RU2185923C1 - Method for manufacture of removable investment patterns - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: method involves manufacturing investment pattern from material such as 0.1-0.63 mm fraction pellets of sodium tetraborate clad with investment pattern composition, with volumetric ratio of investment pattern material components being, %: investment pattern composition 10-65; sodium tetraborate 35-90; providing dosed dispensing of investment pattern material into mold in an amount providing for manufacture of investment patterns with porosity of 1.5-3%. Investment pattern material is molded without preliminary heating by aligning detachment surfaces of mold under vacuum of 0.1 MPa. During pressing powdered investment pattern material is caked without substantial development of phase deformation processes and with formation of open capillary porosity allowing investment pattern expansion to be compensated during heating of investment pattern in the process of melting it from ceramic enclosure. Method is used for investment casting. EFFECT: increased efficiency by improved dimensional and geometric precision of investment patterns and ingots. 1 tbl

Description

Изобретение относится к способам изготовления удаляемых моделей в литье по выплавляемым удаляемым моделям и может быть использовано в машиностроительной отрасли народного хозяйства. The invention relates to methods for manufacturing deleted models in investment casting and can be used in the engineering industry of the national economy.

Известен способ изготовления пористых выплавляемых моделей, т.е. удаляемых моделей из пастообразного модельного материала [Литье по выплавляемым моделям /В. Н. Иванов, С.А.Кузеннов, Б.С.Курчман и др.; под общ. ред. Я.И. Шкленника, В. А. Озерова. - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. С.133-136]. Пастообразные модельные материалы приготавливают охлаждением расплава при одновременном непрерывном перемешивании его до пастообразного состояния. Во время перемешивания модельного материала происходит замешивание воздуха, содержание которого регламентируется 20%. Для изготовления моделей используется пастообразный модельный материал строго регламентированной температуры, который под давлением подается в полость пресс-формы. A known method of manufacturing porous lost-wax models, i.e. deleted models from pasty model material [Lost wax casting / B. N. Ivanov, S.A. Kuzennov, B.S. Kurchman and others; under the general. ed. ME AND. Shklennik, V.A. Ozerov. - 3-ed., Revised. and add. - M.: Mechanical Engineering, 1984. S.133-136]. Pasty model materials are prepared by cooling the melt while continuously mixing it to a pasty state. During the mixing of the model material, air is kneaded, the content of which is regulated by 20%. For the manufacture of models, a paste-like model material of strictly regulated temperature is used, which is fed under pressure into the cavity of the mold.

Охлажденная в пресс-форме модель используется для изготовления оболочковых форм. The mold cooled in the mold is used to make shell molds.

Рассмотренный метод обладает рядом недостатков. При изготовлении моделей наблюдается неконтролируемое распределение воздуха по ее объему, что приводит к образованию поверхностных дефектов и недоливам. Концентрация воздуха, особенно в тонких частях модели, приводит к ее разрушению при извлечении из пресс-формы. Изменение температурных условий хранения удаляемых моделей приводит к искажению их геометрической формы, например, к вздутию или образованию утяжин. Искажение геометрической формы моделей наблюдается и при их затвердевании в пресс-форме, что требует четкого соблюдения технологических параметров таких, как температура процесса и давление формирования модели. The considered method has several disadvantages. In the manufacture of models, an uncontrolled distribution of air over its volume is observed, which leads to the formation of surface defects and underfilling. The concentration of air, especially in the thin parts of the model, leads to its destruction when removed from the mold. Changing the temperature storage conditions of deleted models leads to a distortion of their geometric shape, for example, to bloating or the formation of sagging. The distortion of the geometric shape of the models is also observed when they solidify in the mold, which requires strict observance of technological parameters such as process temperature and model formation pressure.

Модели, изготовленные рассматриваемым способом, оказывают влияние на возникновение брака оболочковых форм. Models made by the considered method have an effect on the appearance of marriage of shell forms.

Удаление модели из оболочковой формы сопровождается температурным расширением модельного материала и воздуха, блокированного в структуре модели. Так как процесс прогрева оболочки происходит неравномерно, то в зонах, наиболее удаленных от литниковой воронки, развиваются давления от температурного расширения, превышающие допустимые значения, что приводит к образованию трещин в структуре оболочки и, в некоторых случаях, к их разрушению. В данном случае сконцентрированный в одном месте воздух не может компенсировать температурные деформации модели. Removal of the model from the shell mold is accompanied by thermal expansion of the model material and air blocked in the structure of the model. Since the process of heating the shell occurs non-uniformly, pressures from thermal expansion exceeding the permissible values develop in zones farthest from the gate funnel, which leads to the formation of cracks in the shell structure and, in some cases, to their destruction. In this case, air concentrated in one place cannot compensate for temperature deformations of the model.

Под действием давления расплав модельного материала проникает в структуру оболочковой формы, оказывает расклинивающее действие при термообработке оболочки, значительно понижая ее прочность. Under the influence of pressure, the melt of the model material penetrates the structure of the shell mold, has a proppant effect during heat treatment of the shell, significantly reducing its strength.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления выплавляемых моделей из легкоплавкой модельной композиции, включающий расплавление модельной композиции, перемешивание расплава в емкости, создание вакуума в пресс-форме, находящейся в герметичном кожухе, и запрессовку модельной композиции в пресс-форму в условиях вакуума (Иванов В.Н. и др. Литье по выплавляемым моделям. М.: Машиностроение, 1984, с. 160). The closest in technical essence and the achieved result is a method of manufacturing investment models from low-melting model composition, including melting the model composition, mixing the melt in the tank, creating a vacuum in the mold located in a sealed casing, and pressing the model composition into the mold in conditions vacuum (Ivanov V.N. et al. Lost wax casting. Moscow: Mashinostroenie, 1984, p. 160).

Способ позволяет снизить брак моделей по утяжинам и вздутиям. The method allows to reduce the marriage of models for weights and swellings.

Однако рассматриваемый способ-прототип изготовления выплавляемых моделей содержит ряд недостатков, препятствующих получению требуемого технического результата. However, the prototype method under consideration for manufacturing investment castings has a number of disadvantages that impede the achievement of the required technical result.

При реализации способа-прототипа необходим строгий контроль за соблюдением температурного режима изготовления и хранения моделей. Изготовление моделей сопровождается появлением брака по недоливам, образующегося в результате противодавления воздуха в полости пресс-формы; утяжинам и короблению, являющихся следствием усадочных процессов при затвердевании и охлаждении многокомпонентного модельного материала, имеющего широкий интервал кристаллизации. Существует вероятность нарушения размерной и геометрической точности моделей от вздутия или утягивания при несоблюдении условий их хранения. Изготовление моделей сопровождается образованием неконтролируемой закрытой пористости, которая не компенсирует температурное расширение модели до ее расплавления при удалении из оболочковой формы. When implementing the prototype method, strict control over compliance with the temperature regime for the manufacture and storage of models is required. The manufacture of models is accompanied by the appearance of defects in underfillings resulting from backpressure of air in the mold cavity; weights and warpage resulting from shrinkage processes during hardening and cooling of a multicomponent model material having a wide crystallization interval. There is a possibility of violation of dimensional and geometric accuracy of the models from bloating or pulling when storage conditions are not observed. The production of models is accompanied by the formation of uncontrolled closed porosity, which does not compensate for the thermal expansion of the model until it melts when removed from the shell mold.

Эти и другие недостатки устраняются предлагаемым техническим решением. These and other disadvantages are eliminated by the proposed technical solution.

Задача, решаемая заявленным способом изготовления выплавляемых моделей, заключается в повышении размерной и геометрической точности получаемых моделей и отливок и физико-механических свойств оболочковых форм. The problem solved by the claimed method for manufacturing investment castings is to increase the dimensional and geometric accuracy of the resulting models and castings and the physicomechanical properties of shell molds.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагается изготавливать удаляемые модели прессованием в вакууме, в качестве модельного материала используют плакированные модельной композицией гранулы тетрабората натрия фракции 0,1-0,63 мм при следующем соотношении компонентов по объему: модельная композиция 10-65%, тетраборат натрия 35-90%, модельный материал дозируют в пресс-форму в количестве, обеспечивающем получение моделей с пористостью 1,5-3%, при этом прессование модельного материала осуществляют без предварительного нагрева посредством совмещения поверхностей разъемов пресс-формы, а величина вакуума составляет - 0,1 МПа. The essence of the invention lies in the fact that it is proposed to produce removable models by pressing in vacuum, as a model material, granules of sodium tetraborate clad in a fraction of 0.1-0.63 mm fraction plated with a model composition are used in the following ratio of components by volume: model composition 10-65%, tetraborate sodium 35-90%, the model material is dosed into the mold in an amount that provides models with porosity of 1.5-3%, while pressing the model material is carried out without pre-heating alignment surfaces of the mold plugs and vacuum value is - 0.1 MPa.

Причинно-следственная связь между существенными признаками и достигаемым техническим решением осуществляется посредством способности плакированных модельной композицией гранул тетрабората натрия спекаться при прессовании в вакууме практически без образования жидкой фазы и, как следствие, без фазовых деформационных процессов и противодействия воздуха с образованием открытой капиллярной пористости, что позволяет сократить брак при изготовлении моделей, повысить их размерную и геометрическую точность, повысить прочность оболочковых форм и снизить их потери при удалении и прокаливании моделей, повысить качество поверхности отливок и их точность. A causal relationship between the essential features and the technical solution achieved is achieved through the ability of the sodium tetraborate granules clad with a model composition to sinter when pressed in vacuum with virtually no formation of a liquid phase and, as a result, without phase deformation processes and air counteraction with the formation of open capillary porosity, which allows reduce defects in the manufacture of models, increase their dimensional and geometric accuracy, increase the strength of the shells shapes and reduce their loss during removal and calcination of models, improve the surface quality of castings and their accuracy.

Изготовление удаляемых моделей предлагаемым методом имеет ряд преимуществ перед существующими способами. Полностью устраняется брак моделей при их изготовлении. Поступающий в определенном количестве (для обеспечения 1,5-3% пористости моделей) в пресс-форму модельный порошкообразный материал равномерно распределяется по ее объему. При осуществлении вакуумирования и прессования (смыкания пресс-формы) материал заполняет все поднутрения и полости пресс-формы, предупреждая недоливы, т.к. воздух удаляется из пресс-формы. Качество поверхности получаемых данным способом моделей соответствует качеству поверхности пресс-форм и обладает характерным зеркальным блеском. The production of deleted models by the proposed method has several advantages over existing methods. Completely eliminated the marriage of models in their manufacture. Coming in a certain amount (to ensure 1.5-3% porosity of the models) in the mold model powdery material is evenly distributed over its volume. When vacuumizing and pressing (closing the mold), the material fills all the undercuts and cavities of the mold, preventing underfilling, because air is removed from the mold. The surface quality of the models obtained by this method corresponds to the surface quality of the molds and has a characteristic specular gloss.

Вышеизложенное справедливо для плакированного модельной композицией порошка тетрабората натрия (Na₂B₄O₇•10H₂O) фракции 0,1-0,63 мм. При использовании более крупной фракции наблюдается разрушение гранул тетрабората натрия и плакирующей оболочки на поверхности моделей с образованием поверхностных дефектов в виде выщерблин, менее крупной - сопровождается комкованием, что затрудняет введение материала в пресс-форму.The foregoing is true for a fraction of 0.1-0.63 mm fraction clad with sodium tetraborate powder (Na ₂ B ₄ O ₇ • 10H ₂ O) plated by the model composition. When using a larger fraction, the destruction of granules of sodium tetraborate and a cladding shell on the surface of the models is observed with the formation of surface defects in the form of crevices, a smaller one is accompanied by clumping, which complicates the introduction of the material into the mold.

Использование модельной композиции рекомендованного процентного соотношения обусловливается качеством получаемых моделей. Увеличение процентного соотношения модельной композиции при плакировании ведет к ухудшению прочностных свойств модели, уменьшение - к снижению качества поверхности последних. Using the model composition of the recommended percentage is determined by the quality of the resulting models. An increase in the percentage of the model composition during cladding leads to a deterioration in the strength properties of the model, a decrease leads to a decrease in the surface quality of the latter.

Дозирование порошкообразного модельного материала в пресс-форму в меньших количествах, обеспечивающих получение моделей с пористостью более 3%, приводит к снижению физико-механических свойств моделей, в больших, обеспечивающих получение моделей с пористостью менее 1,5%, - технологически нецелесообразно, т.к. создается препятствие температурному расширению модели до ее расплавления плакирующего материала. Рекомендуемое разряжение модельного материала перед прессованием обуславливается достаточностью для осуществления технологического процесса. Dosing of powdered model material into the mold in smaller quantities, providing models with a porosity of more than 3%, leads to a decrease in the physicomechanical properties of models, while large models that provide models with a porosity of less than 1.5% are technologically impractical, t. to. an obstacle to the thermal expansion of the model to its melting cladding material. The recommended discharge of the model material before pressing is determined by the sufficiency for the implementation of the process.

Процесс удаления моделей, полученных заявляемым способом из оболочковых форм в горячей воде, сопровождается первоначальным расплавлением плакирующей оболочки гранул тетрабората натрия с их последующим растворением, что приводит к объемному сокращению моделей при расплавлении. При нагревании расширяющийся воздух удаляется из модели сквозь оболочковую форму посредством открытой пористости ее структуры. Образующаяся жидкая фаза модельного материала впитывается в модель под действием капиллярных сил, температурные расширения модели компенсируются пористостью и, образующимися вследствие растворения гранул тетрабората натрия, пустотами. The process of removing models obtained by the claimed method from shell forms in hot water is accompanied by an initial melting of the cladding shell of the sodium tetraborate granules with their subsequent dissolution, which leads to a volume reduction of the models during melting. When heated, expanding air is removed from the model through the shell form through the open porosity of its structure. The resulting liquid phase of the model material is absorbed into the model under the action of capillary forces, the temperature expansion of the model is compensated by porosity and voids formed as a result of dissolution of the sodium tetraborate granules.

Реализация заявляемого технического решения осуществляется следующим образом. The implementation of the proposed technical solution is as follows.

Приготавливается порошок, планированного модельной композицией тетрабората натрия, например фракции 0,3 мм в пропорциях: модельная композиция - 40%, тетраборат натрия - 60%. Готовый модельный материал дозируется в пресс-форму в количестве ~ 25 объемов изготавливаемой удаляемой модели для обеспечения ее 3%-ной пористости. Пресс-форма герметизируется, после чего в ней создается разряжение - 0,1 МПа. Под действием вакуума помещенный в пресс-форму материал прессуется посредством совмещения (смыкания) подвижных элементов пресс-формы. После прессования разряжение снимается, пресс-форма размыкается, модель удаляется при помощи толкателей. A powder is prepared, planned by the model composition of sodium tetraborate, for example, 0.3 mm fractions in the proportions: model composition - 40%, sodium tetraborate - 60%. The finished model material is dosed into the mold in an amount of ~ 25 volumes of the manufactured removable model to ensure its 3% porosity. The mold is sealed, after which a vacuum is created in it - 0.1 MPa. Under the action of vacuum, the material placed in the mold is pressed by combining (closing) the movable elements of the mold. After pressing, the vacuum is removed, the mold is opened, the model is removed using pushers.

Технологические свойства удаляемых моделей, изготовляемых заявляемым способом, представлены в таблице. The technological properties of the deleted models manufactured by the claimed method are presented in the table.

На основании анализа результатов технологических свойств удаляемых моделей, представленных в таблице, заявленные диапазоны изготовления моделей представляются предпочтительными. При этом какого-либо негативного влияния, препятствующего повторному использованию модельной композиции, со стороны тетрабората натрия выявлено не было. Based on the analysis of the results of the technological properties of the deleted models presented in the table, the declared ranges for the manufacture of models are preferable. At the same time, no sodium tetraborate was found to adversely affect the reuse of the model composition.

На основании вышеизложенного модель не оказывает силового воздействия на оболочковую форму и выплавляемая часть не пропитывает ее, а растворяемая - пропитывает, что позволяет повысить на 20-60% прочность оболочек до и после прокаливания, сократить их потери, повысить качество отливок по чистоте поверхности и точности. Based on the foregoing, the model does not exert a force effect on the shell mold and the melted part does not impregnate it, and the soluble part impregnates it, which makes it possible to increase the strength of the shells before and after calcination by 20-60%, reduce their loss, improve the quality of castings in terms of surface cleanliness and accuracy .

Промышленная применимость разработанного способа изготовления выплавляемых моделей обуславливается: сокращением затрат на приготовление модельной композиции; простотой осуществления технологической операции изготовления моделей; значительным снижением, а, в некоторых случаях, полным упразднением брака при изготовлении моделей; полным упразднением брака оболочковых форм при удалении моделей, а также на стадии их формирования, повышением их размерной и геометрической точности, прочностных свойств после прокаливания; повышением размерной и геометрической точности отливок, их качества поверхности, что приводит к значительному сокращению затрат на механическую обработку. Industrial applicability of the developed method for manufacturing investment castings is determined by: reducing the cost of preparing a model composition; the simplicity of the technological operation of the manufacture of models; a significant reduction, and, in some cases, the complete abolition of marriage in the manufacture of models; the complete abolition of marriage of shell forms during the removal of models, as well as at the stage of their formation, by increasing their dimensional and geometric accuracy, strength properties after calcination; increasing the dimensional and geometric accuracy of castings, their surface quality, which leads to a significant reduction in the cost of machining.

Claims (1)

Способ изготовления удаляемых моделей, включающий прессование модельного материала в пресс-форме в вакууме, отличающийся тем, что в качестве модельного материала используют плакированные модельной композицией гранулы тетрабората натрия фракции 0,1-0,63 мм при следующем соотношении компонентов по объему: модельная композиция 10-65%, тетраборат натрия 35-90%, модельный материал дозируют в пресс-форму в количестве, обеспечивающем получение моделей с пористостью 1,5-3%, при этом прессование модельного материала осуществляют без предварительного нагрева посредством совмещения поверхностей разъемов пресс-формы, а величина вакуума составляет -0,1 МПа. A method of manufacturing removable models, including pressing the model material in a mold in vacuum, characterized in that the model material used is sodium-tetraborate granules clad with a model composition of a fraction of 0.1-0.63 mm in the following ratio of components by volume: model composition 10 -65%, sodium tetraborate 35-90%, the model material is metered into the mold in an amount that provides models with porosity of 1.5-3%, while pressing the model material is carried out without first heating by combining the surfaces of the mold connectors, and the vacuum is -0.1 MPa.

Images