RU2685827C1 - Method of making a ceramic shell for casting on molten patterns - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacturing technology.SUBSTANCE: invention relates to the foundry. Ceramic shell for investment casting contains three zones: facing, intermediate and support. Facing and support zones are made by layer application of ethylsilicate suspension with subsequent dusting with granular fire-resistant material. Layers of intermediate zone are made by applying organic adhesive solution with subsequent dusting with granular fire-resistant material, at that calcined pulverized refractory of fraction smaller than 0.05 mm is introduced into organic adhesive solution to provide solution with viscosity of 15–25 s by VZ-4 viscometer.EFFECT: higher strength of shell and dimensional accuracy of obtained casting.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к литейному производству, в частности, к способам изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям и может быть использовано для получения отливок литьем по выплавляемым и другим разовым удаляемым моделям.The invention relates to foundry, in particular, to methods for producing ceramic shell molds for investment casting and can be used to produce castings by casting on investment casting and other disposable models.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ изготовления керамической оболочки для отливок с узкими развитыми внутренними полостями при литье по выплавляемым моделям по патенту RU №2277452 на изобретение. The closest analogue adopted for the prototype, is a method of manufacturing a ceramic shell for castings with a narrow developed internal cavities during casting on investment casting according to the patent RU №2277452 for the invention.

Способ-прототип изготовления керамической оболочки для получения отливок литьем по выплавляемым моделям включает нанесение на удаляемую модель суспензии с последующей обсыпкой зернистым материалом с образованием трех зон: облицовочной, промежуточной и опорной, с использованием в качестве зернистого материала для обсыпки слоев облицовочной и опорной зон зернистого огнеупора. Для слоев промежуточной зоны вместо суспензии используют органический быстросохнущий клеящий раствор, а в качестве зернистого материала обсыпки так же используют любой известный зернистый огнеупор. The prototype method of manufacturing a ceramic shell to obtain castings by investment casting involves applying a suspension to the model to be removed followed by sprinkling with granular material to form three zones: facing, intermediate and supporting, using as a granular material for sprinkling the layers of facing and supporting zones of granular refractory . For the layers of the intermediate zone, instead of a suspension, an organic quick-drying adhesive solution is used, and any known granular refractory material is also used as a granular sprinkling material.

Слои, образующие промежуточную зону, наносят окунанием модельного блока в быстросохнущий раствор органического клеящего вещества (например, 1-2% раствор канифоли в гидролизном спирте) с последующей обсыпкой тем же зернистым огнеупором. Каждый слой просушивают в течение 30-60 минут на воздухе. Нанесение слоев промежуточной зоны продолжается до полного заполнения внутренних полостей моделей, т.е. несколько слоев в зависимости от конфигурации поверхности модели.The layers forming the intermediate zone are applied by dipping the model block into a quick-drying solution of an organic adhesive (for example, a 1-2% solution of rosin in hydrolysis alcohol), followed by sprinkling with the same granular refractory. Each layer is dried for 30-60 minutes in air. The application of layers of the intermediate zone continues until the internal cavities of the models are completely filled, several layers depending on the configuration of the surface model.

В процессе прокаливания керамической оболочки органическое клеящее вещество сгорает и удаляется за счет газопроницаемости керамики. Зернистый огнеупор остается в несвязанном, свободном состоянии.In the process of roasting the ceramic shell, the organic adhesive is burned and removed due to the gas permeability of the ceramics. Granular refractory remains in unbound, free state.

Из недостатков способа можно отметить следующее.Of the disadvantages of the method include the following.

Данным способом промежуточный керамический слой оболочки формируется несвязанным зернистым огнеупором фракций 0,2 – 0,63 мм.In this way, the intermediate ceramic layer of the shell is formed by unbound granular refractories of fractions of 0.2-0.63 mm.

При прохождение деформационных процессов температурного расширения и сдвига в структуре керамической оболочки при выполнении технологических операций прокаливания и заливки расплавленным металлом промежуточный слой, сформированный несвязанным зернистым огнеупором фракции 0,2 – 0,63 мм, значительно понижает ее прочность и уменьшает размерную точность отливки. В некоторых случаях такие деформации являются причиной разрушения оболочек, уменьшения размерной точности отливок, приводящей к искажению их формы и необходимости последующей механической обработки.When deformation processes undergo thermal expansion and shear in the structure of the ceramic shell when performing technological operations on calcining and pouring molten metal, the intermediate layer formed by unbound granular refractory of a fraction of 0.2 - 0.63 mm significantly reduces its strength and reduces dimensional accuracy of the casting. In some cases, such deformations cause the shells to collapse, reduce the dimensional accuracy of castings, leading to a distortion of their shape and the need for subsequent mechanical processing.

Формирование промежуточной зоны керамической оболочки на модели с рельефной поверхностью, имеющей узкие развитые внутренние полости, многократным нанесением пусть и быстросохнущим связующим, приводит к увеличению технологического цикла ее сушки. Кроме того, образование объемных зон в структуре формы приведет к изменению тепловых режимов удаления моделей, затвердевания и охлаждения расплава металла, что приведет к короблению оболочки и, как следствие, нарушения точности отливки. Не исключается возможность разрушения этих зон при прокаливании керамических оболочек из-за большого содержания быстро испаряющегося газотворного материала – связующего и при их заливке расплавом металла - продавливанием.The formation of an intermediate zone of a ceramic shell on a model with a relief surface, having narrow developed internal cavities, with repeated application of a fast drying binder, leads to an increase in the technological cycle of its drying. In addition, the formation of volumetric zones in the form structure will lead to a change in the thermal regimes of model removal, solidification and cooling of the molten metal, which will lead to warping of the shell and, as a result, violation of the casting accuracy. The possibility of destruction of these zones during calcination of ceramic shells is not excluded due to the high content of rapidly evaporating gas-making material — the binder — and when they are poured with molten metal — by extrusion.

Таким образом, использование зернистого огнеупора фракций 0,2 – 0,63 мм для неоднократного формирования слоев промежуточной зоны керамической оболочки приводит к увеличению брака, уменьшению размерной точности и повышению себестоимости отливок.Thus, the use of granular refractories of fractions of 0.2–0.63 mm for the repeated formation of layers of the intermediate zone of a ceramic shell leads to an increase in scrap, a decrease in dimensional accuracy and an increase in the cost of castings.

Недостатком прототипа является низкая прочность керамических оболочек и размерная точность получаемых отливок.The disadvantage of the prototype is the low strength of the ceramic shells and dimensional accuracy of the obtained castings.

Задачей изобретения является повышение прочности керамических оболочек, размерной точности получаемых отливок и, как следствие, экономической эффективности процесса производства.The objective of the invention is to increase the strength of the ceramic shells, dimensional accuracy of the resulting castings and, as a consequence, the economic efficiency of the production process.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности керамических оболочек и размерной точности получаемых отливок. The technical result of the invention is to increase the strength of the ceramic shells and dimensional accuracy of the resulting castings.

Для решения поставленной задачи в способе изготовления керамической оболочки для литья по выплавляемым моделям, включающим послойное образование трех зон: облицовочной, промежуточной и опорной, из которых облицовочную и опорную зоны изготавливают послойным нанесением этилсиликатной суспензии с последующей обсыпкой зернистым огнеупорным материалом, слои промежуточной зоны изготавливают нанесением органического клеящего раствора также с последующей обсыпкой зернистым огнеупорным материалом, при этом в органический клеящий раствор введен прокаленный пылевидный огнеупор фракции менее 0,05 мм, задающий раствору вязкость 15-25 с по ВЗ-4.To solve the problem in the method of manufacturing a ceramic shell for casting on investment casting, including layer-by-layer formation of three zones: facing, intermediate and supporting, of which the facing and supporting zones are made in layers by applying ethyl silicate suspension followed by sprinkling with granular refractory material, the layers of the intermediate zone are made by applying organic adhesive solution, followed by sprinkling with granular refractory material, while in organic adhesive solution p entered calcined pulverized refractory fraction of less than 0.05 mm, which gives the solution a viscosity of 15-25 s VZ-4.

Новым в заявленном способе является то, что для слоев промежуточной зоны в качестве наполнителя органического клеящего раствора используют прокаленный пылевидный огнеупор фракции менее 0,05 мм в количестве, обеспечивающим клеящему раствору вязкость 15-25 с по ВЗ-4.New in the inventive method is that for the layers of the intermediate zone, a calcined powdered refractory fraction of less than 0.05 mm is used as a filler for an organic adhesive solution, providing an adhesive solution with a viscosity of 15-25 s for VZ-4.

Благодаря тому, что в органический клеящий раствор введен любой известный прокаленный пылевидный огнеупор фракции менее 0,05 мм в количестве, обеспечивающим клеящему раствору вязкость 15-25 с по ВЗ-4, деформации расширения и сдвига в структуре керамической оболочки от температурного и механического воздействий релаксируются и, как следствие, повышается прочность формы, размерная точность получаемых отливок и, как следствие, экономическая эффективность процесса производства.Due to the fact that any known calcined powdered refractory of a fraction less than 0.05 mm in quantity is introduced into the organic adhesive solution, providing the adhesive solution with a viscosity of 15-25 s according to VZ-4, expansion and shear deformations in the structure of the ceramic shell from temperature and mechanical effects relax and, as a result, the durability of the mold, the dimensional accuracy of the obtained castings and, as a result, the economic efficiency of the production process.

После прокалки формы в слоях промежуточной зоны органический клеящий раствор выгорает с выделением газообразных отходов, которые удаляются из структуры формы за счет газопроницаемости керамики, как и газообразные продукты остатков модельной массы, незначительно пропитывающие керамическую оболочку при выплавлении моделей, а зернистый огнеупор, в частности фракцией менее 0,05 мм, остается в структуре керамической оболочки в несвязанном свободном состоянии, компенсируя напряжения, возникающие при прокаливании, заливке расплавом металла, остывании отливки. Кроме того, упрощается удаление керамики из внутренних полостей отливки.After calcining the form in the layers of the intermediate zone, the organic adhesive solution burns out with the release of gaseous wastes, which are removed from the structure of the form due to the gas permeability of the ceramics, as well as the gaseous residues of the model mass, which slightly impregnate the ceramic shell during the melting of the models, and the granular refractory in particular 0.05 mm, remains in the structure of the ceramic shell in the unbound free state, compensating for the stresses arising during calcination, pouring molten metal a, the cooling of the casting. In addition, the removal of ceramics from the internal cavities of the casting is simplified.

При прокаливании керамической оболочки, заформованной в опорном наполнителе, происходит деструкция органического клеящего вещества и модельной массы. Продукты их разложения удаляются из газопроницаемой структуры оболочки. После прокаливания керамической оболочки в промежуточной зоне образуется освобожденный от связующего пылевидный огнеупор фракцией менее 0,05 мм. Пылевидный огнеупор выполняет функцию жесткого на сжатие и податливого на сдвиг материала для облицовочных слоев керамики. Он релаксирует термические и механические напряжений в структуре керамической оболочки. When calcining the ceramic shell, molded in the support filler, the organic adhesive and model mass are destroyed. Their decomposition products are removed from the gas-permeable shell structure. After calcination of the ceramic shell in the intermediate zone, a pulverized refractory is released from the binder with a fraction of less than 0.05 mm. Dust refractory performs the function of a hard compressive and shear-susceptible material for the facing layers of ceramics. It relaxes thermal and mechanical stresses in the structure of the ceramic shell.

В заявленном способе промежуточная зона керамической оболочки передает деформацию температурного расширения облицовочной зоны на опорную в меньшей степени за счет способности свободного относительного перемещения не связанного пылевидного огнеупора промежуточной зоны. Фракция пылевидного прокаленного огнеупора менее 0,05 мм формируется в кубическую или гексагональную упаковки, осуществляет перемещение облицовочной зоны оболочки меньше допустимой. В данном случае происходит релаксация температурных и механических напряжений, что сохраняет целостность керамической оболочки, в некоторых случаях, и при заливке расплавом металла без опорного наполнителя.In the inventive method, the intermediate zone of the ceramic shell transmits the deformation of the thermal expansion of the cladding zone to the reference one to a lesser extent due to the ability of free relative movement of the unbound pulverized refractory of the intermediate zone. The fraction of pulverized calcined refractories less than 0.05 mm is formed into cubic or hexagonal packings, and the facing zone of the shell is moved less than permissible. In this case, there is a relaxation of temperature and mechanical stresses, which preserves the integrity of the ceramic shell, in some cases, when pouring molten metal without a reference filler.

Диапазон вязкости органического клеящего раствора обусловлен следующим. Увеличение вязкости раствора более 25 с по ВЗ-4 не обеспечивает формирование равномерного покрытия огнеупорным наполнителем предыдущего слоя керамики. В данном случае имеют место отслоение суспензии от поверхности предыдущего слоя с образованием островков, не покрытых пылевидным огнеупором. Это обуславливается большой массой пылевидного огнеупора в растворе, который не связывается ее жидкой составляющей. Приготовление суспензии вязкостью менее 15 с по ВЗ-4 обуславливается формированием керамического слоя с избытком ее жидкой составляющей. В структуре образованного слоя частицы пылевидного огнеупора не имеют контактного взаимодействия, находятся во взвешенном состоянии. При прокаливании керамической оболочки, после выгорания клеящего раствора, частички пылевидного огнеупора, сближаясь, образуют пустоты и как следствие возможность свободного перемещения облицовочной зоны керамической оболочки в поперечном направлении. The viscosity range of the organic adhesive solution is due to the following. An increase in the viscosity of the solution over 25 s according to VZ-4 does not ensure the formation of a uniform coating with a refractory filler of the previous ceramic layer. In this case, there is a separation of the suspension from the surface of the previous layer with the formation of islands that are not covered with pulverized refractory. This is due to the large mass of pulverized refractory in a solution that does not bind to its liquid component. The preparation of a suspension with a viscosity of less than 15 s according to VZ-4 is caused by the formation of a ceramic layer with an excess of its liquid component. In the structure of the formed layer, the particles of pulverized refractories do not have contact interaction, are in a suspended state. When the ceramic shell is calcined, after burning out of the adhesive solution, the particles of pulverulent refractory, approaching, form voids and, as a consequence, the possibility of free movement of the facing zone of the ceramic shell in the transverse direction.

Таким образом, изменение вязкости клеящего раствора за рамками диапазона 15-25 с по ВЗ-4 приводит к формированию дефектных слоев промежуточной зоны керамических оболочек, приводящих к снижению их прочности и размерной точности получаемых отливок.Thus, a change in the viscosity of the adhesive solution outside the range of 15–25 s according to VZ-4 leads to the formation of defective layers of the intermediate zone of ceramic shells, leading to a decrease in their strength and dimensional accuracy of the resulting castings.

В сравнении со способом-прототипом, в заявляемом - релаксация температурных и механических напряжений в промежуточной зоне керамической оболочки осуществляется с меньшим сдвиговым смещением. In comparison with the method of the prototype, in the claimed - relaxation of temperature and mechanical stresses in the intermediate zone of the ceramic shell is carried out with a smaller shift offset.

Использование пылевидного огнеупора фракцией менее 0,05 мм в промежуточной зоне керамической оболочки обеспечивает прохождение меньшего деформационного воздействия на облицовочную зону структуры керамической оболочки, т.к. опорная зона зафиксирована опорным наполнителем, что уменьшает в значительной степени размерные изменения в отливке. Это повышает размерную точность литой продукции.The use of pulverized refractories with a fraction of less than 0.05 mm in the intermediate zone of the ceramic shell ensures the passage of a smaller deformation effect on the facing zone of the structure of the ceramic shell, since the support zone is fixed by the support filler, which reduces to a large extent the dimensional changes in the casting. This increases the dimensional accuracy of cast products.

Фракция пылевидного прокаленного огнеупора менее 0,05 мм обеспечивает более плотное заполнение промежуточной зоны пылевидным огнеупорным материалом и не дает разрушаться слоям облицовочной зоны и образовывать приливы металла на отливке. The fraction of pulverized calcined refractories less than 0.05 mm provides a more dense filling of the intermediate zone with powdered refractory material and prevents the layers of the facing zone from collapsing and forming metal tides on the casting.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фигуре представлена структура керамической оболочковой формы, на которой: 1 - облицовочная зона, 2 – модельный блок, 3 - промежуточная зона, 4 - опорная зона. The invention is illustrated in the drawing. The figure shows the structure of the ceramic shell form, in which: 1 - facing zone, 2 - model block, 3 - intermediate zone, 4 - supporting zone.

Способ осуществляют следующим образом. Первые слои, образующие облицовочную зону 1, наносят окунанием модельного блока 2 в суспензию на гидролизованном этилсиликате ЭТС-40 с последующей обсыпкой зернистым огнеупором фракцией 0,2 – 0,63 мм, например кварцевым песком (ГОСТ 1238 – 91). Каждый слой просушивается. Время сушки зависит от применяемого способа сушки. Например, сушка в вакуумно-аммиачной среде осуществляется в течение 40 - 60 минут.The method is as follows. The first layers forming the facing zone 1 are dipped in a model block 2 in suspension on ETS-40 hydrolyzed ethyl silicate, followed by sprinkling with granular refractory material with a fraction of 0.2-0.63 mm, for example, quartz sand (GOST 1238-91). Each layer is dried. Drying time depends on the drying method used. For example, drying in an ammonia-vacuum environment is carried out for 40 to 60 minutes.

Слои, образующие промежуточную зону 3, наносят окунанием модельного блока в раствор органического клеящего вещества (например, 1-2% раствор этилцеллюлозы в ацетоне), в который внесен прокаленный пылевидный огнеупор фракции менее 0,05 мм, например, пылевидный кварц ПК1 – ПК3, задающий раствору вязкость 15-25 с по ВЗ-4, например вязкость 20 с по ВЗ-4, с последующей обсыпкой тем же зернистым огнеупором фракции 0,2 – 0,63 мм, например кварцевым песком. Слои просушивают в течение 10-20 минут на воздухе. Смачивая поверхность предыдущего слоя, раствор легко стекает, не образуя складок и наплывов. Толщина формируемого слоя, за счет инфильтрации жидких составляющих раствора в предыдущий пористый слой керамики, не превышает 0,7 мм.The layers forming the intermediate zone 3 are applied by dipping a model block into a solution of an organic adhesive (for example, a 1-2% solution of ethylcellulose in acetone) in which a calcined pulverized refractory fraction less than 0.05 mm is added, for example, powdered quartz PC1-PC3, a viscosity of 15-25 s according to VZ-4, which gives the solution, for example, a viscosity of 20 s according to VZ-4, followed by sprinkling with the same granular refractory of a fraction of 0.2-0.63 mm, for example, quartz sand. The layers are dried for 10-20 minutes in air. Wetting the surface of the previous layer, the solution flows easily, without forming folds and nodules. The thickness of the formed layer, due to the infiltration of the liquid components of the solution into the previous porous layer of ceramics, does not exceed 0.7 mm.

Затем формируют опорную зону 4. Слои зоны 4 наносят окунанием модельного блока в суспензию из гидролизованного ЭТС-40, как и слои облицовочной зоны 1. Обсыпка - такой же зернистый огнеупор, например кварцевый песок. Время сушки слоев, как и слоев облицовочной зоны, вакуумно-аммиачным способом составляет 40 - 60 минут. Все последующие операции: удаление модельной массы из керамической оболочки, прокалка, формовка в опорном наполнителе, заливка расплавом металла выполняются по известной технологии.  Then, support zone 4 is formed. Layers of zone 4 are applied by dipping the model block into a slurry of hydrolyzed ETS-40, as are the layers of the facing zone 1. Spraying is the same granular refractory material, for example quartz sand. The drying time of the layers, as well as the layers of the facing zone, by the ammonia vacuum method is 40 - 60 minutes. All subsequent operations: removal of the model mass from the ceramic shell, calcining, molding in the support filler, pouring molten metal using the known technology.

При прокаливании керамической оболочки, заформованной в опорном наполнителе, происходит деструкция органического клеящего вещества и модельной массы. Продукты их разложения удаляются из газопроницаемой структуры оболочки.When calcining the ceramic shell, molded in the support filler, the organic adhesive and model mass are destroyed. Their decomposition products are removed from the gas-permeable shell structure.

После прокаливания керамической оболочки, освобожденный от связующего, прокаленный пылевидный огнеупор образует промежуточную зону. Пылевидный огнеупор фракции менее 0,05 мм выполняет функцию жесткого на сжатие и податливого на сдвиг материала для облицовочных слоев керамики. Он является компенсатором термических и механических напряжений в структуре керамической оболочки. After calcining the ceramic shell, freed from the binder, the calcined pulverized refractory forms an intermediate zone. Dust refractory fraction less than 0.05 mm performs the function of a rigid in compression and shear-susceptible material for the facing layers of ceramics. It is a compensator for thermal and mechanical stresses in the structure of the ceramic shell.

В заявленном способе промежуточная зона 3 структуры керамической оболочки не передает деформации температурного расширения облицовочной зоны 1 на опорную 4. В данном случае происходит релаксация температурных напряжений, что сохраняет целостность керамической оболочки, в некоторых случаях, и при заливке без опорного наполнителя. In the inventive method, the intermediate zone 3 of the ceramic shell structure does not transmit deformations of the thermal expansion of the facing zone 1 to the reference 4. In this case, the relaxation of thermal stresses occurs, which preserves the integrity of the ceramic shell, in some cases, when pouring without a reference filler.

Claims (1)

Способ изготовления керамической оболочки для литья по выплавляемым моделям, включающий послойное образование трех зон, включающих облицовочную, промежуточную и опорную, из которых облицовочную и опорную зоны изготавливают послойным нанесением этилсиликатной суспензии с последующей обсыпкой зернистым огнеупорным материалом, слои промежуточной зоны изготавливают нанесением органического клеящего раствора с последующей обсыпкой зернистым огнеупорным материалом, отличающийся тем, что в органический клеящий раствор вводят прокаленный пылевидный огнеупор фракции менее 0,05 мм, обеспечивающий раствору вязкость 15-25 с по вискозиметру ВЗ-4. A method of manufacturing a ceramic shell for investment casting, including layer-by-layer formation of three zones, including facing, intermediate and supporting, of which the facing and supporting zones are made by layering ethyl silicate suspension, followed by sprinkling with granular refractory material, the intermediate zone layers are made by applying an organic adhesive with subsequent sprinkling with granular refractory material, characterized in that calcined is introduced into the organic adhesive solution Nye dust refractory fraction less than 0.05 mm, providing a solution viscosity of 15-25 s by viscometer VZ-4.

Images