Литейный шликер
Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении оболочковых форм. Литейный шликер для изготовления оболочковых форм содержит частицы порошка, связующее и поверхностно-активное вещество, стабилизирующее укрывистость. В качестве поверхностно-активного вещества, стабилизирующего укрывистость литейный шликер содержит по меньшей мере одно вещество из Тирона C6H4Na2O8S2 и полиакрилата натрия, причем массовое содержание указанного поверхностно-активного вещества в шликере составляет менее 0,1 %. Благодаря взаимодействию со связующим поверхностно-активное вещество способствует повышению стабильности шликера и удлиняет срок его службы, улучшает покрытие шликером закрытых или менее доступных областей шаблонов во время изготовления форм за счет повышения укрывистости шликера. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее раскрытие относится к области литья, в частности к процессам литья по выплавляемым моделям и, в частности, к шликерам, используемым в таких процессах, особенно для изготовления литейных оболочковых форм.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Процессы литья, известные как литье по выплавляемым моделям или по газифицируемым моделям, сами по себе давно известны. Они в частности подходят для производства металлических деталей сложной формы. Например, литье по выплавляемым моделям используется, в частности, для изготовления лопаток турбинных двигателей или секторов лопаток ротора. В процессе литья по выплавляемым моделям первым этапом обычно является изготовление оболочковой формы, которая обычно включает изготовление шаблона из материала со сравнительно низкой температурой плавления, такого как воск или смола, вокруг которого затем располагается оболочка из огнеупорного материала. После разрушения шаблона, обычно путем удаления материала шаблона из внутренней части оболочковой формы, что дает этим процессам их название, в эту форму заливается расплавленный металл, чтобы заполнить полость, образованную шаблоном в кристаллизаторе после его удаления. Как только металл остывает и затвердевает, форму можно открывать или разрушать, чтобы извлечь металлическую деталь, соответствующую форме шаблона.
Чтобы зготовить оболочковую форму, восковой шаблон обычно погружают в литейный шликер, затем покрывают песком и сушат. Эти операции могут повторяться для образования нескольких слоев и получения желаемой толщину и механическую прочности оболочковой формы.
На практике литейные щликеры производятся в больших количествах для использования в течение нескольких месяцев, но их свойства со временем ухудшаются, что влияет на качество оболочковых форм. Известный способ противодействия этой деградации состоит в том, чтобы регенерировать шликер путем разбавления старого шликера недавно изготовленным шликером, который частично восстанавливает свойства шликера. Однако этот способ приводит к значительным колебаниям свойств, его эффекты кратковременны, и значительная часть старого шликера утилизируется.
Альтернативно, могут использоваться некоторые добавки, но ни одна из этих добавок не показала себя удовлетворительной в той связи, что улучшение одного параметра шликера было компенсировано неприемлемым ухудшением другого параметра.
Следовательно, существует потребность в новом типе литейного шликера с повышенной стабильностью во времени.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕНИЯ
Для этой цели настоящее раскрытие относится к литейному шликеру для изготовления оболочковых форм, содержащему частицы порошка и связующее, отличающемуся тем, что он содержит поверхностно-активное вещество, стабилизирующее укрывистость (кроющую способность).
Литейный шликер представляет собой суспензию, подходящую для использования при образовании оболочковой формы, в которую заливается расплавленный металл. В частности, в отличие от любой другой суспензии, такая суспензия содержит связующее, то есть соединение, обеспечивающее когезию между частицами порошка и придающее оболочковой форме механическую прочность в необожженном состоянии и после спекания. Связующее может быть неорганическим. Примеры связующих будут приведены ниже. Классически, частицы порошка могут быть частицами песка (также известными как «мука»), особенно огнеупорными частицами, обычно имеющими диаметр от 1 микрометра до 100 микрометров.
Поверхностно-активное вещество, также известное как поверхностный агент, представляет собой соединение, которое модифицирует поверхностное натяжение между двумя поверхностями, например, между двумя компонентами в смеси. Неожиданно автор изобретения обнаружил, что добавление конкретного поверхностно-активного вещества к литейному шликеру значительно стабилизировало укрывистость шликера, то есть его способность, измеренную в массе на единицу площади, оставаться на заданной поверхности после смачивания и слива. И наоборот, укрывистость щликера по известному уровню техники без поверхностно-активного вещества, стабилизирующего укрывистость, имеет тенденцию увеличиваться со временем без стабилизации.
Некоторые поверхностно-активные вещества известны как диспергирующие агенты для псевдоожижения определенных суспензий, но для этих суспензий они не стабилизируют укрывистость из-за отсутствия связующего. И наоборот, в шликере по настоящему изобретению поверхностно-активное вещество, стабилизирующее укрывистость, модифицирует взаимодействие между связующим веществом и частицами порошка, чтобы стабилизировать укрывистость шликера. Обычно соединения, ранее использовавшиеся в качестве псевдоожижающих или диспергирующих агентов, не влияли на укрывистость.
Кроме того, поверхностно-активное вещество также стабилизирует вязкость шликера.
Таким образом, шликер в соответствии с настоящим изобретением имеет состав с ключевыми параметрами (вязкостью, pH, плотностью и подобное), в частности укрывистостью, которая стабильна во времени, таким образом, улучшая повторяемость процесса изготовления оболочковой формы и значительно ограничивая количество отходов, связанных с традиционной регенерацией шликера.
В некоторых вариантах выполнения поверхностно-активное вещество имеет углеродную цепь, содержащую самое большее четыре тысячи восемьсот атомов углерода, предпочтительно самое большее две тысячи атомов углерода, еще предпочтительнее самое большее тысячу атомов углерода, еще более предпочтительно самое большее пятьсот атомов углерода, предпочтительнее самое большее сто атомов углерода. Это предотвращает загущение шликера, так как молекулы связующего могут запутаться в слишком длинной углеродной цепи.
В некоторых вариантах выполнения поверхностно-активное вещество не содержит ионы аммония. Поскольку ионы аммония имеют тенденцию вызывать связывание с образованием геля, использование такого поверхностно-активного вещества дополнительно стабилизирует суспензию.
В некоторых вариантах выполнения поверхностно-активное вещество оставляет рН суспензии неизменным с точностью до ± 5%. Другими словами, pH суспензии изменяется менее чем на ± 5% до и после добавления поверхностно-активного вещества. Это обеспечивает совместимость суспензии с другими спецификациями процесса изготовления оболочковой формы.
В некоторых вариантах выполнения поверхностно-активное вещество содержит Тирон C6H4Na2O8S2. Предпочтительно, поверхностно-активное вещество представляет собой Тирон. Помимо соответствия вышеуказанным критериям, Тирон является относительно обычной молекулой, обычно используемой в качестве индикатора комплексометрии в аналитической химии для выявления присутствия определенных ионов или в качестве диспергатора.
Альтернативно или в дополнение, в некоторых вариантах выполнения поверхностно-активное вещество содержит полиакрилат натрия. Полиакрилат натрия имеет общую формулу [−CH2−CH(COONa)−]n. Предпочтительно поверхностно-активное вещество представляет собой полиакрилат натрия.
В некоторых вариантах выполнения связующее выбирают из: этилсиликата, силиката натрия или коллоидов, включая, в частности, коллоидный диоксид кремния, коллоидный оксид алюминия, коллоидный оксид иттрия или коллоидный диоксид циркония.
В некоторых вариантах выполнения массовое содержание поверхностно-активного вещества в суспензии составляет менее 0,1%, предпочтительно менее или равно 0,05%. Поэтому небольшого количества поверхностно-активного вещества достаточно для стабилизации литейного шликера, в частности его укрывистости. И наоборот, чрезмерное количество поверхностно-активного вещества, стабилизирующего укрывистость, может привести к слишком сильному изменению укрывистости. В результате состав шликера практически не изменяется. Это позволяет поддерживать совместимость шликера с другими спецификациями процесса изготовления оболочковой формы.
В некоторых вариантах выполнения шликер представляет собой контактный шликер, выполненный для контакта с шаблоном из восковой детали или аналога. Первый используемый шликер, который непосредственно покрывает указанный шаблон, называется контактным шликером, в отличие от следующих шликеров, которые называются усиливающими шликерами и покрывают предыдущие слои образуемой оболочковой формы. Контактный шликер выполнен с возможностью соответствовать форме шаблона, а не изменять его. Контактный шликер часто выдерживается в течение более длительных периодов времени, чем усиливающий шликер, который расходуется быстрее, что увеличивает потребность в стабильности контактного шликера.
В некоторых вариантах выполнения частицы порошка содержат по меньшей мере одно соединение из композитов оксида алюминия, муллита, циркона, диоксида циркония, диоксида кремния, муллита и диоксида циркония. Муллит относится к глиноземо-кремнеземистым материалам.
Настоящее раскрытие также относится к применению литейного шликера, как описано выше, для изготовления оболочковой формы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение и его преимущества будут лучше поняты после прочтения следующего подробного описания вариантов осуществления изобретения, приведенных в качестве неограничительных примеров. Это описание относится к прилагаемым графическим изображениям, на которых единственная фигура представляет собой график, иллюстрирующий изменение укрывистости различных шликеров в зависимости от времени.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Чтобы оценить добавление поверхностно-активного вещества в литейный шликер, автор изобретения сначала изучил контрольный шликер, обозначенную шликер A, предназначенный для использования в качестве контактного шликера для изготовления оболочковой формы. Шликер А может иметь следующий состав, выраженный в массовых процентах:
- связующее (коллоидный кремнезем): 29,8%;
- частицы порошка (муллит-циркониевый композит): 70,0%;
- смачиватель, пеногаситель и другие добавки: 0,2%.
Это распределение массы приведено здесь в качестве примера с пониманием того, что возможно изменение распределения массы между 0,1% и 10%. Шликер А имеет основное значение рН и не содержит даже среди вышеупомянутых «других добавок» какого-либо поверхностно-активного вещества, оказывающего влияние на укрывистость.
Кроме того, как упомянуто выше, автор изобретения исследовал шликер C, который был приготовлена путем взятия шликера A и добавления поверхностно-активного вещества, стабилизирующего укрывистость, в данном случае Тирон, при массовом содержании 0,05%, предпочтительно 0,005%. Таким образом, полученный литейный шликер C также является контактным шликером. Специалист в данной области может отрегулировать количество Тирона в соответствии с начальной укрывистостью и желаемой укрывистостью, предпочтительно не превышающей 0,1% по массе. Например, массовое содержание Тирона может быть меньше или равно 0,08%, предпочтительно меньше или равно 0,05%, предпочтительно меньше или равно 0,02% и предпочтительно еще меньше или равно 0,01%.
Автор изобретения подтвердил, что добавление Тирона в суспензию практически не изменяет его pH, то есть на величину, меньшую или равную плюс или минус 5%. Кроме того, Тирон имеет короткую углеродную цепь, содержащую менее ста атомов углерода, в данном случае шесть атомов углерода. Тирон не содержит ионов аммония, поскольку он вообще не содержит азота. Тирон также является хорошим комплексообразующим агентом для химических элементов оксидов, присутствующих в шликере C и происходящих из частиц порошка; на самом деле, Тирон имеет сходство с этими оксидами и может эффективно взаимодействовать с ними. Кроме того, Тирон будет исключен во время термической обработки соответствующей оболочковой формы и не оказывает вредного воздействия на металл детали, отливаемой в оболочковую форму.
Таким образом, благодаря своему взаимодействию с оксидами и коллоидным кремнеземом, образующим связующее, поверхностно-активное вещество, в данном случае Тирон, обеспечивает хорошую стабильность шликера C, в частности его укрывистость, что будет видно со ссылкой на единственную фигуру.
На этой фигуре показано изменение укрывистости HP четырех шликеров в зависимости от времени t. Покрытие может быть измерено в граммах на квадратный сантиметр (г/см²) и в днях. Чтобы измерить укрывистость шликера, восковой шаблон или объект, имеющий эквивалентное состояние поверхности, имеющие заданную форму, погружают в указанный шликер в течение первого предварительно определенного времени, обычно 10 секунд, а затем осушают в течение второго предварительно определенного времени, обычно 120 секунд. Затем укрывистость рассчитывается как разница в массе шаблона до и после погружения относительно поверхности шаблона. Укрывистость сильно зависит от состава шаблона, состава шликера и времени, используемого в способе расчета, поэтому точные значения не показаны на одном рисунке, только репрезентативное сравнительное изменение.
Четыре шликера, сравниваемые на одной фигуре, представляют собой, с одной стороны, шликеры A и C, описанные выше, и их изменение представлено соответственно кривыми A и C, а с другой стороны, шликер B, изменение которого представлено кривой B и шликером D, изменение которого представлено кривой D. Шликер B имеет исходный состав, идентичный шликеру A, но отличается от шликера A тем, что он периодически подвергается регенерации R. Регенерация заключается в удалении части шликера B и разбавлении оставшейся части свежеприготовленном шликером. Шликер может быть разбавлен в пропорции от 10 до 50%, например, 20%. Такая операция известна сама по себе.
ШЛикер D имеет исходный состав, идентичный шликеру C, за исключением массовой доли Тирона, которая составляет 0,1%.
Четыре литейных шликера A, B, C, D перемешивали в течение всего периода измерений. Укрывистость шликеров должна оставаться между нижним пределом Min и верхним пределом Max, показанным на фигуре, чтобы соответствовать требуемым техническим характеристикам. Амплитуда интервала между минимальным и максимальным пределами может составлять примерно от 5 до 10% от целевой укрывистости.
Как представлено длинной пунктирной кривой A, шликер A показывает, что его укрывистость непрерывно увеличивается с течением времени, пока она не превысит верхний предел Max и больше никогда не опустится ниже ее. Этот шликер, который ведет себя в соответствии с известным уровнем техники, является неудовлетворительным с точки зрения укрывистости.
Как показано жирной кривой линией B, шликер B, регулярно регенерируемый, обладает укрывистостью, которая в основном остается в желаемом минимальном диапазоне. Однако даже помимо ограничений на обработку и загрязнение, налагаемых регенерацией, его укрывистость демонстрирует значительные колебания, которые влияют на характеристики контактного слоя оболочковой формы и, следовательно, на качество поверхности детали, отливаемой в указанной форме.
Как показано кривой C с короткими точками, шликер C, содержащий поверхностно-активное вещество, как указано выше, обладает относительно стабильной укрывистостью, при этом наблюдаются небольшие изменения, обусловленные отклонением измерения и/или добавлением воды для компенсации потерь при постепенном испарении воды, содержащейся в коллоидном кремнеземе. Ни Тирон, ни другие агенты не были добавлены во время испытаний после первоначального добавления Тирона в шликер C.
Как представлено кривой D с тонкой линией, шликер D, содержащий поверхностно-активное вещество, стабилизирующее укрывистость, в количестве, большем или равном 0,1% по массе, имеет укрывистость ниже минимального предела Min, таким образом, слишком низкую по отношению к характеристикам шликера.
Кроме того, было обнаружено, что Тирон также оказывает влияние в качестве диспергирующего агента, делая шликер более текучим и улучшая погружение шаблонов во время изготовления форм. Это улучшает покрытие шликером закрытых или менее доступных областей.
Как видно из фигуры, шликер C, содержащий поверхностно-активное вещество и, в частности, Тирон, имеет значительно более длительный срок службы благодаря стабилизации укрывистости. Добавление поверхностно-активного вещества в литейный шликер является недорогим и простым для осуществления. Таким образом, этот тип литейного шликера позволяет при меньших затратах лучше контролировать параметры изготовления оболочковых форм, технологические затраты, сокращать промышленные отходы и упрощать использование шликеров.
Поверхностно-активные вещества, отличные от Тирона, могут быть использованы для стабилизации литейного шликера, например, полиакрилат натрия общей формулы [−CH2−CH(COONa)−]n.
Вместо коллоидного диоксида кремния шликер может содержать другое связующее, например, выбранное из: этилсиликата, силиката натрия или коллоидов, содержащих, в частности, коллоидный оксид алюминия, коллоидный оксид иттрия или коллоидный диоксид циркония.
Вместо или в дополнение к композиту муллит-диоксид циркония шликер может содержать другие частицы порошка, выбранные из оксида алюминия, муллита, диоксида кремния, циркона, диоксида циркония, всех материалов на основе алюмосиликата и их смесей.
Согласно одной альтернативе, вместо включения Тирона в исходную композицию шликера C, его можно добавлять во время использования шликера.
Литейный шликер С может быть использован для изготовления оболочковой формы. Для этой цели шаблон детали, обычно выполненный из воска, может быть погружен в литейный шликер C, а затем высушен, покрыт песком и высушен. Эти операции могут повторяться впоследствии, предпочтительно с другим шликером, действующим в качестве усиливающего шликера.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на конкретные примеры вариантов осуществления, в эти примеры могут быть внесены модификации, не выходя за рамки общего объема охраны изобретения, определенного формулой изобретения. В частности, отдельные признаки различных вариантов выполнения, проиллюстрированных/упомянутых, могут быть объединены в дополнительных вариантах выполнения. Поэтому описание и чертежи следует рассматривать в иллюстративном, а не в ограничительном качестве.
1. Литейный шликер для изготовления оболочковых форм, содержащий частицы порошка и связующее, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере одно вещество из Тирона C6H4Na2O8S2 и полиакрилата натрия в качестве поверхностно-активного вещества, стабилизирующего укрывистость, причем массовое содержание указанного поверхностно-активного вещества в шликере составляет менее 0,1%.
2. Литейный шликер по п. 1, в котором поверхностно-активное вещество имеет углеродную цепь, содержащую не более четырех тысяч восьмисот атомов углерода.
3. Литейный шликер по п. 1, в котором поверхностно-активное вещество оставляет рН суспензии неизменным с точностью до 5%.
4. Литейный шликер по любому из пп. 1-3, в котором связующее выбирают из: этилсиликата, силиката натрия или коллоидов.
5. Литейный шликер по любому из пп. 1-3, в котором массовое содержание поверхностно-активного вещества в шликере меньше или равно 0,05%.
6. Литейный шликер по любому из пп. 1-3, в котором шликер представляет собой контактный шликер, выполненный для контакта с шаблоном детали.
7. Литейный шликер по любому из пп. 1-3, в котором частицы порошка содержат по меньшей мере один из композитов на основе оксида алюминия, муллита, диоксида циркония, муллита и диоксида циркония.
8. Литейный шликер по п. 4, в котором коллоид включает коллоидный диоксид кремния, коллоидный оксид алюминия, коллоидный оксид иттрия или коллоидный диоксид циркония.
9. Применение литейного шликера по любому из пп. 1-8 для изготовления оболочковой формы.
