УДК 669.742

Изготовление керамических форм для литья по выплавляемым моделям на основе связующего Remasol Premium Plus

Казанцев Игорь Алексеевич – кандидат технических наук, профессор кафедры сварочного, литейного производства и материаловедения Пензенского государственного университета.

Казанцев Алексей Игоревич

– ведущий инженер – механик Акционерного общества Научно-производственного предприятия «Рубин», г. Пенза.

Казанцева Татьяна Григорьевна – учитель-логопед Муниципального дошкольного образовательного учреждения детского сада № 109 «Планета детства», г. Пенза.

Аннотация: В материале проанализированы условия процесса формирования керамических оболочек (КО) при изготовлении форм для литья по выплавляемым моделям на основе водного связующего Remasol Premium Plus. Рассмотрен механизм формирования КО на водном связующем и гидролизованном этилсиликате. Определены основные технолгические параметры процесса, обеспечивающие получение оболочковых форм с требуемыми физико-механическими свойствами. Представлены основные операции технологического процесса, обеспечивающие получение литых заготовок и изделий высокого качества. Разработаны рациональные параметры изготовления КО для широкой номенклатуры отливок, включая отливки сложной конфигурации, такие, например, как турбинные лопатки и колеса на основе никелеевых сплавов.

Ключевые слова: связующее, оболочковая форма, модель, образцы, прочность, процесс сушки.

Литье по выплавляемым моделям один из наиболее распространенных методов при изготовлении отливок широкой номенклатуры, сложной конфигурации и высокого качества из любых литейных сплавов. Метод литья по выплавляемым моделям особенно востребован для отливок из специальных металлов и сплавов. Технология изготовления КО предполагает следующую последовательность технологических операций: подготовка модельного состава на основе воска; изготовление суспензии из связующего и огнеупорного порошка-наполнителя; изготовление модели требуемых размеров и формы; поочередное нанесение на восковую модель суспензии и наполнителя до момента получения многослойной КО, толщиной 10-12 мм; сушка КО; удаление – вытопка модели из оболочки; прокаливание-обжиг КО; установка КО в контейнер и ее засыпка по периметру огнеупорным материалом; заливка полученной формы расплавом; после кристаллизации металла в форме оболочку разрушают; очистка отливки от остатков КО; контроль качества отливки; термическая и механическая обработка отливки, при необходимости. При реализации технологического процесса, в частности, на этапе изготовления КО используют суспензии необходимой вязкости, и керамический наполнитель различной степени дисперсности. Полученная КО рациональной толщины должна обладать требуемой прочностью, достаточной для осуществления процесса вытопки восковой модели из формы при помощи пара или методом «масса в массе – восковую модель в расплавленном воске». Как показывает практика, последнему способу отдается предпочтение. Сушки и последующий обжиг обеспечивают получение форм требуемых физико-механических свойств, необходимых для заливки жидким металлом Высокотемпературное связующее играет первостепенную роль в процессе формирования КО. Высокая термостойкость КО позволяет использовать их для заливки тугоплавких металлов, использовать в тонкостенном и прецизионном литье [1, 2].

При изготовлении керамических оболочек предпочтение отдается традиционной технологии формирования КО – использование в качестве огнеупорного связующего гидролизованного этилсиликата. Эта технология совершенна в части стабильности и требуемого уровня физико-механических свойств. Однако имеет ряд существенных недостатков, например, использование прекурсоров, сложность копирования и воспроизводства, даже в условиях одной отрасли, экологическая небезопасность процесса, особые условия подготовки суспензии и сушки КО. Указанных недостатков лишены технологии литья по выплавляемым моделям, в основу которых заложено использование водных связующих, позволяющих применять силикатный гидрозоль (диоксид кремния – кремнезоль). Следует отметить, что как при применении традиционных технологий изготовления, так и новых, формирование КО проходит по одному и тому же механизму – соединение частиц двуокиси кремния (SiO2) с огнеупорными ингредиентами, в процессе гелеобразования или конденсации.

Связующее на спиртовой (традиционная технология) или водной (новая технология) основе предполагает два наиболее ответственных этапа при реализации технолоического процесса – этап сушки и этап прокаливания КО. Наиболее тщательно следует подходить к этапу сушки, поскольку условия формирования КО необходимой прочности закладываются именно на этой стадии – недостаточная прочность на этаме сушки чаше всего приводит к растрескиванию оболочки на этапе вытопки восковой модели и реже на этапе обжига. Поэтому этапу сушки уделяется более пристальное внимание при изготовлении КО, чем другим. При этом успешное формирование КО и формы в целом не может быть реализовано без строжайшего выполнения всех технологических операций.

Соединения на основе двуокиси кремния являются наиболее распространенным типом связующего, используемого при литье по выплавляемым моделям. При этом высокомолекулярный аморфный SiO2  образует пространственный каркас, который соединяется с ингредиентом – наполнителем огнеупорной суспензии. Форма каркаса, его сформированность напрямую влияют, как на предварительную прочность керамической оболочки, после сушки, так и на окончательную – после обжига.

Механизм формирования КО в спиртовом этилселикате или водном связующем принципиально отличается. Так процесс формирования оболочки основан на химической реакции взаимодействия, а на водной основе за счет поверхностного физического взаимодействия, что подтверждается работой автора [3].

Сферическая форма аморфные частицы двуокиси кремния в концентрации 20-30 % и с размером в 5-20 нм являются наиболее предпочтительными, поскольку обеспечивают требуемые условия формирования КО и необходимые физико-механические свойства форм.

Срок хранения водного связующего составляет около одного года, в том случае если обеспечены соответствующие условия хранения. Увеличению срока хранения способствует стабилизирующее воздействие соединения Na2O.

Испарение воды и коагуляция частиц двуокиси кремния являются основным условием затвердевания связующих на водной основе. Гелеобразная масса частиц двуокиси кремния обволакивает сформированный каркас огнеупорной системы связующее – наполнитель. Такого механизма придерживается и автор работы [4].

Возможность замены этилсиликатных связующих водными, давно привлекает производственников при изготовлении отливок литьем по выплавляемым, поскольку водным связующим характерны высокая живучесть, стабильность технологических свойств, приемлемая стоимость и отсутствие экологических проблем при реализации технологии. К числу таких связующих относится связующее на водной основе Remasol Premium Plus, возможность применения которого при литье по выплавляемым моделям использовали авторы работ [5, 6]. Результаты исследования авторов показывают на возможность применения водных связующих взамен связующих на основе этилселиката, поскольку обеспечиваются необходимые физико-механические свойства керамических оболочковых форм.

Составы и технологические параметры изготовления оболочковых форм на водном связующем Remasol Premium Plus, представлены в таблице 1.

Образцы просушивали на спокойном воздухе при температуре 20-22 °С – первый вариант и обдуве воздухом при температуре 25-28 °С – второй вариант, как наиболее предпочтительный [7, 8]. Затем образцы прокаливали в печи Nabertherm при температурах 1000-1200 °С и времени выдержки до 12 ч.

Прочность оболочковых форм оценивали испытанием образцов на статический изгиб при температуре 20-22 °С.

Таблица 1. Параметры изготовления оболочковых форм

Характеристики суспензии

Материал обсыпки

Режим сушки

Связующее

Наполнитель

Условная вязкость по ВЗ-4, с

Remasol Premium Plus

Микропорошок электрокорунда F1200

1 и 2 слои: 65-70; послед. слои: 30-35; закрепление: 30-35

1 и 2 слои: электрокорунд № 20;

3 и послед. слои: электрокорунд № 50

Для 1 и 2 слоев: выдержка на воздухе не менее 4 ч; для 3 и послед. слоев: выдержка

1 ч на воздухе

Сушка оболочковых форм в технологии литья по выплавляемым моделям составляет около 30% от общего времени реализации технологического процесса. Кроме того при изготовлении КО в 10-20% случаев происходит разрушение форм в результате образования трещин и в особенности в местах сопряжения отдельных элементов отливки, что объясняется недостаточной прочностью КО на этапе сушки, что приводит к растрескиванию оболочки на этапе вытопки восковой модели и реже на этапе обжига.

Известно, что прочность, размерная точность и точность массы отливок в большей степени зависит от параметров режима сушки – удаления влаги.

При исследовании влияние параметров процесса удаления влаги в процессе формирования КО на этапах предварительной сушки и последующего прокаливания, установлено, что около 15-25 % влаги удаляется при предварительном просушивании до температуры 20-22 °С (первый вариант) и 55-60 % влаги удаляется при предварительном просушивании до температуры 25-28 °С (второй вариант). При последующем прокаливании до 80 % оставшейся влаги удаляется до температуры 200 °С. Дальнейшее увеличение температуры покаливания (до 1000 °С) и времени выдержки (до 12 ч.) не приводит к заметному изменению прочностных свойств оболочковых форм. Однако следует отметить, что наиболее рациональные условия формирования прочностных свойств оболочковых форм обеспечиваются при втором варианте удаления влаги, подтверждением чему служат показатели прочности на изгиб. Так, прочность на изгиб при сушке на спокойном воздухе при температуре 20-22 °С составляет 20-22 МПа, а обдуве воздухом при температуре 25-28 °С – 24-26 МПа. Увеличение температуры прокаливания с 1000 до 1200 °С приводит к увеличению прочности оболочковых форм, как при первом, так и при втором вариантах предварительного просушивания форм. Прочность на изгиб при сушке на спокойном воздухе при температуре 20-22 °С и прокаливании при температуре 1200 °С составляет 24-26 МПа, а обдуве воздухом при температуре 25-28 °С и прокаливании при температуре 1200 °С соответственно 30-32 МПа. В этой связи можно сделать однозначный вывод о соблюдении условия необходимой прочности керамических оболочковых форм – 25 МПа и более.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности использования водных связующих, в частности Remasol Premium Plus, взамен связующих на основе этилсиликата.

На основании представленных результатов можно рекомендовать следующие параметры технологического процесса изготовления оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям:

а) связующие на водной основе, в частности Remasol Premium Plus, обеспечивают соблюдении условия необходимой прочности керамических оболочковых форм – 25 МПа и более;

б) темпера сушки керамических оболочек должна составлять 25-28 °С;

в) температура прокаливания керамических оболочек должна находится в интервале 1000 до 1200 °С, при этом прочность форм увеличивается на 15-20%;

г) сушка на спокойном воздухе при температуре 20-22 °С и обдуве воздухом при температуре 25-28 °С обеспечивают соблюдении условия необходимой прочности керамических оболочковых форм – 25 МПа и более;

д) наиболее рациональная температура прокаливания керамических оболочковых форм должна составлять не менее 1200 °С.

Представленные параметры технологического процесса были опробированы при получении отливок турбинных лопаток и колес в условиях среднесерийного производства при изготовлении двигателей с турбонаддувом. Стендовые и натурные испытания двигателей внутреннего сгорания подтвердили высокое качество и надежность работы турбин с лопатками и колесами, полученными по предлагаемой технологии.

Список литературы

  1. Способ изготовления форм для литья по выплавляемым моделям: пат. 2505376 Рос. Федерация: МПК51 B22C 9/04 / Г. И. Нечитайлов, О. Г. Кудашов, А. С. Грибанов и др.; заявитель и патентообладатель ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева" RU. – № 2012123303/02; заявл. 05.06.2012; опубл. 27.01.2014.
  2. Усовершенствованный способ изготовления оболочковой формы для выполнения лопаточных элементов авиационного 127 газотурбинного двигателя посредством литья по выплавляемым моделям: пат. 2685614 Рос. Федерация: МПК51 B22C 9/04 / Ф. Марк, В. Докуа, Э. Эбершвейле; заявитель и патентообладатель Сафран Эркрафт Энджинз FR. – № 2017103750; заявл. 29.06.2015; опубл. 22.04.2019.
  3. Суспензия огнеупорная для оболочковых форм по выплавляемым моделям: пат. 2503520 Рос. Федерация: МПК51 B22C 1/16 / В. К. Дубровин, Б. А. Кулаков, А. В. Карпинский и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" RU. – № 2012122304/02; заявл. 29.05.2012; опубл. 10.01.2014.
  4. Мухамадеев И.Р. Выбор связующих на водной основе для оболочковых форм литья по выплавляемым моделям титановых сплавов / И.Р. Мухамадеев, О.Б. Деменок, А.А. Ганеев и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». – 2015. – Т. 15, № 3. С. 95–104.
  5. Казанцев И. А. Связующее на водной основе Remasol Premium Plus для оболочковых форм литья по выплавляемым моделям / И. А. Казанцев, А. А. Корнеев, А. И. Казанцев и др. // Аллея науки. – 2023. – № 3 (78), (1 том). – С 281-284.
  6. Казанцев И.А. Опыт применения связующего на водной основе Remasol Premium Plus для оболочковых форм литья по выплавляемым моделям / И. А. Казанцев, А. А. Корнеев, А. И. Казанцев и др. // Аллея науки. – 2023. – № 4 (79), (1 том). – С 217-221.