способ изготовления бескремнеземных керамических форм для точного литья металлов по выплавляемым моделям

Формула изобретения

Способ изготовления бескремнеземных керамических форм для литья по выплавляемым моделям, включающий изготовление модели, послойное нанесение на воскообразную модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда в качестве наполнителя и алюмоорганического связующего, последующую обсыпку каждого слоя зернистым материалом на основе электрокорунда, сушку слоев керамической формы, удаление модели и прокалку керамической формы, отличающийся тем, что сушку слоев оболочковой формы проводят в камере с влажностью не менее 95%, с выдержкой для первого слоя 1 ч, второго слоя - 3 ч, остальных - 4-6 ч и последующей конвективной сушкой каждого слоя, прокаливание керамических форм проводят при температуре 1000-1350°С в течение 4-6 ч, причем керамическая суспензия содержит в качестве связующего алкоксиалюмоксановые олигомеры 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(СН ₃)=СНС(O)C_nH_2n+1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления бескремнеземных оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве особо ответственных отливок из жаропрочных и тугоплавких металлов с направленной и монокристаллической структурой.

В отличие от равноосного литья, при котором внутренние слои прогреваются до 1350-1380°С, при направленной кристаллизации форма перед заливкой металлом нагревается до 1500-1600°С. Длительное пребывание ее в условиях высоких температур и гидростатических давлений расплавленного металла может приводить к деформации, растрескиванию или разрушению формы. Ввиду высокой химической активности легирующих элементов жаропрочных сплавов между металлом и формой происходит физико-химическое взаимодействие. В связи с этим к керамической форме, используемой при литье деталей с направленной и монокристаллической структурой, предъявляются повышенные требования по огнеупорности, прочности, деформационной и термохимической устойчивости (Пат. РФ 2274510, МПК B22C 1/00, 2006 г.; Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия). М.: МИСИС, 2001).

В настоящее время промышленно применяемыми связующими для изготовления корундовых форм являются этилсиликат и коллоидальный кремнезем, образующие диоксид кремния SiO₂. Присутствие в форме, состоящей из -Al₂O₃, свободного SiO₂ является причиной недостаточной огнеупорности оболочковой формы выше 1400°С. Диоксид кремния взаимодействует с компонентами жаропрочного сплава и щелочными примесями в составе корунда, частично разлагается при высоких температурах в условиях вакуума. Форма размягчается вплоть до ее разрушения еще до окончательного формирования отливки.

Известен состав керамической суспензии, используемой для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве отливок с направленной структурой, содержащий раствор гидролизованного этилсиликата 20-40 мас.%, алюминиевый порошок 1,5-8 мас.%, перхлорат калия 0,1-1,0 мас.% и огнеупорный наполнитель - остальное (А.с. СССР № 1238880, МПК B22C 1/16, 1986 г.).

Данное техническое решение обладает существенными недостатками. Во-первых, необходимость создания в литейных цехах участка гидролиза этилсиликата с целью получения связующего, что делает процесс более трудоемким. Во-вторых, использование этилсиликатного связующего требует вакуумно-аммиачной сушки керамических слоев оболочковой формы. В-третьих, связующие растворы этилсиликата и суспензии, изготовленные на их основе, обладают ограниченной живучестью (не более 7 суток), склонны к огеливанию при незначительных нарушениях условий их эксплуатации, что повышает себестоимость керамических форм за счет значительных безвозвратных потерь материалов. В-четвертых, значительная степень взаимодействия внутреннего слоя керамической формы с расплавом из-за наличия диоксида кремния в этилсиликатном связующем.

Известен способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для литья отливок с направленной структурой, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии, обсыпку каждого слоя огнеупорным материалом, сушку, удаление модели, пропитку формы упрочняющим раствором и прокалку при температуре 1150-1350°С в течение 4-8 часов (Пат. РФ 2343038, МПК В22С 9/04, 2007 г.).

Наиболее близкий по достигаемому результату и принятый нами за прототип является способ изготовления бескремнеземных оболочковых форм, включающий послойное нанесение на воскообразную модель суспензии на основе эпоксидной смолы в органическом растворителе, обсыпку ее огнеупорным материалом, сушку слоев керамической формы в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (СВЧ), удаление воскообразной модели в поле СВЧ в два этапа (Пат. РФ № 2285575, В22С 9/04, 2006 г.).

Недостатком известного изобретения является экологическая вредность из-за использования эпоксидного связующего. Предельно допустимая концентрация эпоксидного связующего в области рабочей зоны составляет ПДК=0,8-1,0 мг/м³.

Задачей данного изобретения является улучшение качества литья по выплавляемым моделям за счет повышения термостойкости и огнеупорности, повышения живучести суспензии, улучшение качества получаемых отливок в процессе направленной кристаллизации, сокращение расходов на их доработку, улучшение экологической безопасности при работе с суспензией.

Для достижения поставленной задачи предложен способ изготовления бескремнеземных керамических форм по выплавляемым моделям, включающий изготовление модели, послойное нанесение на воскообразную модель огнеупорной суспензии на основе пылевидного электрокорунда в качестве наполнителя и алюмоорганического связующего, последующую обсыпку каждого слоя зернистым материалом на основе электрокорунда, сушку слоев керамической формы, удаление модели и прокалку керамической формы, отличающийся тем, что сушку слоев оболочковой формы проводят с выдержкой в камере с влажностью не менее 95% - для первого слоя 1 час, второго слоя - 3 часа, остальных - 4-6 часов и последующей конвективной сушкой каждого слоя в течение часа, прокаливание керамических форм проводят при температуре 1000-1350°С в течение 4-6 часов, причем керамическая суспензия содержит в качестве связующего алкоксиалюмоксановые олигомеры общей формулы:

RO{[-Al(OR)-О-]_x[-Al(OR*)-О-]_y}_z H,

где z=3÷100; х+у=1; R*/Al=0,05÷0,95; R=C_nH_2n+1; n=1÷4; R*=С(СН₃ )=СНС(O)C_nH_2n+1.

Бескремнеземное алюмоорганическое связующее получают по патенту РФ № 2276155, C07F 5/06, 2006 г., а приготовление керамической суспензии осуществляется по патенту РФ № 2082535, В22С 1/06, 1/16, 1997 г.

Изготовление керамических оболочек производят последовательным окунанием модели в суспензию и ее обсыпку огнеупорным зернистым материалом на основе электрокорунда.

Сушку каждого керамического слоя 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, последующие - 4-6 часов. Вторая стадия - конвективная сушка до равновесного с окружающей средой влагосодержания.

Модельная масса выплавляется методом СВЧ-нагрева, либо в расплаве модельной массы, либо в бойлер-клаве.

Большое значение на получение качественной керамической формы оказывают температура и время прокалки оболочки. Прокаливание керамических форм следует производить при температуре 1000-1350°С в течение 4-6 часов, что способствует выгоранию органических составляющих, присутствующих в форме.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

В лабораторных условиях был изготовлен блок из воскообразной модельной массы. На него послойно наносили керамическую суспензию, включающую в себя, мас.%:

алюмоорганическое связующее	25
активатор, АСД-4	7
огнеупорный наполнитель	остальное,

с последующей обсыпкой каждого слоя зернистым электрокорундом. Также, с целью оценки связующих свойств, были изготовлены образцы оболочковой формы для испытаний на статический изгиб. После нанесения каждого слоя производили сушку керамической формы в камере с влажностью 95% с последующей конвективной сушкой. После нанесения последнего слоя следовала операция удаления модельного состава, для чего форма погружалась в расплав модельной массы. Керамическую форму прокаливали при температуре 1350°С в течение 4 часов.

В результате получили керамическую форму, обладающую достаточной прочностью для сохранения геометрических параметров в процессе направленного затвердевания отливки. После охлаждения формы и удаления керамики пригар полностью отсутствовал.

Остальные примеры выполнены аналогично примеру 1, данные приведены в таблице 1. Во всех случаях слой взаимодействия на границе металл-форма отсутствовал.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления керамической оболочковой формы имеет следующие преимущества:

- позволяет получать бескремнеземную высокотермостойкую огнеупорную корундовую форму с необходимыми механическими характеристиками;

- алюмоорганическое связующее является готовым связующим, и поэтому не требует дополнительной доработки в условиях литейного производства;

- использование алюмоорганического связующего позволяет увеличить живучесть суспензии (срок хранения суспензии в герметично закрытой таре практически не ограничен);

- использование алюмоорганического связующего позволяет повысить экологическую безопасность (за счет устранения летучих кислот и аммиачной среды при сушке слоев покрытия);

- обеспечивает вовлечение в оборот до 95% возврата сырья;

- исключает образование пригара на границе металл-форма.

Таблица 1
Состав и физико-механические характеристики керамических форм.
№ пп.	Состав керамической суспензии	Температура прокаливания оболочковых форм, °С
20	1000	1250	1350
Связующее, мас.%	АСД-4, мас.%	Наполнитель	Предел прочности при статическом изгибе, МПа
1	25	5	Ост.	2,2	4,2-4,5	7,0	11,8
2	25	7	Ост.	2,4	4,8	7,4	15,5
3	25	10	Ост.	2,7	5-5,4	9,4	19,2
4	25	12	Ост.	3,0	5,5-5,8	14,1	20,5