Результат интеллектуальной деятельности: Суспензия для оболочковой керамической формы

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления керамических оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям при производстве отливок из жаропрочных сплавов на никелевой основе.

Известен способ изготовления керамических оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям (Патент RU № 2532583, МПК В22С 9/04, публ. 10.11.2014), при осуществления которого для формирования последующих слоёв керамической формы используют суспензию, содержащую кремнезоль основной и плавленый кварц при следующем соотношении компонентов, об.%:

При изготовлении суспензии для последующих слоёв в бак-смеситель, заливают кремнезоль основной «Армосил А» (ТУ2145-005-95412478-2006), затем при включенной мешалке порциями вводят наполнитель плавленый кварц «Экосил-мелур-1» (ТУ5931-002-71435339-2004). После перемешивания замеряют вязкость суспензии вискозиметром ВЗ-4. Для последующих слоёв вязкость суспензии составляет 20…80 секунд. Покрытие наносят окунанием модельного блока в керамическую суспензию с последующей обсыпкой его зернистым материалом. Обсыпка второго слоя проводится плавленым кварцем «Экосил-мелур-3» зернистостью 0,125-0,315 мм, обсыпка третьего и последующих слоёв проводится плавленым кварцем «Экосил-мелур-5» зернистостью 0,4-0,63 мм в пескосыпах с псевдокипящим слоем. Все слои подвергаются сушке в потоке воздуха с относительной влажностью 40-50% при температуре 20-30°С. Время сушки последующих слоёв, изготовленных на базе кремнезёма основного составляет не менее 70 минут.

Недостатком указанного технического решения является то, что керамическая форма практически полностью состоит из кварца плавленого, обладающего самым низким коэффициентом термического расширения (КТР), из всех известных в литейном производстве материалов. Под влиянием чрезвычайно низкого КТР, керамическая форма, изготовленная на основе кварца плавленого, неизбежно разрушится при бойлерклавном удалении из неё восковых моделей, что, в свою очередь, связано с объёмным расширением воска. Кроме того, для обеспечения требуемой геометрической точности отливок, литейная оснастка должна проектироваться с учётом КТР кварца, составляющего величину 0,5×10^-6 1/⁰С, в противном случае размеры отливок будут существенно ниже номинального значения.

Известен способ изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям (Патент RU № 2697678, МПК В22С 1/00, публ. 16.08.2019), при осуществления которого для формирования последующих слоёв, начиная по крайней мере со второго слоя, используют суспензию следующего состава, мас.%:

Указанный состав суспензии для последующих слоёв обладает рядом недостатков. Во-первых, основу суспензии составляют порошки электрокорунда, придающие форме повышенную прочность и жёсткость. Во-вторых, при получении длинномерных, тонкостенных заготовок турбинных лопаток в литейных керамических формах, изготовленных с использованием приведённого состава суспензии, возможен брак отливок как по не заливам, так и по горячим трещинам из-за повышенной жёсткости материала формы. В-третьих, в изобретении использована традиционная тройная смесь порошков электрокорунда, при этом, порошки электрокорунда на порядок дороже других порошков; в-четвёртых, в составе суспензии последующих слоёв используется импортное связующее «Matrixsol 30», обладающее очень ограниченным сроком годности.

Наиболее близкими аналогами по технической сущности, принятым за прототип, является керамическая форма для литья по выплавляемым моделям (Патент RU № 2754334, МПК В22С 1/02, В22С 9/12, публ. 01.09.2021), у которой для формирования последующих слоёв используют суспензию следующего состава, мас.%:

К недостаткам прототипа относятся: во-первых, сама основа суспензии для последующих слоёв формы, а именно концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный (КДСП), являющийся минеральным сырьём природного происхождения, добываемый открытым способом, чем объясняются его нестабильные физико-химические свойства; во-вторых, КДСП при нагреве формы до рабочих температур переходит в муллит с увеличением объёма на 16-18%, что приводит к деформации формы и нарушению геометрической точности отливок; в-третьих, применение КДСП без проведения специальной подготовки по его муллитизации, приводит к снижению качества литейной керамики форм за счёт прохождения фазовых превращений самого КДСП в процессе производства отливок; в-четвёртых, КДСП не в состоянии обеспечить стабильность качества литейной керамики.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно при использовании прототипа, является неудовлетворительное качество керамики форм, заключающееся в использовании КДСП, склонного к фазовым превращениям и связанную с этим нестабильность качества литейной керамики, что, в свою очередь, приводит к нарушению геометрической точности отливок.

Технической задачей заявляемого изобретения является получение литейных форм стабильно высокого качества, приводящее к снижению отклонений будущих отливок по геометрии, адаптация суспензии для последующих слоёв к автоматизированному процессу изготовления форм, обеспечение экономичности, безотходности и экологической безопасности без ограничений по срокам живучести суспензии.

Техническая проблема решается за счёт того, что в суспензии для оболочковой керамической формы, заключающейся в формировании ее слоев, кроме лицевого, содержащей керамический огнеупорный материал и высокощелочное водно-коллоидное связующее в виде водно-коллоидного раствора оксида металла со следующим содержанием, мас.%:

согласно изобретению, включает керамический огнеупорный материал со следующим содержанием, мас.%:

при этом плотность суспензии составляет 1,58 – 1,68 г/см³, вязкость суспензии составляет 30 – 35 с.

Кроме того, согласно изобретению, применяют высокощелочное водно-коллоидное связующее плотностью 1,196 – 1,210 г/см³, со средой pH 9,5 - 10,5, содержащее оксид металла SiO₂ в количестве 28,0 - 30,0%.

Кроме того, согласно изобретению, используют муллит плавленый порошкообразный с удельной поверхностью 3000-5000 см²/г.

Суспензия для керамической формы в литье по выплавляемым моделям содержит керамический огнеупорный материал и связующее в виде водно-коллоидного раствора оксида металла, при этом, количество слоёв, следующих после нанесения лицевого слоя, определяется требованиями технологического процесса в зависимости от металлоёмкости формы, может быть в количестве от 9 до 14.

Как и в прототипе, содержание высокощелочного водно-коллоидного связующего в виде водно-коллоидного раствора оксида металла составляет, мас.%: 51,0 – 55,0.

При содержании высокощелочного водно-коллоидного связующего в виде водно-коллоидного раствора оксида металла в количестве менее 51,0 мас.%, суспензия для последующих слоёв переходит в разряд нетехнологичных, что связано с увеличением её вязкости выше заявленной.

При содержании высокощелочного водно-коллоидного связующего в виде водно-коллоидного раствора оксида металла в количестве более, 55,0 мас.%, суспензия для последующих слоёв переходит в разряд нетехнологичных, что связано с уменьшением её вязкости ниже заявленной.

В отличие от прототипа, в качестве керамического огнеупорного материала используется муллит плавленый порошкообразный, содержание которого в суспензии для последующих слоёв составляет 45,0 – 49,0 мас.%.

При содержании муллита плавленого порошкообразного в суспензии для последующих слоёв менее 45,0 мас.%, суспензия переходит в разряд нетехнологичных, что связано с уменьшением её вязкости ниже заявленной.

При содержании муллита плавленого порошкообразного в суспензии для последующих слоёв более 49,0 мас.%, суспензия переходит в разряд нетехнологичных, что связано с увеличением её вязкости выше заявленной.

Химический состав муллита плавленого обеспечивается технологией поставщика, нормируется требованиями СТО 68051575.015-2020 и характеризуется следующими показателями:

Технологические показатели связующего обеспечиваются технологией поставщика, нормируется требованиями ТУ 2145-011-61801487-2014 и характеризуется следующими показателями:

- плотность составляет 1,196 – 1,210 г/см³;

- pH 9,5 - 10,5;

- содержащее SiO₂ составляет 28,0 – 30,0 мас.%;

- вязкость кинематическая, не более 10 сСт.

Суспензия для последующих слоёв керамической формы в литье по выплавляемым моделям характеризуется следующими показателями:

- плотность суспензии составляет 1,58 – 1,68 г/см³;

- рН 9,5 – 10,5;

- вязкость суспензии составляет 30 – 35 с.

Предложенное техническое решение по использованию суспензии для слоёв, кроме лицевого (последующих), в литье по выплавляемым моделям обеспечивает стабильно высокое качество оболочковых керамических форм, приводящее к снижению отклонений будущих отливок по геометрии, адаптировано к автоматизированному процессу изготовления форм, обеспечивает экономичность, безотходность, экологическую безопасность, не имеет ограничений по срокам живучести суспензии.

Кроме того, в составе суспензии для последующих слоёв керамической формы применяют высокощелочное водно-коллоидное связующее плотностью 1,196 – 1,210 г/см³, со средой pH 9,5 - 10,5, содержащее оксид металла SiO₂ в количестве 28,0-30,0%, что обеспечивает хорошую межслойную адгезию суспензии, способствует усилению сцепления с последующими слоями формы, приводит к снижению брака отливок по разрушению форм.

Кроме того, в составе суспензии для слоев, кроме лицевого, (последующих) литейной формы применяют муллит плавленый порошкообразный с удельной поверхностью 3000-5000 см²/г, обладающего стабильными физико-химическими свойствами, что способствует получению плотной и прочной литейной керамики формы, обеспечивает высокую огнеупорность, способствуя, тем самым, повышению геометрической точности будущих отливок.

Изобретение реализуется на роботизированном комплексе при комнатной температуре следующим образом. Для приготовления суспензии для последующих слоёв керамической формы рассчитывают необходимое количество исходных материалов (связующее и огнеупорный наполнитель), после чего связующее заливается во вращающийся бак-смеситель, куда последовательно и небольшими порциями загружается огнеупорный наполнитель. Перед использованием суспензии её компоненты перемешивают во вращающемся баке-смесителе не менее 48 часов для стабилизации системы и равномерного распределения огнеупорного наполнителя в связующем.

Приведены примеры осуществления изобретения.

Пример 1. Применяли состав суспензии для слоёв оболочковой керамической формы, кроме лицевого, с плотностью 1,68 г/см³ следующего состава, мас.%: муллит плавленый с удельной поверхностью 3000 см²/г – 49,0; высокощелочное водно-коллоидное связующее – 51,0, при этом плотность связующего составляла 1,196 г/см³, содержание SiO₂ в связующем составляло 28,0%, рН среды составляла 9,5 ед., при этом, вязкость суспензии для последующих слоёв керамической формы составляла 35 с.

Пример 2. Применяли состав суспензии для последующих слоёв оболочковой керамической формы, кроме лицевого, с плотностью 1,62 г/см³ следующего состава, мас.%: муллит плавленый с удельной поверхностью 4000 см²/г – 47,0; высокощелочное водно-коллоидное связующее – 53,0, при этом плотность связующего составляла 1,200 г/см³, содержание SiO₂ в связующем составляло 29,0%, рН среды составляла 9,8 ед., при этом, вязкость суспензии лицевого слоя литейной формы составляла 33 с.

Пример 3. Применяли состав суспензии для последующих слоёв оболочковой керамической формы, кроме лицевого, с плотностью 1,58 г/см³ следующего состава, мас.%: муллит плавленый с удельной поверхностью 5000 см²/г – 45,0; высокощелочное водно-коллоидное связующее – 55,0, при этом плотность связующего составляла 1,208 г/см³, содержание SiO₂ в связующем составляло 30,0%, рН среды составляла 10,0 ед., при этом, вязкость суспензии лицевого слоя литейной формы составляла 30 с.

Положительный технический результат получен во всех приведённых примерах осуществления изобретения.

По заявляемому изобретению успешно проведены экспериментальные работы, состав суспензии для последующих слоёв керамической формы в литье по выплавляемым моделям успешно внедрён на роботизированном комплексе в литейном производстве АО «ОДК-Авиадвигатель» при изготовлении керамических форм для получения отливок любого исполнения и назначения.

Таким образом, предлагаемое изобретение по использованию состава суспензии для слоёв оболочковой керамической формы, кроме лицевого, в литье по выплавляемым моделям с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, обеспечивает стабильно высокое качество оболочковых керамических форм, приводящее к снижению отклонений будущих отливок по геометрии, адаптировано к автоматизированному процессу изготовления форм, обеспечивает экономичность, безотходность, экологическую безопасность, не имеет ограничений по срокам живучести суспензии.