способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям

Формула изобретения

Способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающий нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом с содержанием, начиная со второго слоя оболочки, кислородсодержащего вещества в количестве 5-10 мас.% и борной кислоты в количестве 2-3 мас.%, вытопку моделей, сушку и прокалку, отличающийся тем, что для первого слоя оболочки используют зернистый материал с содержанием порошка алюминия в количестве 5-10 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству, а именно к получению отливок по выплавляемым моделям.

Известна суспензия для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям для получения отливок из химически активных и жаропрочных сплавов, включающая огнеупорный наполнитель, органическое связующее и технологическую добавку - металлический порошок, отличающаяся тем, что она содержит в качестве огнеупорного наполнителя тугоплавкий порошок, выбранный из группы оксидов алюминия, иттрия, в качестве органического связующего - водные растворы 15-65%-ной концентрации алкилполиоксибензолальдегидных смол на основе алкилоксибензолов формулы R_mC₆H_6-(m+n)(OH) _n, где R-H, CH₃, C₂H₅; m=1-2; n=2-3, а в качестве технологической добавки - порошок алюминия при следующем соотношении компонентов, масс.%: органическое связующее - 15-40; порошок металлического алюминия - 7-35; огнеупорный наполнитель, выбранный из группы оксидов алюминия, иттрия, - остальное [1].

Однако суспензия имеет ряд недостатков. Входящее в ее состав органическое связующее - растворы алкилполиоксибензолальдегидных смол - является дефицитным и, кроме того, ставит под угрозу экологическую безопасность технологического процесса. Высока трудоемкость получения водного раствора органического связующего требуемой концентрации. Использование в качестве огнеупорного наполнителя суспензии металлического порошка иттрия удорожает весь технологический процесс из-за высокой стоимости этого редкоземельного металла.

Известна суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям при производстве отливок из титановых и жаропрочных химически активных сплавов, включающая наполнитель и связующее, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит активатор - порошок металла IIIa, IVa, Va групп или его оксид, а в качестве связующего алкоксиалюмоксан и стабилизатор в органическом растворителе при следующем соотношении компонентов, масс.: алкоксиалюмоксан 4-8, стабилизатор 2-4, органический растворитель 19-21, активатор - порошок металла IIIa, IVa, Va групп или его оксид 5-8, наполнитель - остальное [2].

Известная суспензия имеет ряд недостатков. Приготовление суспензии усложняется вследствие трудностей соблюдения точных пропорций между компонентами, входящими в ее состав. Компоненты, формирующие суспензию, дефицитны. Кроме того, входящие в состав суспензии органический растворитель и алкоксиалюмоксан представляют экологическую опасность для персонала литейных цехов.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом, введение кислородсодержащего вещества, вытопку моделей, сушку и прокалку, отличающийся тем, что, начиная со второго слоя оболочки, в состав зернистого материала для обсыпки вводят кислородсодержащее вещество в количестве 5-10 мас.% и борную кислоту в количестве 2-3 мас.% В качестве кислородсодержащего вещества используют дихромат калия или пероксиды щелочноземельных металлов [3].

Однако известный способ имеет недостаток. Сложно строго гарантировать тот факт, что кислород, выделяемый кислородсодержащим окислителем, входящим в состав материала формы, при ее прокалке будет целиком израсходован для решения задачи полного удаления модельного состава из полости литейной формы, поскольку остаточное содержание модельного состава в оболочке после выплавления можно оценить лишь приблизительно. В связи с этим высокой становится вероятность получения пироэффекта, обусловленного выделением при последующей заливке оболочковых форм металлическим расплавом избыточного кислорода, создающего опасность для персонала литейных цехов.

Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.

Решается задача совершенствования технологического процесса в части введения в состав материала оболочковой формы вещества, обеспечивающего заполнение оболочковых форм и гарантирующего предотвращение пироэффекта при их заливке металлическим расплавом.

Технический результат - повышение безопасности процесса литья по выплавляемым моделям при высоком качестве оболочковых форм и отливок.

Технический результат достигается тем, что согласно способу изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающему нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом, введение, начиная со второго слоя оболочки, в составе зернистого материала для обсыпки, кислородсодержащего вещества в количестве 5-10 мас.% и борной кислоты в количестве 2-3 мас.%, вытопку моделей, сушку и прокалку, в первый слой оболочки, в составе зернистого материала для обсыпки, вводят порошок алюминия в количестве 5-10 мас.%

Введение определенного количества порошка алюминия обеспечивает двойной положительный эффект. Во-первых, алюминий будет связывать избыточный кислород, получаемый в результате разложения кислородсодержащего вещества, вводимого в материал формы, остающийся в литейной форме после удаления остатков модельной композиции, что позволит предотвратить нежелательный пироэффект, создающий опасность для персонала литейных цехов.

Во-вторых, в результате взаимодействия избыточного кислорода с порошком алюминия по реакции 4Al+3O ₂=2Al₂O₃ в рабочем слое формы образуется электрокорунд - химически стойкий материал с существенно меньшим коэффициентом линейного термического расширения по сравнению с кварцем SiO₂.

Образующийся в результате химических реакций электрокорунд позволяет обеспечить повышение прочности и трещиностойкости оболочковых форм, создавая своеобразный армирующий каркас именно в первом слое оболочки, испытывающем наибольшие температурные градиенты и опасном с точки зрения проникновения нежелательных включений в тело формирующейся отливки во время заливки формы металлическим расплавом.

Содержание порошка алюминия в количестве менее 5 мас.% зернистого материала для обсыпки не обеспечивает достаточной гарантии для предотвращения пироэффекта, недоливов и образования газовых дефектов в отливках. Содержание порошка алюминия в количестве более 10 мас.% зернистого материала для обсыпки ведет к нежелательному повышению концентрации алюминия в поверхностном слое материала отливок, снижению газопроницаемости оболочки, ухудшению качества поверхности отливок из-за образования наплывов избыточного алюминия, а также пригара.

Пример осуществления способа

Для изготовления огнеупорной суспензии использовались готовое связующее ГС-20Э ТУ 6-02-1-046-95 и маршалит (пылевидный кварц) марки А и Б по ГОСТ 9077-82. При необходимости для доводки связующего до рабочей вязкости использовалась добавка азотной кислоты.

В качестве зернистого материала для обсыпки первого слоя применялся кварцевый песок марок 1K₂O₂02 ГОСТ 2138-91 с добавкой порошка алюминия марки АСД-4 в количестве 5-10 мас.% Для изготовления последующих слоев оболочковой формы использовали кварцевый песок марки 1K₁O₁03 ГОСТ 2138-91 с добавкой порошка борной кислоты из расчета 2-3 мас.% зернистого материала для обсыпки и порошка дихромата калия из расчета 5-10 мас.% зернистого материала для обсыпки.

Равномерное покрытие поверхности модельного блока огнеупорной суспензией проводилось послойно путем 2-3-кратного погружения блока в рабочую емкость гидролизера с целью удаления пузырьков воздуха с поверхности блока и предоставления возможности отекания избытку суспензии. Обсыпка первого (рабочего) слоя оболочковых форм зернистым материалом осуществлялась в псевдокипящем потоке в пескосыпе без применения добавки кислородсодержащего вещества и борной кислоты, поскольку это ухудшило бы качество поверхности будущих отливок. При этом зернистый материал для обсыпки содержал необходимое количество порошка алюминия с целью формирования в рабочем слое армирующего каркаса и повышения спекаемости материала формы за счет образования минералов силлиманитовой группы алюмосиликатных соединений nSiO ₂·mAl₂O₃ (силлиманит, андалузит, дистен-силлиманит).

Сушку каждого слоя проводили на воздухе в течение 5-6 часов при температуре 22-28°C и влажности не выше 60%. Общее количество слоев оболочковой формы - пять.

Нанесение зернистого материала для обсыпки на слои оболочковых форм, начиная со второго, проводилось без применения добавки порошков алюминия, поскольку это экономически не целесообразно.

Вытопка моделей осуществлялась горячей водой при температуре 90-99°C. Далее проводилась сушка оболочковых форм на воздухе в течение 2,0 ч. Затем проводилась формовка оболочковых форм в прокалочные опоки с использованием в качестве наполнителя измельченного керамического боя оболочек. Прокаливание оболочковых форм в опорном наполнителе в прокалочной печи СНО 8.16.5/10И2 осуществлялось по режиму: нагрев до 700°C со скоростью не более 150°C в час с выдержкой при температурном максимуме 4,0-6,0 ч.

В многослойных оболочковых формах изготавливались отливки «Барашек» массой 80 г из стали 30Л ГОСТ 977-88 (заливка форм проводилась при температуре 1550-1580°C), отливки «Кронштейн» массой 135 г из стали 20Х13Л ГОСТ 977-88 и отливки «Корпус» массой 250 г из стали 23ХГС2МФЛ ГОСТ 977-88 (заливка форм проводилась при температуре 1580-1630°C).

Результаты промышленных испытаний, проведенных согласно предлагаемому способу, представлены в таблице 1.

Испытания показали эффективность предлагаемого способа при высоком качестве оболочковых форм и отливок.

Источники информации

1. Патент на изобретение РФ № 2108195, кл. B22C 1/06, B22C 1/22, 1998.

2. Патент на изобретение РФ № 2082535, кл. B22C 1/06, B22C 1/16, 1997.

3. Патент на изобретение РФ № 2433013, кл. B22C 9/04, 2011 - прототип.

Таблица 1
Наименование отливки	Число залитых форм для каждого варианта	Количество вводимого порошка алюминия, мас.%
		0 (прототип)	2,5	5,0	7,5	10,0	12,5
Барашек	10	пироэффект на 8 формах и недолив	пироэффект на 5 формах	пироэффекта и поверхностных дефектов нет	пироэффекта и поверхностных дефектов нет	пироэффекта и поверхностных дефектов нет	пироэффекта нет, пригар
Кронштейн	10	пироэффект на 3 формах и недолив	пироэффект на 1 форме	пироэффекта и поверхностных дефектов нет	пироэффекта и поверхностных дефектов нет	пироэффекта и поверхностных дефектов нет	повышенная шероховатость поверхности отливок
Корпус	10	пироэффект на 5 формах и недолив	пироэффект на 2 формах	пироэффекта и поверхностных дефектов нет	пироэффекта и поверхностных дефектов нет	пироэффекта и поверхностных дефектов нет	повышенная шероховатость поверхности отливок
		вариант 1	вариант 2	вариант 3	вариант 4	вариант 5	вариант 6