Способ изготовления керамических стержней в литье по выплавляемым моделям с использованием самотвердеющих смесей (варианты)
Изобретение относится к области литейного производства. Способ изготовления керамических стержней в литье по выплавляемым моделям с использованием самотвердеющих смесей включает приготовление самотвердеющей на воздухе смеси, ее вакуумирование, изготовление стержней-сырцов и их сушку. Стержни-сырцы изготавливают прессованием в металлические одноместные или многоместные пресс-формы. Самотвердеющая на воздухе смесь содержит, мас.%: огнеупорный наполнитель – зернистый белый электрокорунд – 0,01-21,0, отвердитель – оксид щелочноземельного металла – 4,0-7,5 и суспензию лицевого слоя на основе кислого водно-коллоидного связующего – остальное. Сушку запрессованных стержней-сырцов осуществляют при загрузке их в холодную печь, последующем нагреве до 100°С со скоростью ≤5°С/мин, выдержке при 100°С до полного удаления влаги, но не менее 6 часов, и охлаждении с печью до 20°С. Обеспечивается снижение образования дефектов типа «газовая пористость» в отливках из жаропрочных сплавов с равноосной структурой. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 5 табл., 3 пр.
Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления керамических стержней при производстве отливок в литье по выплавляемым моделям из жаропрочных сплавов, в том числе и в вакууме.
В сложившейся практике литья по выплавляемым моделям, при изготовлении полых отливок используются керамические стержни (стержни), призванные оформлять внутренний профиль отливки. Существующие на сегодняшний день технологические процессы изготовления стержней, в своём большинстве основаны на высокотемпературном твёрдофазном спекании (обжиге) компонентов стержневых составов, отличаются высокой трудоёмкостью в сочетании с высокой затратностью. Удаление стержней из готовых отливок занимает особое положение, поскольку создаёт дополнительные затраты материала и труда в процессе изготовления отливки.
Альтернативой созданию полноценных обожжённых стержней является способ изготовления безобжиговых стержней с использованием самотвердеющих на воздухе смесей. Материал для таких стержней запрессовывается в одноместные или многоместные пресс-формы, где происходит его твердение в течение очень короткого времени, а после сушки, призванной удалить внесённую воду, стержень готов к изготовлению восковой модели. Удаление подобных безобжиговых стержней из готовых отливок не представляет трудностей и производится на штатном пескоструйном оборудовании.
Из уровня техники середины 50-х годов XX века известна технология литья пустотелых лопаток турбин с простой конфигурацией внутренней полости, когда начали применяться безобжиговые стержни, изготовленные по методу Шоу-процесса. Стержни прессовались на пневмо-прессах в металлические пресс-формы. Для каждого стержня готовили жидкотекучую суспензию, состоящую из порошка маршалита и раствора гидролизованного этилсиликата. Перед прессованием в суспензию вводили около 1% (от массы порошка) 15%-ного раствора едкого калия или натрия, под воздействием которого происходило твердение массы в течение 30-40 секунд. За это время рабочий запрессовывал массу и выдерживал её в пресс-форме под давлением. После разбора пресс-формы, стержень поджигался и лишь после полного сгорания летучих веществ, его снимали. Затем стержень укрепляли в растворе гидролизованного этилсиликата, а после воздушной сушки, стержни поступали на изготовление восковых моделей. Такие стержни в течение нескольких лет применялись в серийном производстве, несмотря на нестабильность технологии, низкие прочностные и огнеупорные свойства стержней, которые к тому же имели большие отклонения по геометрии профиля. (Каблов Е.Н. Литые лопатки газовых турбин. - М.: МИСИС, 2001. - 632 с., стр. 449).
Усложнение конструкций лопаток турбин подвигло литейщиков к освоению и внедрению новых технологий, связанных с высокотемпературным обжигом стержней. Изучение процессов, происходящих при обжиге стержней, позволило разработать технологию изготовления безобжиговых стержней простой конфигурации. Такая технология предусматривает термообработку при температуре 250-300°С в засыпке глинозёма и последующую пропитку пористых стержней кремнийорганической жидкостью, которая при сушке на воздухе полимеризуется и упрочняет стержень. (Каблов Е.Н. Литые лопатки газовых турбин. - М.: МИСИС, 2001. - 632 с., стр. 455).
Известна самотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней, содержащая в качестве связующего ортофосфорную кислоту, соединение магнезиального и/или магнезиально-шпинельного типа, воду и огнеупорный наполнитель (Патент RU №942858, МПК В22С 1/18, публ. 15.07.1982).
Известна самотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней, содержащая в качестве связующего ортофосфорную кислоту, мелкодисперсный магнийсодержащий порошок, щавелевую кислоту и огнеупорный наполнитель (Патент RU №2061572, МПК В22С 1/18, публ. 10.06.1996).
Общим недостатком всех вышеперечисленных патентов, связанных с использованием ортофосфорных связующих, является наличие в составе стержней двухзамещённого трёхводного фосфата магния (MgHPO4×3H2O), являющегося результатом взаимодействия ортофосфорной кислоты с оксидом магния. Данное фосфорсодержащее соединение при высоких температурах способно к взаимодействию с заливаемым расплавом, что неизбежно приводит к снижению эксплуатационных свойств отливок ответственного назначения. Наличие в составе указанных смесей ортофосфорных связующих связывает их с большой чёрной металлургией.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбран способ изготовления керамических стержней для литья полой опорной пластины кольцевой корпусной отливки (Патент CN №103286273, МПК B22C9/10; C04B35/66, публ. 29.04.2015). Стержень в своём составе содержит материал матрицы на основе порошков электрокорунда с размером зёрен от 800 мкм до 44 мкм; 1-20 % (от массы порошка электрокорунда) органических волокон; 0,08-0,12 % (от массы порошка электрокорунда) хлорида аммония; 60-70 % (от общей массы порошка электрокорунда, органического волокна и хлорида аммония) золя кремнезёма, при этом, pH фактор золя составляет 8, а содержащее мицелл SiO2 составляет не менее 28,0 %.
К недостаткам прототипа, помимо сложной рецептуры керамической смеси, следует отнести, во-первых, продолжительность её смешивания (12-24 часов), во-вторых, в составе керамической смеси содержится хлорид аммония, относящийся к III классу опасности согласно ГОСТ 12.1.005-88, в-третьих, хлористый аммоний, при температурах нагреве выше 337°С, разлагается на две газообразные составляющие: аммиак (NH3) и хлористый водород (HCl), наличие которых осложняет работу вакуумной системы при плавке металла и крайне не желательно в составе расплава металла, поскольку способствует насыщению металла азотом и образованию в отливках дефектов типа «газовая пористость». Кроме того, в прототипе не указывается режим сушки стержней, полученных методом свободной заливки в полость восковой пресс-формы.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно обеспечить при использовании прототипа, является изготовление стержней применительно к литью по выплавляемым моделям с образованием в отливках дефектов типа «газовая пористость», брак и снижение в итоге выхода годных отливок, повышение себестоимости и трудозатрат.
Технической задачей предлагаемого изобретения является получение стержней применительно к литью по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов с равноосной структурой, исключение образования в отливках дефектов типа «газовая пористость», повышение в итоге выхода годных отливок при снижении расходов на производство, за счёт отказа от высокотемпературного обжига стержней и использования доступных материалов, при этом, применение разработанных самотвердеющих на воздухе смесей, должно быть простым и не трудоёмким.
Техническая проблема решается тем, что в способе изготовления керамических стержней в литье по выплавляемым моделям с использованием самотвердеющих смесей, включающем приготовление самотвердеющих смесей, изготовление стержней-сырцов и их сушку, согласно изобретению, по первому варианту, стержни-сырцы изготавливаются прессованием в металлические одноместные или многоместные пресс-формы с использованием самотвердеющих на воздухе смесей, прошедших вакуумирование и включающих готовую к применению суспензию лицевого слоя на основе кислого водно-коллоидного связующего, огнеупорный наполнитель в виде зернистого белого электрокорунда и порошкообразный отвердитель в виде оксида щелочноземельного металла, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| Огнеупорный зернистый наполнитель | 0,01 - 21,0 |
| Отвердитель | 4,0 - 7,5 |
| Суспензия лицевого слоя | остальное, |
при этом используется суспензия лицевого слоя следующего состава, мас. %:
| Кислое водно-коллоидное связующее | 43,0-47,0 |
| Концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный (КДСП) | 53,0-57,0, |
а сушку запрессованных стержней-сырцов производят по режиму:
- загрузка стержней-сырцов в холодную печь;
- нагрев до температуры 100°С со скоростью ≤ 5°С/мин;
- выдержка при температуре 100°С до полного удаления внесённой влаги, но не менее 6 часов;
- охлаждение с печью до температуры 20°С,
по второму варианту, стержни-сырцы изготавливаются прессованием в металлические одноместные или многоместные пресс-формы с использованием самотвердеющих на воздухе смесей, прошедших вакуумирование и включающих готовую к применению суспензию лицевого слоя на основе кислого водно-коллоидного связующего, огнеупорный наполнитель в виде зернистого белого электрокорунда и порошкообразный отвердитель в виде оксида щелочноземельного металла, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:
| Огнеупорный зернистый наполнитель | 0,01 - 21,0 |
| Отвердитель | 4,0 - 7,5 |
| Суспензия лицевого слоя | остальное, |
при этом используется суспензия лицевого слоя следующего состава, мас. %:
| Кислое водно-коллоидное связующее | 43,0-47,0 |
| Поверхностный модификатор - алюминат кобальта | 4,0-12,0 |
| Концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный | 45,0-49,0, |
а сушку запрессованных стержней-сырцов производят по режиму:
- загрузка стержней-сырцов в холодную печь;
- нагрев до температуры 100°С со скоростью ≤ 5°С/мин;
- выдержка при температуре 100°С до полного удаления внесённой влаги, но не менее 6 часов;
- охлаждение с печью до температуры 20°С,
по третьему варианту , стержни-сырцы изготавливаются прессованием в металлические одноместные или многоместные пресс-формы с использованием самотвердеющих на воздухе смесей, прошедших вакуумирование и включающих готовую к применению суспензию лицевого слоя на основе кислого водно-коллоидного связующего, огнеупорный наполнитель в виде зернистого белого электрокорунда и порошкообразный отвердитель в виде оксида щелочноземельного металла, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:
| Огнеупорный зернистый наполнитель | 0,01 - 20,5 |
| Отвердитель | 4,5 - 6,5 |
| Суспензия лицевого слоя | остальное, |
при этом используется суспензия лицевого слоя следующего состава, мас. %:
| Кислое водно-коллоидное связующее | 21,0-23,0 |
| Микропорошок белого электрокорунда фракции F360 | 56,0-60,0 |
| Микропорошок белого электрокорунда фракции F1000 или F1200 | 19,0-21,0, |
а сушку запрессованных стержней-сырцов производят по режиму:
- загрузка стержней-сырцов в холодную печь;
- нагрев до температуры 100°С со скоростью ≤ 5°С/мин;
- выдержка при температуре 100°С до полного удаления внесённой влаги, но не менее 6 часов;
- охлаждение с печью до температуры 20°С.
По первому варианту:
Кроме того, согласно изобретению, по первому варианту, в составе суспензии лицевого слоя используют кислое водно-коллоидное связующее с pH 3,5…4,5, которое содержит 27,5-30,0% мицелл SiO2 с размером 13-15 нм и удельной поверхностью 181-210 м2/г.
Кроме того, согласно изобретению, в составе суспензии лицевого слоя используют КДСП с удельной поверхностью 6000-8000 см2/г.
Кроме того, согласно изобретению, в качестве огнеупорного зернистого наполнителя в составе самотвердеющих смесей используют зернистый белый электрокорунд фракций от F100 до F30.
Кроме того, согласно изобретению, в качестве отвердителя используют порошок оксида магния MgO с удельной поверхностью зёрен 5000 - 5500 см2/г.
Кроме того, согласно изобретению, самотвердеющие смеси перед запрессовкой стержня-сырца подлежат вакуумированию.
Кроме того, согласно изобретению, прессование стержней-сырцов производится в металлические пресс-формы, используя самотвердеющие смеси.
Кроме того, согласно изобретению, допускается армирование запрессованных стержней-сырцов за счёт установки жеребеек.
Кроме того, согласно изобретению, допускается сушка запрессованных стержней-сырцов в гипсовых драйерах.
Кроме того, согласно изобретению, допускается пропитка просушенных стержней кремнийорганической жидкостью.
По второму варианту:
Кроме того, согласно изобретению, по второму варианту, в составе суспензии лицевого слоя используют кислое водно-коллоидное связующее с pH 3,5…4,5, которое содержит 27,5-30,0% мицелл SiO2 с размером 13-15 нм и удельной поверхностью 181-210 м2/г.
Кроме того, согласно изобретению, в составе суспензии лицевого слоя используют алюминат кобальта с удельной поверхностью 7000 - 10000 см2/г.
Кроме того, согласно изобретению, в составе суспензии лицевого слоя используют КДСП с удельной поверхностью 6000-8000 см2/г.
Кроме того, согласно изобретению, в качестве огнеупорного зернистого наполнителя в составе самотвердеющих смесей используют зернистый белый электрокорунд фракций от F100 до F30.
Кроме того, согласно изобретению, в качестве отвердителя используют порошок оксида магния MgO с удельной поверхностью зёрен 5000 - 5500 см2/г.
Кроме того, согласно изобретению, самотвердеющие смеси перед запрессовкой стержня-сырца подлежат вакуумированию.
Кроме того, согласно изобретению, прессование стержней-сырцов производится в металлические пресс-формы, используя самотвердеющие смеси.
Кроме того, согласно изобретению, допускается армирование запрессованных стержней-сырцов за счёт установки жеребеек.
Кроме того, согласно изобретению, допускается сушка запрессованных стержней-сырцов в гипсовых драйерах.
Кроме того, согласно изобретению, допускается пропитка просушенных стержней кремнийорганической жидкостью.
По третьему варианту:
Кроме того, согласно изобретению, по третьему варианту, в составе суспензии лицевого слоя используют кислое водно-коллоидное связующее с pH 3,5…4,5, которое содержит 27,5-30,0% мицелл SiO2 с размером 13-15 нм и удельной поверхностью 181-210 м2/г.
Кроме того, согласно изобретению, в качестве огнеупорного зернистого наполнителя в составе самотвердеющих смесей используют зернистый белый электрокорунд фракций от F100 до F30.
Кроме того, согласно изобретению, в качестве отвердителя используют порошок оксида магния MgO с удельной поверхностью зёрен 5000 - 5500 см2/г.
Кроме того, согласно изобретению, самотвердеющие смеси перед запрессовкой стержня-сырца подлежат вакуумированию.
Кроме того, согласно изобретению, прессование стержней-сырцов производится в металлические пресс-формы, используя самотвердеющие смеси.
Кроме того, согласно изобретению, допускается армирование запрессованных стержней-сырцов за счёт установки жеребеек.
Кроме того, согласно изобретению, допускается сушка запрессованных стержней-сырцов в гипсовых драйерах.
Кроме того, согласно изобретению, допускается пропитка просушенных стержней кремнийорганической жидкостью.
При осуществлении способов используются суспензии лицевого слоя, аналогичные опубликованным в патентах на изобретения RU 2 729229, RU 2 723 878 и RU 2 725921.
Как в прототипе способ изготовления керамических стержней в литье по выплавляемым моделям с использованием самотвердеющих смесей включает приготовление самотвердеющих смесей, изготовление стержней-сырцов и их сушку.
В отличии от прототипа, по первому варианту, стержни-сырцы изготавливаются прессованием в металлические одноместные или многоместные пресс-формы с использованием самотвердеющих на воздухе смесей, прошедших вакуумирование и включающих готовую к применению суспензию лицевого слоя на основе кислого водно-коллоидного связующего, огнеупорный наполнитель в виде зернистого белого электрокорунда и порошкообразный отвердитель в виде оксида щелочноземельного металла, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| Огнеупорный зернистый наполнитель | 0,01 - 21,0 |
| Отвердитель | 4,0 - 7,5 |
| Суспензия лицевого слоя | остальное, |
при этом используется суспензия лицевого слоя следующего состава, мас. %:
| Кислое водно-коллоидное связующее | 43,0-47,0 |
| Концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный (КДСП) | 53,0-57,0, |
а сушку запрессованных стержней-сырцов производят по режиму:
- загрузка стержней-сырцов в холодную печь;
- нагрев до температуры 100°С со скоростью ≤ 5°С/мин;
- выдержка при температуре 100°С до полного удаления внесённой влаги, но не менее 6 часов;
- охлаждение с печью до температуры 20°С.
В отличии от прототипа, по второму варианту, стержни-сырцы изготавливаются прессованием в металлические одноместные или многоместные пресс-формы с использованием самотвердеющих на воздухе смесей, прошедших вакуумирование и включающих готовую к применению суспензию лицевого слоя на основе кислого водно-коллоидного связующего, огнеупорный наполнитель в виде зернистого белого электрокорунда и порошкообразный отвердитель в виде оксида щелочноземельного металла, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:
| Огнеупорный зернистый наполнитель | 0,01 - 21,0 |
| Отвердитель | 4,0 - 7,5 |
| Суспензия лицевого слоя | остальное, |
при этом используется суспензия лицевого слоя следующего состава, мас. %:
| Кислое водно-коллоидное связующее | 43,0-47,0 |
| Поверхностный модификатор - алюминат кобальта | 4,0-12,0 |
| Концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный | 45,0-49,0, |
а сушку запрессованных стержней-сырцов производят по режиму:
- загрузка стержней-сырцов в холодную печь;
- нагрев до температуры 100°С со скоростью ≤ 5°С/мин;
- выдержка при температуре 100°С до полного удаления внесённой влаги, но не менее 6 часов;
- охлаждение с печью до температуры 20°С.
В отличии от прототипа, по третьему варианту, стержни-сырцы изготавливаются прессованием в металлические одноместные или многоместные пресс-формы с использованием самотвердеющих на воздухе смесей, прошедших вакуумирование и включающих готовую к применению суспензию лицевого слоя на основе кислого водно-коллоидного связующего, огнеупорный наполнитель в виде зернистого белого электрокорунда и порошкообразный отвердитель в виде оксида щелочноземельного металла, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:
| Огнеупорный зернистый наполнитель | 0,01 - 20,5 |
| Отвердитель | 4,5 - 6,5 |
| Суспензия лицевого слоя | остальное, |
при этом используется суспензия лицевого слоя следующего состава, мас. %:
| Кислое водно-коллоидное связующее | 21,0-23,0 |
| Микропорошок белого электрокорунда фракции F360 | 56,0-60,0 |
| Микропорошок белого электрокорунда фракции F1000 или F1200 | 19,0-21,0, |
а сушку запрессованных стержней-сырцов производят по режиму:
- загрузка стержней-сырцов в холодную печь;
- нагрев до температуры 100°С со скоростью ≤ 5°С/мин;
- выдержка при температуре 100°С до полного удаления внесённой влаги, но не менее 6 часов;
- охлаждение с печью до температуры 20°С.
Применение порошкообразного отвердитель в виде оксида щелочноземельного металла при разных соотношениях ингредиентов позволяет изменять время желирования связующего из суспензии лицевого слоя.
Кроме того, в вариантах изобретения, в составе суспензии лицевого слоя используют кислое водно-коллоидное связующее с pH 3,5…4,5, которое содержит 27,5-30,0% мицелл SiO2 с размером 13-15 нм и удельной поверхностью 181-210 м2/г, что обеспечивает высокую реакционную способность мицелл к отвердителю при желировании связующего из суспензии лицевого слоя.
Кроме того, в составе суспензии лицевого слоя используют КДСП с удельной поверхностью 6000-8000 см2/г, что обеспечивает плотную упаковку компонентов самотвердеющих смесей и экономичность процесса изготовления стержней.
Кроме того, в составе суспензии лицевого слоя используют алюминат кобальта с удельной поверхностью 7000-10000 см2/г, что обеспечивает регламентированную макроструктуры отливок.
В составе суспензии лицевого слоя используют микропорошки белого электрокорунда фракций, например, F360 и F1000, или F1200, что обеспечивает повышение качества отливок.
Кроме того, в качестве огнеупорного зернистого наполнителя самотвердеющих смесей используют зернистый белый электрокорунд фракций от F100 до F30, что не ограничивает производство в выборе зернистости наполнителя и обеспечивает пониженное потребление суспензии лицевого слоя.
Кроме того, в качестве отвердителя используют порошок оксида магния с удельной поверхностью зёрен 5000-5500 см2/г, что обеспечивает высокую реакционную способность отвердителя при желировании связующего из суспензии лицевого слоя.
Кроме того, перед запрессовкой самотвердеющих смесей в металлические пресс-формы их вакуумируют, что обеспечивает удаление воздуха, замешанного при их приготовлении.
Кроме того, прессование стержней-сырцов производят в металлические пресс-формы, что обеспечивает геометрическую точность стержней.
Кроме того, допускается армирование стержней-сырцов за счёт установки жеребеек, что обеспечивает стержням дополнительное упрочнение. Жеребейки выполнены в виде металлических или керамических прутков, или трубок.
Кроме того, допускается сушка стержней-сырцов на гипсовых драйерах, что обеспечивает ускоренное удаление влаги, при этом исключается коробление стержней, связанное с удалением воды, привнесённой в смесь из связующего лицевого слоя. Гипсовый драйер представляет собой ложемент с углублением, повторяющим профиль стержня.
Кроме того, допускается пропитка просушенных стержней кремнийорганической жидкостью, которая на воздухе полимеризуется, что обеспечивает дополнительное упрочнение стержня.
В общем, самотвердеющие смеси готовятся и используются следующим образом: отдельно взвешиваются и перемешиваются сухие компоненты смеси, при этом, время перемешивания сухих ингредиентов не превышает 3 минут, отдельно взвешивается суспензия лицевого слоя, навеска сухих компонентов смешивается с навеской суспензии лицевого слоя с использованием миксера или вручную до получения однородной массы. Процесс перемешивания занимает не более 1,5 минут, после чего, смесь вакуумируют в течение 20-30 секунд и используют порционно при запрессовке стержней-сырцов в количествах, соответствующих объёму металлических пресс-форм. Оксид магния, является катализатором отверждения кислого водно-коллоидного связующего, и его функция заключается в желировании связующего при комнатной температуре, таким образом, исходные ингредиенты самотвердеющих смесей связываются вместе, образуя при этом стержень-сырец определённой прочности. Посредством регулирования содержания в смеси оксида магния, можно точно контролировать время отверждения стержня-сырца. Затвердевание смеси происходит в металлических одноместных или многоместных пресс-формах в течение 2-3 минут, после чего стержень-сырец следует просушить, используя гипсовые драйеры по режиму: загрузка драйеров со стержнями-сырцами в холодную печь; нагрев до 100°С со скоростью ≤ 5°С/мин; выдержка при температуре 100°С до полного удаления внесённой влаги, но не менее 6 часов; охлаждение с печью (в печи).
Изобретение (варианты) обеспечивает ускоренное изготовление керамических стержней применительно к литью по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов с равноосной структурой, исключение образования в отливках дефектов типа «газовая пористость», повышение в итоге качества и выхода годных отливок при снижении расходов на производство за счёт отказа от высокотемпературного обжига стержней и использования доступных материалов.
В таблице 1 приведены примеры составов самотвердеющих смесей для первого и второго вариантов изобретения.
В таблице 2 приведены примеры составов самотвердеющих смесей для третьего варианта изобретения.
В таблице 3 приведены основные технологические свойства стержней-сырцов для первого варианта изобретения.
В таблице 4 приведены основные технологические свойства стержней-сырцов для второго варианта изобретения.
В таблице 5 приведены основные технологические свойства стержней-сырцов для третьего варианта изобретения.
В таблицах 1-5 приведены примеры использования самотвердеющих смесей с указанием их составов и свойств. Контроль влажности самотвердеющих смесей проводился в соответствии с требованиями ГОСТ 29234.5-91, время полного отверждения стержней-сырцов оценивалось визуально, контроль прочности самотвердеющих смесей проводился на сжатие в соответствии с требованиями ГОСТ 23409.7-78. Из таблиц следует оптимальный состав самотвердеющих смесей, отражённый в формуле, так экспериментально установлено, что содержание наполнителя любой из представленных фракций не может превышать 21,0% (по первому и второму варианту) и 20,5% (по третьему варианту), поскольку в данном случае самотвердеющая смесь теряет текучесть, что особенно проявляется в сочетании с увеличением содержания отвердителя MgO. Содержание отвердителя MgO менее 4,0% (по первому и второму варианту) и менее 4,5% (по третьему варианту) не целесообразно, поскольку влечёт за собой увеличение времени желирования связующего, а увеличение содержания отвердителя MgO более 7,5% (по первому и второму варианту) и более 6,5% (по третьему варианту) приводит к снижению текучести самотвердеющих смесей и резкому снижению времени желирования связующего.
Примеры осуществления изобретения по первому варианту.
Пример 1. Методом прессования изготавливаются стержни-сырцы из самотвердеющей смеси следующего состава, мас. %: суспензия лицевого слоя 92,99 (содержит кислое водно-коллоидное связующее 43,0 и КДСП 57,0), отвердитель в виде оксида магния MgO 7,0 и огнеупорный зернистый наполнитель 0,01. Самотвердеющая смесь перед прессованием стержней-сырцов вакуумируется до состояния, обеспечивающего полное удаление замешанного воздуха, при этом прессование стержней-сырцов, производится с приложением давления, обеспечивающего заполнение оснастки. После затвердевания, стержни-сырцы проходят операцию сушки на гипсовых драйерах по режиму: загрузка драйеров со стержнями-сырцами в холодную печь; нагрев до температуры 100°С со скоростью 5°С/мин; выдержка при температуре 100°С в течение 6 часов; охлаждение с печью до температуры 20°С.
Пример 2. Методом прессования изготавливаются стержни-сырцы из самотвердеющей смеси следующего состава, мас. %: суспензия лицевого слоя 75,0 (содержит кислое водно-коллоидное связующее 45,0 и КДСП 55,0), огнеупорный зернистый наполнитель 20,5 в виде белого электрокорунда фракции F100 и отвердитель в виде оксида магния MgO 4,5. Самотвердеющая смесь перед прессованием стержней-сырцов вакуумируется до состояния, обеспечивающего полное удаление замешанного воздуха, при этом прессование стержней-сырцов, производится с приложением давления, обеспечивающего заполнение оснастки. После затвердевания, стержни-сырцы проходят операцию сушки на гипсовых драйерах по режиму: загрузка драйеров со стержнями-сырцами в холодную печь; нагрев до температуры 100°С со скоростью 5°С/мин; выдержка при температуре 100°С в течение 6 часов; охлаждение с печью до температуры 20°С.
Пример 3. Методом прессования изготавливаются стержни-сырцы из самотвердеющей смеси следующего состава, мас. %: суспензия лицевого слоя 75,0 (содержит кислое водно-коллоидное связующее 47,0 и КДСП 53,0), огнеупорный зернистый наполнитель 20,5 в виде белого электрокорунда фракции F30 и отвердитель в виде оксида магния MgO 4,5. Самотвердеющая смесь перед прессованием стержней-сырцов вакуумируется до состояния, обеспечивающего полное удаление замешанного воздуха, при этом прессование стержней-сырцов, производится с приложением давления, обеспечивающего заполнение оснастки. После затвердевания, стержни-сырцы проходят операцию сушки на гипсовых драйерах по режиму: загрузка драйеров со стержнями-сырцами в холодную печь; нагрев до температуры 100°С со скоростью 5 °С/мин; выдержка при температуре 100°С в течение 6 часов; охлаждение с печью до температуры 20°С.
Примеры осуществления изобретения по второму варианту.
Пример 1. Методом прессования изготавливаются стержни-сырцы из самотвердеющей смеси следующего состава, мас. %: суспензия лицевого слоя 92,99 (содержит кислое водно-коллоидное связующее 43,0, поверхностный модификатор - алюминат кобальта 12,0, КДСП 45,0), отвердитель в виде оксида магния MgO 7,0 и огнеупорный зернистый наполнитель 0,01. Самотвердеющая смесь перед прессованием стержней-сырцов вакуумируется до состояния, обеспечивающего полное удаление замешанного воздуха, при этом прессование стержней-сырцов, производится с приложением давления, обеспечивающего заполнение оснастки. После затвердевания, стержни-сырцы проходят операцию сушки на гипсовых драйерах по режиму: загрузка драйеров со стержнями-сырцами в холодную печь; нагрев до температуры 100°С со скоростью 5°С/мин; выдержка при температуре 100°С в течение 6 часов; охлаждение с печью до температуры 20°С.
Пример 2. Методом прессования изготавливаются стержни-сырцы из самотвердеющей смеси следующего состава, мас. %: суспензия лицевого слоя 75,0 (содержит кислое водно-коллоидное связующее 45,0, поверхностный модификатор - алюминат кобальта 8,0, КДСП 47,0), огнеупорный зернистый наполнитель 20,5 в виде белого электрокорунда фракции F100 и отвердитель в виде оксида магния MgO 4,5. Самотвердеющая смесь перед прессованием стержней-сырцов вакуумируется до состояния, обеспечивающего полное удаление замешанного воздуха, при этом прессование стержней-сырцов, производится с приложением давления, обеспечивающего заполнение оснастки. После затвердевания, стержни-сырцы проходят операцию сушки на гипсовых драйерах по режиму: загрузка драйеров со стержнями-сырцами в холодную печь; нагрев до температуры 100°С со скоростью 5°С/мин; выдержка при температуре 100°С в течение 6 часов; охлаждение с печью до температуры 20°С.
Пример 3. Методом прессования изготавливаются стержни-сырцы из самотвердеющей смеси следующего состава, мас. %: суспензия лицевого слоя 75,0 (содержит кислое водно-коллоидное связующее 47,0, поверхностный модификатор-алюминат кобальта 4,0, КДСП 49,0), огнеупорный зернистый наполнитель 20,5 в виде белого электрокорунда фракции F30 и отвердитель в виде оксида магния MgO 4,5. Самотвердеющая смесь перед прессованием стержней-сырцов вакуумируется до состояния, обеспечивающего полное удаление замешанного воздуха, при этом прессование стержней-сырцов, производится с приложением давления, обеспечивающего заполнение оснастки. После затвердевания, стержни-сырцы проходят операцию сушки на гипсовых драйерах по режиму: загрузка драйеров со стержнями-сырцами в холодную печь; нагрев до температуры 100°С со скоростью 5°С/мин; выдержка при температуре 100°С в течение 6 часов; охлаждение с печью до температуры 20°С.
Примеры осуществления изобретения по третьему варианту.
Пример 1. Методом прессования изготавливаются стержни-сырцы из самотвердеющей смеси следующего состава, мас. %: суспензия лицевого слоя 93,99 (содержит кислое водно-коллоидное связующее - 21,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F360 - 60,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F1000 - 19,0), отвердитель в виде оксида магния MgO 6,0 и огнеупорный зернистый наполнитель 0,01. Самотвердеющая смесь перед прессованием стержней-сырцов вакуумируется до состояния, обеспечивающего полное удаление замешанного воздуха, при этом прессование стержней-сырцов, производится с приложением давления, обеспечивающего заполнение оснастки. После затвердевания, стержни-сырцы проходят операцию сушки на гипсовых драйерах по режиму: загрузка драйеров со стержнями-сырцами в холодную печь; нагрев до температуры 100°С со скоростью 5°С/мин; выдержка при температуре 100°С в течение 6 часов; охлаждение с печью до температуры 20°С.
Пример 2. Методом прессования изготавливаются стержни-сырцы из самотвердеющей смеси следующего состава, мас. %: суспензия лицевого слоя 75,0 (содержит кислое водно-коллоидное связующее - 22,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F360 - 58,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F1000 - 20,0), огнеупорный зернистый наполнитель 20,0 в виде белого электрокорунда фракции F100 и отвердитель в виде оксида магния MgO 5,0. Самотвердеющая смесь перед прессованием стержней-сырцов вакуумируется до состояния, обеспечивающего полное удаление замешанного воздуха, при этом прессование стержней-сырцов, производится с приложением давления, обеспечивающего заполнение оснастки. После затвердевания, стержни-сырцы проходят операцию сушки на гипсовых драйерах по режиму: загрузка драйеров со стержнями-сырцами в холодную печь; нагрев до температуры 100°С со скоростью 5°С/мин; выдержка при температуре 100°С в течение 6 часов; охлаждение с печью до температуры 20°С.
Пример 3. Методом прессования изготавливаются стержни-сырцы из самотвердеющей смеси следующего состава, мас. %: суспензия лицевого слоя 75,0 (содержит кислое водно-коллоидное связующее - 23,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F360 - 56,0, микропорошок белого электрокорунда фракции F1000 - 21,0), огнеупорный зернистый наполнитель 20,0 в виде белого электрокорунда фракции F30 и отвердитель в виде оксида магния MgO 5,0. Самотвердеющая смесь перед прессованием стержней-сырцов вакуумируется до состояния, обеспечивающего полное удаление замешанного воздуха, при этом прессование стержней-сырцов, производится с приложением давления, обеспечивающего заполнение оснастки. После затвердевания, стержни-сырцы проходят операцию сушки на гипсовых драйерах по режиму: загрузка драйеров со стержнями-сырцами в холодную печь; нагрев до температуры 100°С со скоростью 5°С/мин; выдержка при температуре 100°С в течение 6 часов; охлаждение с печью до температуры 20°С.
Положительный технический результат получен во всех приведённых вариантах изобретения и примерах осуществления. По заявленному способу успешно проведены экспериментальные работы, способ (варианты) принят к использованию в производстве.
Таким образом, предлагаемое изобретение (варианты) с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, обеспечивает ускоренное изготовление керамических стержней применительно к литью по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов с равноосной структурой, исключение образования в отливках дефектов типа «газовая пористость», повышение в итоге качества и выхода годных отливок при снижении расходов на производство и за счёт отказа от высокотемпературного обжига стержней и использования доступных материалов.
Способ изготовления керамических стержней в литье по выплавляемым моделям с использованием самотвердеющих смесей (варианты)
1. Способ изготовления керамических стержней в литье по выплавляемым моделям с использованием самотвердеющих смесей, включающий приготовление самотвердеющей смеси, изготовление стержней-сырцов и их сушку, отличающийся тем, что стержни-сырцы изготавливают прессованием в металлические одноместные или многоместные пресс-формы с использованием самотвердеющих на воздухе смесей, прошедших вакуумирование и включающих готовую к применению суспензию лицевого слоя на основе кислого водно-коллоидного связующего, огнеупорный наполнитель в виде зернистого белого электрокорунда и порошкообразный отвердитель в виде оксида щелочноземельного металла, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| огнеупорный наполнитель | 0,01-21,0 |
| порошкообразный отвердитель | 4,0-7,5 |
| готовая к применению суспензия лицевого слоя | остальное, |
при этом используют готовую к применению суспензию лицевого слоя следующего состава, мас.%:
| кислое водно-коллоидное связующее | 43,0-47,0 |
| концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный | 53,0-57,0, |
а сушку запрессованных стержней-сырцов производят по режиму:
- загрузка стержней-сырцов в холодную печь;
- нагрев до температуры 100°С со скоростью ≤5°С/мин;
- выдержка при температуре 100°С до полного удаления внесённой влаги, но не менее 6 часов;
- охлаждение с печью до температуры 20°С.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в составе суспензии лицевого слоя используют кислое водно-коллоидное связующее с pH 3,5-4,5, содержащее 27,5-30,0% мицелл SiO2 размером 13-15 нм и удельной поверхностью 181-210 м2/г.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в составе суспензии лицевого слоя используют концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный с удельной поверхностью 6000-8000 см2/г.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве огнеупорного зернистого наполнителя в составе самотвердеющей смеси используют зернистый белый электрокорунд фракций от F100 до F30.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве отвердителя используют порошок оксида магния MgO с удельной поверхностью зёрен 5000-5500 см2/г.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что самотвердеющую смесь перед прессованием стержня-сырца подвергают вакуумированию.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прессование стержней-сырцов производят в металлические пресс-формы с использованием самотвердеющих смесей.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют армирование запрессованных стержней-сырцов за счёт установки жеребеек.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют сушку запрессованных стержней-сырцов в гипсовых драйерах.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют пропитку просушенных стержней кремнийорганической жидкостью.
11. Способ изготовления керамических стержней в литье по выплавляемым моделям с использованием самотвердеющих смесей, включающий приготовление самотвердеющей смеси, изготовление стержней-сырцов и их сушку, отличающийся тем, что стержни-сырцы изготавливают прессованием в металлические одноместные или многоместные пресс-формы с использованием самотвердеющих на воздухе смесей, прошедших вакуумирование и включающих готовую к применению суспензию лицевого слоя на основе кислого водно-коллоидного связующего, огнеупорный наполнитель в виде зернистого белого электрокорунда и порошкообразный отвердитель в виде оксида щелочноземельного металла, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| огнеупорный наполнитель | 0,01-21,0 |
| порошкообразный отвердитель | 4,0-7,5 |
| готовая к применению суспензия лицевого слоя | остальное, |
при этом используют готовую к применению суспензию лицевого слоя следующего состава, мас.%:
| кислое водно-коллоидное связующее | 43,0-47,0 |
| поверхностный модификатор – алюминат кобальта | 4,0-12,0 |
| концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный | 45,0-49,0, |
а сушку запрессованных стержней-сырцов производят по режиму:
- загрузка стержней-сырцов в холодную печь;
- нагрев до температуры 100°С со скоростью ≤5°С/мин;
- выдержка при температуре 100°С до полного удаления внесённой влаги, но не менее 6 часов;
- охлаждение с печью до температуры 20°С.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что в составе суспензии лицевого слоя используют кислое водно-коллоидное связующее с pH 3,5-4,5, содержащее 27,5-30,0% мицелл SiO2 размером 13-15 нм и удельной поверхностью 181-210 м2/г.
13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что в составе суспензии лицевого слоя используют алюминат кобальта с удельной поверхностью 7000-10000 см2/г.
14. Способ по п. 11, отличающийся тем, что в составе суспензии лицевого слоя используют концентрат дистен-силлиманитовый порошкообразный с удельной поверхностью 6000-8000 см2/г.
15. Способ по п. 11, отличающийся тем, что в качестве огнеупорного наполнителя в составе самотвердеющих смесей используют зернистый белый электрокорунд фракций от F100 до F30.
16. Способ по п. 11, отличающийся тем, что в качестве отвердителя используют порошок оксида магния MgO с удельной поверхностью зёрен 5000-5500 см2/г.
17. Способ по п. 11, отличающийся тем, что самотвердеющую смесь перед прессованием стержня-сырца подвергают вакуумированию.
18. Способ по п. 11, отличающийся тем, что прессование стержней-сырцов производят в металлические пресс-формы с использованием самотвердеющих смесей.
19. Способ по п. 11, отличающийся тем, что осуществляют армирование запрессованных стержней-сырцов за счёт установки жеребеек.
20. Способ по п. 11, отличающийся тем, что осуществляют сушку запрессованных стержней-сырцов в гипсовых драйерах.
21. Способ по п. 11, отличающийся тем, что осуществляют пропитку просушенных стержней кремнийорганической жидкостью.
22. Способ изготовления керамических стержней в литье по выплавляемым моделям с использованием самотвердеющих смесей, включающий приготовление самотвердеющей смеси, изготовление стержней-сырцов и их сушку, отличающийся тем, что стержни-сырцы изготавливают прессованием в металлические одноместные или многоместные пресс-формы с использованием самотвердеющих на воздухе смесей, прошедших вакуумирование и включающих готовую к применению суспензию лицевого слоя на основе кислого водно-коллоидного связующего, огнеупорный наполнитель в виде зернистого белого электрокорунда и порошкообразный отвердитель в виде оксида щелочноземельного металла, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| огнеупорный наполнитель | 0,01-20,5 |
| порошкообразный отвердитель | 4,5-6,5 |
| готовая к применению суспензия лицевого слоя | остальное, |
при этом используют готовую к применению суспензию лицевого слоя следующего состава, мас.%:
| кислое водно-коллоидное связующее | 21,0-23,0 |
| микропорошок белого электрокорунда фракции F360 | 56,0-60,0 |
| микропорошок белого электрокорунда фракции F1000 или F1200 | 19,0-21,0, |
а сушку запрессованных стержней-сырцов производят по режиму:
- загрузка стержней-сырцов в холодную печь;
- нагрев до температуры 100°С со скоростью ≤5°С/мин;
- выдержка при температуре 100°С до полного удаления внесённой влаги, но не менее 6 часов;
- охлаждение с печью до температуры 20°С.
23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что в составе суспензии лицевого слоя используют кислое водно-коллоидное связующее с pH 3,5-4,5, содержащее 27,5-30,0% мицелл SiO2 размером 13-15 нм и удельной поверхностью 181-210 м2/г.
24. Способ по п. 22, отличающийся тем, что в качестве огнеупорного наполнителя в составе самотвердеющих смесей используют зернистый белый электрокорунд фракций от F100 до F30.
25. Способ по п. 22, отличающийся тем, что в качестве отвердителя используют порошок оксида магния MgO с удельной поверхностью зёрен 5000-5500 см2/г.
26. Способ по п. 22, отличающийся тем, что самотвердеющую смесь перед прессованием стержня-сырца подвергают вакуумированию.
27. Способ по п. 22, отличающийся тем, что прессование стержней-сырцов производят в металлические пресс-формы с использованием самотвердеющих смесей.
28. Способ по п. 22, отличающийся тем, что осуществляют армирование запрессованных стержней-сырцов за счёт установки жеребеек.
29. Способ по п. 22, отличающийся тем, что осуществляют сушку запрессованных стержней-сырцов в гипсовых драйерах.
30. Способ по п. 22, отличающийся тем, что осуществляют пропитку просушенных стержней кремнийорганической жидкостью.
