заливают металлическим расплавом и осуществляют финишные операции. Обеспечивается получение отливок высокого качества при обеспечении контролируемой кристаллизации. 1 ил., 1 пр.
Изобретение относится к литейному производству. Способ включает послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание. Начиная со второго слоя оболочки, используют огнеупорную суспензию с кислородсодержащим веществом и борной кислотой в количестве 3-4 мас.%. Обеспечивается повышение качества оболочковых форм и отливок. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к литейному производству. На блок выплавляемых моделей наносят огнеупорную суспензию. Обсыпают его зернистым материалом. В первый слой оболочки, в состав зернистого материала для обсыпки, вводят порошок алюминия в количестве 5-10 мас.%, а начиная со второго слоя оболочки, - кислородсодержащее вещество в количестве 5-10 мас.% и борную кислоту в количестве 2-3 мас.%. Модели вытапливают. Полученную оболочку сушат и прокаливают. Обеспечивается повышение безопасности процесса литья по выплавляемым моделям при высоком качестве оболочковых форм и получаемых отливок. 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к литейному производству. Обсыпочный материал содержит в мас.%: электрокорунд 30-40, железная окалина 25-35, железо остальное. Обеспечивается повышение качества оболочковых форм и получаемых отливок. 1 табл., 1 пр.

Заявленное изобретение относится к литейному производству. Подготовленную огнеупорную суспензию наносят послойно на модель методом погружения и наносят обсыпку. Для формирования на модели второго и последующих слоев после погружения в суспензию модели выдержку производят в течение 5 с, а выдержку формооболочки с моделью в суспензии для формирования пятого и последующих слоев, кроме закрепляющего, производят в течение 2 с. Огнеупорные слои сушат и отверждают. Модель удаляют, формооболочку сушат и обжигают. Обеспечивается повышение эффективности процесса изготовления керамических форм и получение стабильных значений прочности керамики. 1 табл.

Изобретение относится к области литейного производства. Послойно формируют оболочку из огнеупорного, обсыпочного и связующего материалов. Слои формы сушат и выплавляют модель. Форму монтируют в опоку, заполняемую смесью опорного наполнителя и древесно-угольного карбюризатора. Осуществляют герметизацию опорного наполнителя и древесно-угольного карбюризатора и заливочной воронки стояка со стороны их верхних уровней жидким стеклом или кремнезолем в смеси с пылевидным кварцевым песком при следующем соотношении компонентов 1:1,5-2. Форму прокаливают. Герметизацию заливочной воронки стояка осуществляют стаканом из огнеупорного материала. Обеспечивается снижение брака отливок по пленам, точечным и другим поверхностным дефектам отливок на 30-50%. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.
Изобретение относится к литейному производству. Модельный блок послойно обмазывают керамической суспензией с последующей обсыпкой огнеупорным материалом и сушкой каждого слоя. В качестве обсыпочного материала используют измельченный бой керамических оболочек, содержащий в своем составе кварц в фазах тридимита и кристобалита, железо и железную окалину. Обеспечивается повышение трещиностойкости и прочности керамических оболочек. 1 пр.

Изобретение относится к области литейного производства. Изготавливают форму из сыпучего огнеупорного магнитного материала в литейном корпусе с разовой моделью путем воздействия вакуума и электромагнитного поля для уплотнения материала. Модель удаляют с помощью вакуума, оказывая на огнеупорный дисперсный магнитный материал формы избыточное воздушное давление (1,5-2,5)·105 Па. Расплавленный металл заливают в полученную форму путем создания разряжения в форме и подачи давления на расплав и воздействия на огнеупорный дисперсный магнитный материал формы наносекундными электромагнитными импульсами в течение 30-60 секунд. Извлечение отливки из формы осуществляют после кристаллизации расплава путем снятия магнитного поля и высыпания огнеупорного магнитного материала из литейного корпуса. Обеспечивается повышение формозаполняемости, трещиноустойчивости и исключение пропитки модельной массой огнеупорного магнитного материала формы. 2 табл., 2 пр.
Наверх