Способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям

Название	Способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям
Разработчик (Авторы)	Знаменский Леонид Геннадьевич, Ивочкина Ольга Викторовна, Степанова Татьяна Викторовна, Ермоленко Андрей Александрович, Шелков Владимир Михайлович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2748251
Дата регистрации	21.05.2021
Правообладатель	Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)"
Область применения (класс МПК)	B22C 1/10 (2006.01) B22C 9/04 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления керамических форм и стержней из огелиеваемых суспензий по постоянным моделям.

Широко известны способы изготовления керамических форм и стержней по Шоу-процессу (Производство точных отливок / И. Дошкарж, Я. Габриель, М. Гоушть и др. - М.: Машиностроение, 1979. - 296 с.; Стрюченко, А.А. Керамические формы в точном литье по постоянным моделям / А.А. Стрюченко, Э.В. Захарченко. - М.: Машиностроение, 1988. - 128 с.).

Недостатками указанных способов являются нестабильность продолжительности отверждения суспензий, низкие прочностные характеристики керамики, склонность к образованию в ней крупных трещин.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям (Пат.2157292 Российская Федерация, МПК7 В22С 9/04. Способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям / С.А. Никифоров, А.В. Афонаскин, М.В. Никифорова. - 99106164/02; заявл. 24.03.1999; опубл. 10.10.2000, Бюл. №28). В соответствии с ним осуществляют изготовление керамических форм и стержней по постоянным моделям, включающее приготовление суспензии на основе огнеупорного наполнителя и кремнеземного гидролизованного раствора этилсиликата, приготовление гелеобразователя, введение гелеобразователя в суспензию при непрерывном перемешивании, заполнение формообразующей оснастки готовой суспензией, выдержку для отверждения форм и стержней в оснастке, извлечение модели из формы или стержня из оснастки, сушку, сборку и прокалку. Причем гелеобразователь приготавливают в виде композиции из порошкообразного наполнителя, органоминерального химического компонента и вещества, регулирующего водородный показатель гелеобразователя.

Этот способ, взятый в качестве прототипа, хотя и обеспечивает стабильность отверждения суспензии, характеризуется следующим рядом существенных недостатков:

- Поскольку используются порошкообразные компоненты гелеобразователя, не удается равномерно распределить их в объеме сложнопрофильных керамических форм и стержней, что приводит к формированию при этом крупных трещин.

- При подготовке кремнеземного связующего применяется дорогостоящий, экологически опасный этилсиликат, который подвергается длительному гидролизу в среде пожароопасного спирта с применением вредной соляной кислоты.

- Наличие этилового спирта в керамике вызывает необходимость его выжигания, что делает технологический процесс пожароопасным и экологически вредным.

- Присутствие органических веществ в форме обуславливает высокие температуру прокалки и длительность для их удаления и формирования требуемой структуры и свойств керамики.

- Прочность форм и стержней после отверждения суспензии имеет низкие значения, что приводит к браку отливок, в особенности сложнопрофильных.

В основу изобретения положена техническая задача - разработка способа изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям, который обеспечил бы уменьшение длительности формообразования и повышения физико-механических характеристик керамических форм и стержней для улучшения качества изготовления точных отливок, в особенности сложнопрофильных. При этом следует обеспечить безопасность жизнедеятельности на стадиях подготовки связующего, гелеобразователя и удаления растворителя.

Указанная задача решается таким образом, что в способе изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям, включающем подготовку керамической суспензии на основе огнеупорного наполнителя и кремнеземном связующем, приготовление гелеобразователя, введение гелеобразователя в суспензию при непрерывном перемешивании, заполнение формообразующей оснастки готовой суспензией, выдержку для отверждения форм и стержней в оснастке, извлечение модели из формы или стержня из оснастки, прокалку, согласно изобретению суспензию приготавливают на кремнезольном связующем, а гелеобразователь готовят путем разбавления алюмборфосфатного концентрата водой до плотности раствора 1150-1300 кг/м3 и после его введения при перемешивании в суспензию, заполняют ею формообразующую оснастку, дополнительно устанавливают керамические трубки, и перед прокаливанием осуществляют удаление растворителя электрическим импульсным током мощностью 600-2000 Вт.

Приготовление суспензии на кремнезольном водном связующем улучшает экологическую обстановку, устраняет пожароопасность, обеспечивает высокие физико-механические характеристики керамических форм и стержней по постоянным моделям.

Подготовка гелеобразователя путем разбавления алюмоборфосфатного концентрата до плотности 1150-1300 кг/м3 создает условия для равномерного распределения жидкого, а не порошкообразного, как в прототипе, гелеобразователя в объеме керамической суспензии. Это приводит к ускорению формообразования и исключению образования крупных трещин в керамике. При этом формируется мелкая сетка трещин, необходимая для газопроницаемости керамики.

Установка керамических трубок после заполнения суспензией формообразующей оснастки обеспечивает надежное и стабильное удаление растворителя из керамики на последующей стадии процесса при воздействии импульсных электрических токов. Это удаление растворителя является объемным, а не поверхностным, как в большинстве нагревательных электрических печей.

В результате ускоряется изготовление керамических форм и стержней по постоянным моделям и обеспечивается их высокая трещиноустойчивость, а также создаются условия для снижения температуры и продолжительности последующей прокалки.

Таким образом отличительные признаки в своей совокупности вызывают ускорение формообразования и повышение физико-механических свойств керамических форм и стержней, что улучшает качество изготовления точных отливок, в особенности сложнопрофильных из легированных сталей.

Заявленный способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям осуществляют следующим образом.

Осуществляют подготовку керамической суспензии из огнеупорного наполнителя, например, смеси пылевидного кварца и кварцевого песка или плавленного кварца разной дисперсности, а также кремнеземного связующего, в качестве которого используют кремнезоль основной. Приготовление суспензии ведут путем перемешивания ингредиентов в мешалке с частотой вращения крыльчатки 1500-1800 об./мин. в течение 30-40 мин. Затем приготавливают гелеобразователь. Для этого в исходный водный раствор алюмоборфосфатного концентрата заливают воду до плотности раствора 1150-1300 кг/м3.

При плотности водного раствора алюмоборфосфатного концентрата меньше, чем 1150 кг/м3 не удается обеспечить стабильного и равномерного отверждения суспензии в оснастке. Плотность указанного гелеобразователя больше, чем 1300 кг/м3 вызывает преждевременное выпадение геля в отдельных микрообъемах суспензии. Это значительно снижает прочностные характеристики керамики. Затем вводят гелеобразователь в подготовленную ранее суспензию при непрерывном перемешивании. Заливают суспензию в формообразующую оснастку и устанавливают в нее керамические трубки. В зависимости от количества гелеобразователя происходит отверждение суспензии в оснастке в течении 5-15 мин. Форму или стержень устанавливают в СВЧ-печь для удаления растворителя, где при чистоте 2450 МГц воздействуют импульсными электрическими токами мощностью 600-2000 Вт в зависимости от массы формы или стержня.

При мощности меньше, чем 600 Вт не обеспечивается качественное удаление растворителя, что вызывает брак керамических форм, стержней и точных отливок. Мощность импульсных электрических токов больше, чем 2000 Вт не целесообразна по причине неоправданных затрат энергии.

Окончательным этапом является прокалка керамических форм и стержней. При чем в отличии от аналогов и прототипа удается существенно снизить температуру и продолжительность прокалки, которые составляют 350-600°С и 30-90 мин в зависимости от габаритов форм и стержней. Это уменьшает энергоемкость и повышает эффективность этого способа литья точных отливок, в особенности сложнопрофильных из легированных сталей.

Предлагаемый способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Готовят керамическую суспензию из кремнезоля основного (20% масс.) и огнеупорного наполнителя (80% масс). В качестве последнего используют смесь пылевидного кварца и плавленого зернистого кварца, взятых в соотношении 1:1 по массе. Подготовку суспензии осуществляют путем перемешивания ингредиентов в мешалке с частотой вращения крыльчатки 1500 об/мин в течение 30 мин. Затем приготавливают гелеобразователь. Для этого в исходный раствор алюмоборфосфатного концентрата заливают воду для получения раствора разной плотности: 1150; 1250; 1300 кг/м3. Три вида гелеобразователя с разной плотностью вводят соответственно в три емкости с подготовленной керамической суспензией из расчета 10% масс гелеобразователя к массе суспензии при ее непрерывном перемешивании. Затем три вида суспензии заливают в оснастку (три опоки с моделями). Устанавливают в затвердевающую суспензию в оснастке керамические трубки диаметром 5-8 мм и толщиной 2-3 мм с интервалом 3 5 см. Они армируют керамику, повышают ее прочность и трещиноустойчивость, а также обеспечивают стабильное ускоренное удаление растворителя при последующем воздействии импульсных электрических токов. Выдерживают суспензию в оснастке для формирования форм, по окончании чего удаляют постоянные модели. Формы помещают в СВЧ-печь, где при чистоте 2450 МГц и мощности 800 Вт в течение 2 минут осуществляют удаление растворителя. Окончательным этапом является прокалка форм и заливка в них расплавленного металла с получением отливок из стали 20ГЛ. Параллельно изготавливают керамические формы согласно прототипу. Сравнительные данные по характеристикам форм и отливок представлены в табл. 1.

Анализ полученных результатов показывает, что заявленный способ позволяет существенно сократить цикл формообразования и улучшить физико-механические характеристики керамических форм при снижении энергоемкости их изготовления. Это обеспечивает снижение брака точных отливок и повышение качества их изготовления.

Пример 2. Изготовление керамических стержней осуществляют аналогично способу, представленному в примере 1. При этом подготовку гелеобразователя проводят путем разбавления водного раствора алюмоборфосфатного концентрата до плотности 1250 кг/м3. В ходе испытаний варьируют мощность электрических токов для удаления растворителя из керамики в СВЧ-печи: 600; 1200; 2000 Вт. Влияние мощности электрических токов на свойства керамических стержней представлена в табл.2. Удаление растворителя из керамических стержней путем воздействия импульсных электрических токов позволяет повысить прочностные характеристики керамики и снизить температуру и продолжительность ее прокалки. Это улучшает качество изготовления точных отливок, в особенности сложнопрофильных из легированных сталей.

Учитывая повышенные свойства керамических форм и стержней, технологичность, заявленный способ их изготовления может быть использован практически в любых отечественных и зарубежных цехах точного литья в керамические формы из огеливаемых суспензий по постоянным моделям.

Формула изобретения

Способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям, включающий подготовку керамической суспензии на основе огнеупорного наполнителя и кремнеземного связующего, приготовление гелеобразователя, введение гелеобразователя в суспензию при непрерывном перемешивании, заполнение формообразующей оснастки готовой суспензией, выдержку для отверждения форм и стержней в оснастке, извлечение модели из формы или стержня из оснастки и их прокаливание, отличающийся тем, что в качестве кремнеземного связующего используют кремнезоль основной, гелеобразователь готовят путем разбавления алюмоборфосфатного концентрата водой до плотности раствора 1150-1300 кг/м3, после заполнения суспензией формообразующей оснастки устанавливают в затвердевающую суспензию керамические трубки, после извлечение модели из формы или стержня из оснастки на них воздействуют электрическими импульсными токами мощностью 600-2000 Вт с частотой 2450 МГц, а прокаливание осуществляют при температуре 350-600°С в течение 30-90 минут.

Изобретение "Способ изготовления керамических форм и стержней по постоянным моделям" (Знаменский Леонид Геннадьевич, Ивочкина Ольга Викторовна, Степанова Татьяна Викторовна, Ермоленко Андрей Александрович, Шелков Владимир Михайлович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога