способ изготовления керамических форм по растворяемым моделям

Формула изобретения

Способ изготовления керамических форм по растворяемым моделям, включающий 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, отличающийся тем, что гидрофобная пленка имеет более низкую температуру плавления, чем материал модели, а удаление модели осуществляют выдержкой формы с моделью в печи при температуре, превышающей температуру каплепадения материала гидрофобной пленки, но ниже температуры плавления материала растворяемой модели, в течение 3 мин на 1 мм толщины формы, выдержкой в воде при ее температуре, не превышающей температуру каплепадания материала пленки, и промывкой формы в воде при температуре, превышающей температуру каплепадения материала пленки, за два или три цикла с выдержкой в течение 2-3 мин.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к области литейного производства и может найти практическое применение при получении точных отливок методом литья по растворяемым моделям.

В настоящее время точные отливки, например, лопатки авиационных двигателей, получают в керамических формах на этилсиликатном связующем, содержащем после гидролиза 16÷18% масс. SiO₂. В качестве материала удаляемой модели используют техническую мочевину (карбамид), химическая формула которого (NH₂)₂CO, с небольшими добавками водорастворимых солей. Блок моделей окунают в суспензию с дистенсиллиманитовым наполнителем (КДСП), дают стечь ее избытку и наносят присыпку из электрокорундового порошка. Затем полученный огнеупорный слой отверждают и таким образом наносят еще семь слоев. Суспензия первого слоя имеет более высокую вязкость - 45÷55 с по вискозиметру ВЗ-4. а последующих - 25÷35 с. На 1 л связующего суспензии первого слоя приходится 2 кг КДСП, а второго слоя - 1,24 кг, т.е. в суспензии второго слоя связующего примерно на 38% больше. Это позволяет проникать суспензии последующих слоев в поры отвержденного первого слоя. Плотность облицовочного слоя, контактирующего при заливке формы с металлическим сплавом, повышается, а вероятность размывания формы уменьшается. Для удаления модели из формооболочки последнюю опускают в ванну с холодной водой, в которой мочевина растворяется, промывают в ванне с горячей водой при ее температуре не менее 95°C, а затем в ванне с теплой водой (60-80°C) [1].

Применение карбамида обусловлено его существенными преимуществами перед другими модельными составами [2]:

1. Высокая точность размеров модели.

2. Высокая теплостойкость, отсутствие деформации модели до температуры 65 75°C.

3. Наименьшая линейная усадка 0,09 0,4%.

5. Малое содержание золы 0,10 0,18%.

6. Высокая текучесть в жидком состоянии позволяет изготовлять модели методом свободной заливки в прессформу.

Главным достоинством карбамида является высокая точность размеров модели, что заметно снижает потери дорогостоящего сплава при шлифовке и полировке детали. Например, пустотелая лопатка турбины имеет толщину стенки 1 мм.

Несмотря на большие преимущества карбамида перед другими модельными составами он также имеет существенные недостатки:

1. Мочевина относится к щелочной среде, а связующее суспензии (гидролизованный этил-силикат) - к кислой. При нанесении суспензии на модель происходит контакт двух веществ, имеющих противоположные свойства, что обуславливает их взаимодействие и ухудшение качества внутренней поверхности керамической формы.

2. Наибольший отрицательный эффект на форму производит операция растворения модели, когда карбамид подвергается гидролизу в воде с образованием ионов NH ₄ ⁺¹ и OH^-1. Зона контакта внутренней поверхности керамической формы и модели по мере растворения последней насыщается продуктами гидролиза, что приводит к разрушению кислого геля связующего и разупрочнению рабочего слоя формы, что особенно усиливается в ванне с горячей водой. При подъеме форм из ванны происходит отекание с них воды, которая уносит с собой отделившиеся от них огнеупорные частички. В дальнейшем после обжига форм также часть огнеупорных частиц отделяется от рабочей поверхности формооболочки.

3. В ванну добавляют соляную кислоту. При этом должна образоваться соль NH₄Cl, но она в воде легко диссоциирует на ионы NH₄ ⁺¹ и Cl^-1, а ион H⁺ соединяется с ионом OH^-1, образуя нейтральное вещество - воду. Во время последующей сушки форм в их порах образуются соли соляной кислоты, которые могут упрочнять форму, при обжиге форм расплавляться и в условиях вакуумной заливки подвергаться возгонке с поверхности нагретой до 900°C формы, что приведет к получению некачественной поверхности отливки.

Модельные составы на основе восков в меньшей степени способствуют размыванию внутренней поверхности формооболочки, но модели из этих составов имеют меньшую размерную точность и большое объемное расширение при нагреве, а также более высокую стоимость и теряют свое качество после присутствия в горячей воде. В таблице 1 представлены основные свойства наиболее распространенных модельных композиций [2].

Следует отметить, что теплостойкость характеризуется температурой начала деформации вещества при его нагреве, а температура плавления составов на основе воска лишь на несколько градусов превышает температуру каплепадания. Например, по данным работы [3] температура плавления композиции ПС составляет 51°C, что лишь на 3,5 градуса выше ее температуры каплепадания. Поэтому для выплавлепия модельного состава достаточен перегрев над температурой каплепадания 5÷10 градусов. Зола, оставшаяся после обжига керамических форм, может быть источником загрязнения поверхности отливки. Основой двух последних композиций является карбамид, модели для получения тонкостенных пустотелых лопаток газотурбинных двигателей изготавливают из МОП-10К.

Таблица 1
Свойства модельных композиций
№	Марка модельной композиции и основные составляющие	Теплостойкость, °C	Температура каплепадания, °C	Содержание золы, %
1	ПС (парафин, стеарин)	30	47,5	0,01÷0,05
2	Р-3 (парафин, церезин, воск)	30	77÷84	0,12
3	ИПЛ-2 (воск, парафин, смазка пушечная)	41	78÷79	0,075÷0,10
4	ПБСП (парафин, воск)	-	75	0,20
5	ПБЗВ (воск, парафин)	37	70	-
6	ВИАМ-102 (парафин, воск, триэтаноламин)	30	90÷100	0,25÷0,30
7	КПсЦ (канифоль, полистирол, церезин)	40	140	0,30
8	ПЦБКоМК (парафин, воск, церезин, мочевина - 45 50%, канифоль)	38	60	-
9	МПВС-2 (карбамид 94,0÷96,5%, поливиниловый спирт, MgSO4	68÷72	110	0,10÷0,15
10	МОН-10К (карбамид - 90%, KNO3 - 10%)	70÷78	125	0,15÷0,18

Представленный анализ показал, что главной проблемой операции удаления модели из керамической оболочки является снижение ее поверхностной прочности. Значительно проще решается проблема повышения общей прочности формооболочки. Для этого ее пропитывают различными упрочняющими составами до выплавления модели, в момент выплавления (насыщение солями в ванне вытопки), после сушки или после обжига. Пропитка с внешней стороны 8-мислойной формооболочки не позволяет сформировать качественное защитное покрытие на ее внутренней поверхности. Насыщение облицовочной поверхности керамики различными упрочнителями часто приводит к повышению химической активности керамики к сложнолегированным сплавам. Обработка формооболочки после обжига требует дополнительной ее сушки или обжига, что увеличивает затраты и снижает производительность. Введение в состав суспензии облицовочного слоя (слоев) гидрофобного вещества приводит к ухудшению качества рабочей поверхности формооболочки после обжига, т.к. в процессе ее формирования суспензия последующих слоев не пропитывает отвержденные предыдущие слои, их прочность снижается. Удорожание процесса связано не только с потребностью в дополнительной суспензии и необходимостью вводить в нее добавки, но и с увеличением длительности формообразования.

Более эффективным способом является пропитка двух отвержденных облицовочных слоев d процессе изготовления формосболочки гидрофобным составом, который образует между моделью и керамикой защитную пленку, прочно связанную с керамикой и не разрушаемую в процессе выплавления модели в воде.

Согласно способу [4] после нанесения на модель по крайне мере двух огнеупорных слоев на них наносят методом окунания слой спиртового раствора фенолоформальдегидной смолы, т.е. создают специальный разделительный слой. Это повышает стойкость керамических форм против растрескивания при удалении модельного состава. При оптимальной вязкости данный состав может пропитывать первые два слоя формы, и, тем самым защитить их от воздействия горячей воды и продуктов гидролиза карбамида. Однако данный способ предназначен для изготовления оболочковых форм сложной конфигурации с сыпучим наполнителем, когда слои оболочковой формы плохо прилегают друг к другу, так как материал не является жидкостью и наличие разделительного слоя улучшает их прилегание. При изготовлении форм с жидкими исходными компонентами (суспензия) этот метод обладает рядом существенных недостатков:

1. Возможен частичный размыв пленки смолы, т.к. разбавителем и смолы и этилсиликата является спирт.

2. В процессе обжига наносимый состав выгорает, что нарушает связь между слоями формы и приводит к расслоению формы. Нарушение геометрических размеров формы приводит к нарушению геометрических размеров отливки, так как металл проникает под отслоившийся слой керамики, что недопустимо для высокоточных отливок - лопаток авиационных двигателей.

3. Отслоившиеся от облицовочных слоев огнеупорные частицы являются причиной массового поражения отливок засорами.

4. Проникновение металла через трещины отслоившегося слоя приводит как к образованию на отливках дефектов типа «просечка», так и в ряде случаев разрыву форм при заливке.

Известен также способ [5], согласно которому для промежуточного слоя в качестве связующего используют органический быстросохнущий клеющий раствор и обсыпку из зернистого материала. При обжиге клеющее вещество сгорает. Способ разработан для снижения прочности и повышения термостойкости форм, однако при его использовании облицовочные слои частично защищены от воды. Клеющее вещество служит для приклеивания обсыпки, а не для пропитки керамического покрытия модели,

Общим недостатком данных наиболее характерных способов изготовления форм является изоляция модели от воздействия выплавляющей среды - воды с внешней стороны керамической оболочки, что замедляет растворение модели. В поточном производстве это может заметно снизить производительность процесса.

Наилучшим решением проблемы сохранения качества рабочей поверхности керамической формы в процессе выплавления модели является формирование на модели защитной пленки, имеющий инертный к керамике состав. Однако, данная пленка имеет достаточно высокую связь с моделью и отрывается от керамики после растворения модели в воде. Этому способствует давление воды па пленку с внешней стороны формы в первоначальный момент после ее погружения в ванну. При температуре воды уже 30÷40°С (см. теплостойкость, табл.1) пленка будет размягчаться, что облегчит ее отрыв от керамики. Давление воды на пленку прекращается после образования зазора между моделью и формой, заполненного водой. Поэтому этот способ лишь незначительно сокращает время контакта воды, насыщенной щелочными катионами, и керамикой. Данное направление практически не применяется на практике.

Цель изобретения [6]: получение плотной корки со связующим из жидкого стекла (7,5%) и песка для литья крупных деталей. Модель получают из расплавленных солей (50% Na(NO)₃ и 50% KHO₃) путем заливки в пресс-форму. Полученную модель погружают в расплавленный парафин для образования на ней нейтральной пленки. Форму с моделью помещают в печь при температуре 200°C для обезвоживания солевого состава, при этом парафин, имеющий температуру плавления 45÷65°C расплавляется и пропитывает поверхность формы. Затем модельный состав выплавляют в нагревательной печи при температуре 350°C. Особенностью способа является удаление солевого состава в расплавленном состоянии при высокой температуре, что обуславливает насыщение пористой поверхности керамики и способствует в более сильной степени взаимодействие с кислым гелем связующего. Водный раствор модельной композиции в меньшей степени реагирует со связующим. Соли Na(NO)₃ и KNO₃ разлагаются при температурах 400 и 308°C с выделением кислорода, который будет стремиться выделиться через керамику. Данный способ применим в случае не высоких требований к качеству поверхности литой детали. При обжиге образуются легкоплавкие оксиды Na₂O и K₂ O, которые повышают химическую активность формы к высоколегированным сплавам, например, жаропрочным. Поэтому в точном литье этот способ не применяют.

Применение способа растворения модели в воде позволяет не только иметь пониженную энергоемкость процесса, но и более быстрое растворение модельного состава, т.к. растворимость солей в воде очень велика. Например, растворимость карбамида в 100 г воды составляет 51,8 г и 71,7 г при 20°C и 60°C соответственно [7]. Растворенный в воде карбамид имеет меньшую химическую активность по сравнению с расплавленным.

Таким образом, для точных отливок, к которым предъявляются повышенные требования к качеству поверхности, необходимо растворять модель в воде.

Известен способ [8], целью которого является повышение размерной точности за счет повышения прочности сцепления первого слоя оболочки с поверхностью блока моделей. Для этого поверхность блока моделей покрывают липкой пленкой, имеющей высокую прочность. Блок моделей на 2÷3 с погружают в водную суспензию, содержащую 5 г твердого компонента (натурального или синтетического каучука), 4 мл ПАВ (поверхностно-активного вещества) и 90 г воды. Затем покрытие сушат. Кроющая способность суспензии увеличится, что позволяет увеличить размерную точность. Однако, эта пленка после сушки дает усадку, имеет плотное прилегание к модели и после растворения последней, оторвется от поверхности керамики. При температуре 50°С каучук еще остается липким и эластичным, а при температуре 70°С каучук переходит из эластичного в стеклообразное состояние. Этот момент и происходит его отрыв от керамики.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является способ изготовления керамических форм по растворяемым моделям, включающий послойное формирование на модели огнеупорной оболочки, удаление модели, сушку и обжиг керамической формы [9]. С целью повышения чистоты внутренней поверхности керамической формы на поверхность модели наносят защитное полимерное покрытие - сополимер бутилового эфира метакриловой кислоты. Из работ [10, 11] известно, что эфир бутиловый метакриловой кислоты широко используется в виде пленок для склеивания и поэтому после его затвердевания на поверхности модели между ними образуется прочная связь. При растворении модели в воде пленка отрывается от поверхности керамической формы. Это должно сократить только время контакта керамики и воды, однако доступ воды с внешней стороны формы к модели затруднен, что должно увеличить период растворения модели. Следует отметить, что предложенный эфир пожароопасен: его температура вспышки всего 48°С, а температура самовоспламенения - 289°С [11].

Таким образом, недостатком способа является затрудненный доступ воды к модели. Поэтому при использовании данного способа необходимо быстро сформировать зазор между моделью и поверхностью керамической формы.

Техническим результатом изобретения является повышение качества поверхности керамической формы, повышение производительности и снижение расхода материалов.

Изобретение предусматривает использование преимущества способа нанесения легкоплавкой пленки на водорастворимую модель - быстрое образование зазора между моделью и керамикой и заполнение его водой, что увеличивает скорость растворения модели. При этом создаются условия, когда сила сцепления (адгезия) данного защитного состава с керамикой превышает его силу сцепления (адгезию) с моделью. При погружении в воду возникает гидростатическое давление воды на защитную пленку, что способствует ее отрыву от керамики. При нагреве в печи произойдет движение расплавляющегося гидрофобного состава в сторону высокой температуры, т.е. в поры керамики.

Данное изобретение реализуется следующим образом. Модель на основе карбамида кратковременно погружают в жидкий парафин или другую модельную массу на основе восков для образования тонкой нейтральной пленки. После остывания на модели послойно формируют керамическую форму по общепринятой технологии [1]. Удаление модели производят комбинированным способом: сначала форму с моделью помещают в печь, температура которой на 5÷10 градусов превышает температуру каплепадания материала пленки, но ниже температуры плавления основного материала модели. В результате кратковременного нагрева - 3 минуты на 1 мм толщины керамики, расплавленный восковой состав пропитает поры керамики. При этом:

1) образуется небольшой зазор между моделью и керамикой, который будет сразу заполняться водой при погружении формы в ванну;

2) поверхность основного материала модели нагреется примерно до порога теплостойкости, что должно ускорить последующее растворение модели;

3) ускоряются процессы поликонденсации связующего. Удаление избытка влаги из геля повышает устойчивость керамики против разупрочнения в воде.

Керамическую форму помещают в ванну с горячей водой, температура которой не превышает температуру каплепадания состава пленки. Через 1,5÷2,0 ч модель будет растворена в воде. После этого керамическую форму необходимо промыть в воде, имеющей температуру выше порога каплепадания защитного состава. Как правило, это температура - 80÷90°С. Промывка заключается в кратковременном (2÷3 минуты) двух- или трехкратном погружении форм в ванну с водой. После этого форму сушат и отправляют на обжиг.

Для сравнения эффективности известных способов и предлагаемого изготавливали 8-мислойные керамические формы в виде пластины размерами 50×50×10 мм. В качестве связующего для всех форм использовали гидролизованный этилсиликат-40 с содержанием SiO₂ 16% масс. В качестве наполнителя - дистенсиллиманит. Вязкость суспензии 1-го слоя 47 с, второго и последующих - 25-30 с. Сушку огнеупорных слоев проводили вакуумно-аммиачным методом с предварительной выдержкой на воздухе при температуре 22°C в течение 40 минут. Удаление модели проводили двмя способами: в воде и комбинированным способом. Один образец формооболочки от каждого варианта ломали на определенном этапе для уточнения длительности периодов вытопки. Обжиг формооболочек проводили в течение 5 ч при температуре 900°C и заливали без охлаждения сталью 25Л при температуре 1570+7°C. Считали количество дефектов на литой поверхности размером 1 мм и более с двух сторон образцов.. Характеристика моделей, технологии вытопки и эффективность процесса приведены в таблице 2.

Таблица 2
Характеристика модели, параметры технологии и эффективность способов вытопки
№	Состав модели / пленки	Технологические операции вытопки модели	Кол-во дефектов, шт./100 см2	Длительность общая, ч
1	МОН-10К/без	1. Вода 25÷27°C - 0,5 ч
	пленки	2. Вода 95°C - 1,5 ч	26	3,0
		3. Вода 60÷80°C - 1,0 ч
2	МОН-10К/парафин	то же по способу № 1	22	3,0
3	MOH-10К/каучук	то же по способу № 1	18	3,0
4	МОН-10К/каучук	1. Печь 50°C - 0,5 ч
		2. Вода 50°C, 1,5 ч	28	3,0
		3. Вода 95°C - 1,0 ч
5	MOH-10К/парафин	1. Печь 60°C - 0,5 ч
		2. Вода 70°C, 2,0 ч	8	2,8
		3. Вода 95°C - 0,3 ч
6	MOH-10К/Р-3	1. Печь 80°C - 0,4 ч
		2. Вода 70°C, 1,5 ч	7	2,2
		3. Вода 95°C - 0,3 ч
7	MOH-10К/Р-3	1. Печь 80°C - 0,4 ч
		2. Вода 80°C, 1,5 ч	5	2,2
		3. Вода 95°C - 0,3 ч
8	MOH-10К/БЭМКК	1. Вода 25÷27°C - 0,5 ч	15	3,0
	БЭМКК - бутиловый эфир	2. Вода 95°C - 1,0 ч
	метакриловой кислоты	3. Вода 60÷80°C - 1,0 ч

Визуальный осмотр внутренней части образцов № 1и № 2 после проведения операции 1 (выдержка в холодной воде) показал весьма незначительное растворение модельного состава. Внутренняя поверхность образца № 3 после проведения операции 2 частично была заполнена твердым карбамидом. Очевидно, низкая эффективность варианта № 3 связана с растрескиванием пленки каучука. С внешней стороны она испытывала гидравлическое давление воды с мгновенным стеклованием, с другой стороны - исчезновение подложки из-за ее растворения. К недостаткам способа № 3 следует отнести то, что в период операции 1 вода не достигает материала модели с внешней стороны.

Через 0,5 ч выдержки в печи поверхность модели образца № 4осталась без изменений. Очевидно, что выдержка блока р воде с температурой в течение 2-х часов будет равнозначна. Каучук не пропитал керамику и не пропустил воду к модели с внешней стороны формооболочки.

Образцы формооболочки № 5, № 6 и № 7 (предлагаемый вариант) после операции № 2 - растворения в воде с температурой 70÷80°C в течение 1,5÷2-х ч практически освободились от модельного состава. Их осталось только промыть в горячей воде с растворением и вымыванием остатков материала пленки.

С поверхности образца № 8 защитная пленка оторвалась на операции № 2.

Таким образом, воздействие горячей воды на нагретую поверхность модели значительно ускоряет ее растворение. Следует отметить, что максимальная дефектность на литой поверхности присутствует при использовании вариантов № № 1÷4, имеющих максимальную длительность пребывания керамической формы в воде с температурой 95°C. Предложенное решение позволяет снизить энергоемкость процесса, т.к. оно реализуется при более низких температурах. Снижение брака точных отливок (см. вар. № № 1÷4 и вар. № № 5÷7, таблица 1) позволяет снизить расход материалов на 1 тонну годного литья. Уточнение параметров вытопки связано с видом материала пленки. Размерная точность достигается компенсацией размера полости пресс-формы, куда заливается жидкий карбамид для получения модели. Толщина пленки на модели зависит от температуры (жидкоподвижности) расплавленного состава пленкообразователя, конфигурации модели и ее смачиваемости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Литье по выплавляемым моделям / Под ред. Я.И. Шкленника и А.А. Озерова. М.: Машиностроение, 1984. С.230.

2. Лакеев А.С. и др. Прогрессивные способы изготовления точных отливок. Киев: Техника, 1984. С.5-7.

3. Специальные способы литья: Справочник / Под общ. Ред. В.А. Ефимова. - М.: Машиностроение, 1991. С.218.

4. A.c. 152935 ЧССР. Составы для повышения технологической прочности керамических оболочек. Housi Miroslav и др. // Реферативный журнал. Технология машиностроения, 1976. - С.47.

5. Пат. № 2277452 РФ, МПК B22C 9/04 / Миникес Б.Э. (РФ). Способ изготовления керамической оболочки для отливки с узкими развитыми внутренними полостями при литье по выплавляемым моделям, 2005112949, 28.04.2005, опубл. 10.06.2006, www1.fips.ru_servl/fips

6. A.c. № 109014 (СССР), МПК B22C 9/04. Способ изготовления форм для крупного литья. Казаков A.C. (СССР), № 556072, 06.07.1956, опубл. 01.01.1957, www1.fips.ru_servl/fips.

7. Нейланд О.Я. Органическая химия: Учебник для химических специальностей вузов, М.: Высшая школа, 1990. С.645-646.

8. Пат. № 56-111546 Япония, кл. 11А18. Способ поверхностной обработки блоков моделей. Охама Синчити (Япония) // Реферативный журнал. Технология машиностроения, 1982, № 12. - С.36.

9. Пат. № 1102142 РФ, МПК И22С 9/04. Зайчиков А.А., Зайчикова Т.В., Дмитриева Л.А. и др. Способ изготовления оболочковых литейных форм, 3481710/02, 09.08.1982, опубл. 10.12.2005, Бюл. № 34., www1.fips.ru_servl/fips.

10. Химическая энциклопедия. T.1 / Под ред. И.Л. Кнунянца, М.: Советская энциклопедия, 1988, С.332.

11. ГОСТ 16756-71. Эфир бутиловый метакриловой кислоты. Технические условия. М.: Стандартинформ, С.2.