RU2189885C2

RU2189885C2 - Method of manufacture of disposable patterns

Info

Publication number: RU2189885C2
Application number: RU2000123676A
Authority: RU
Inventors: И.Г. Сапченко
Original assignee: Государственное учреждение Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения РАН
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2002-09-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; investment casting. SUBSTANCE: pattern is manufactured from powder-like mixture of pattern composition of 0.1 to 1.6 mm fraction and sodium carbonate fraction of 0.01 to 0.3 mm. Ratio of mixture components by volume is as follows: model composition, 75 to 80% and sodium carbonate, 20 to 25%. Pattern material is metered in mold in the amount sufficient for obtaining patterns at porosity of 1.5 to 3%. Pattern material is pressed without preheating by matching parting surfaces of mold in vacuum of 0.1 MPa. In pressing, powder pattern material is sintered without phase deformation processes forming open capillary porosity which compensates for expansion of pattern in the course of heating during extraction from ceramic envelope. EFFECT: enhanced dimensional and geometric accuracy of patterns and castings. 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, т.е. удаляемых моделей из пастообразного модельного материала. 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, i.e. deleted models from pasty model material. 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 выплавляемых (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 the lost (removed) 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.

Выплавление или удаление модели из оболочковой формы сопровождается температурным расширением модельного материала и воздуха, блокированного в структуре модели, т.к. 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. Smelting or removing the model from the shell mold is accompanied by thermal expansion of the model material and air blocked in the model structure, because the process of heating the shell occurs non-uniformly, then in the zones farthest from the gate funnel, pressures from thermal expansion develop exceeding the permissible values, 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).

Однако рассматриваемый способ-прототип изготовления выплавляемых (удаляемых) моделей содержит ряд недостатков, препятствующих получению требуемого технического результата. However, the prototype method under consideration for manufacturing lost-wax (lost) models contains 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; 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; physical and mechanical properties of shell forms.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагается изготавливать удаляемые модели в вакууме прессованием, в качестве модельного материала используют порошкообразную смесь модельной композиции фракции 0,1-1,6 мм и карбоната натрия фракции 0,01-0,3 мм при следующем соотношении компонентов по объему: модельная композиция 75-80%, карбонат натрия 20-25%, модельный материал дозируют в пресс-форму в количестве, обеспечивающем получение моделей с пористостью 1,5-3%, при этом прессование модельного материала осуществляют в вакууме -0,1 МПа без предварительного нагрева посредством совмещения поверхностей разъемов пресс-формы. The essence of the invention lies in the fact that it is proposed to produce removable models in vacuum by pressing, as a model material, a powder mixture of a model composition of a fraction of 0.1-1.6 mm and sodium carbonate fraction of 0.01-0.3 mm is used in the following ratio of components according to volume: model composition 75-80%, sodium carbonate 20-25%, 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 in a vacuum of -0.1 MPa without prior heating by combining the surfaces of the mold connectors.

Причинно-следственная связь между существенными признаками и достигаемым техническим решением осуществляется посредством способности гранулированной модельной композиции спекаться при прессовании практически без образования жидкой фазы и, как следствие, без фазовых деформационных процессов 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 моделей и прокаливании, 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 granular model composition to sinter when pressed practically without the formation of a liquid phase and, as a result, without phase deformation processes with the formation of open capillary porosity, which allows to reduce marriage in the manufacture of models and increase their dimensional and geometric accuracy, increase the strength of shell molds and reduce their loss when removing models and calcining and, improve the quality of the surface of the castings and their accuracy.

Изготовление удаляемых моделей предлагаемым методом имеет ряд преимуществ перед существующими способами. Полностью устраняется брак моделей при их изготовлении. Засыпаемый 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 дальнейшего 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. Poured 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. In the process of evacuation and further pressing (closing of 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 порошков модельной композиции фракции 0,1-1,6 мм. При использовании более крупной фракции наблюдается разрушение гранул 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 powders of a model composition of a fraction of 0.1-1.6 mm. When using a larger fraction, granules are destroyed on the surface of the models with the formation of surface defects in the form of crevices, while a smaller fraction is accompanied by clumping, which complicates the introduction of material into the mold.

Использование карбоната натрия рекомендуемого фракционного состава регламентируется качеством получаемых моделей. Увеличение фракции ведет к ухудшению качества поверхности модели, уменьшение - к снижению прочности последних. The use of sodium carbonate of the recommended fractional composition is regulated by the quality of the resulting models. An increase in the fraction leads to a deterioration in the surface quality of the model, a decrease leads to a decrease in the strength of the latter.

Аналогичное справедливо для процентного соотношения используемых материалов, т. е. увеличение количества карбонат натрия ведет к ухудшению качества поверхности модели, уменьшение - к снижению прочности моделей. В данном случае отпадает необходимость образования пастообразной композиции с определенными интервалами затвердевания. The same is true for the percentage of materials used, i.e., an increase in the amount of sodium carbonate leads to a deterioration in the surface quality of the model, and a decrease leads to a decrease in the strength of the models. In this case, there is no need for the formation of a pasty composition with certain intervals of solidification.

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 пористностью менее 1,5%, - способствует возникновению силового воздействия модели при выплавлении на оболочковую форму, т.е. температурное расширение модельной массы не компенсируется меньшей пористостью [1]. 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 ones, providing models with a porosity of less than 1.5%, contributes to the occurrence of force impact of the model when melted into a shell mold, i.e. the thermal expansion of the model mass is not compensated by lower porosity [1].

Степень разрежения -0,1 МПа, создаваемая при изготовлении моделей, является оптимальной, т.к. ее увеличение представляется технологически нецелесообразным, а уменьшение - препятствует получению моделей заданной пористости и способствует сохранению воздуха в структуре модели, что может неблагоприятно отразиться на оболочковую форму при выплавлении последних. The degree of rarefaction of -0.1 MPa created in the manufacture of models is optimal, because its increase seems technologically unreasonable, and a decrease prevents it from obtaining models of a given porosity and contributes to the preservation of air in the structure of the model, which may adversely affect the shell form during smelting of the latter.

Процесс удаления моделей, полученных заявляемым способом из оболочковых форм в горячей воде, сопровождается первоначальным удалением растворимой части модели с последующим их объемным сокращением при расплавлении. Образующаяся жидкая фаза модельного материала впитывается в модель под действием капиллярных сил и вакуума, температурные расширения модели компенсируются пористостью. The process of removing models obtained by the claimed method from shell forms in hot water is accompanied by the initial removal of the soluble part of the model, followed by their volumetric reduction during melting. The resulting liquid phase of the model material is absorbed into the model under the action of capillary forces and vacuum, the temperature expansion of the model is compensated by porosity.

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 .

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

Приготавливается порошок модельной композиции, например фракции 0,8 мм, и смешивается с карбонатом натрия, например фракции 0,5 мм, в пропорциях: модельная композиция - 80%; карбонат натрия - 20%. 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 разрежение - 0,1 МПа. Под действием вакуума помещенный в пресс-форму материал прессуется посредством совмещения (смыкания) подвижных элементов пресс-формы. После прессования разрежение снимается, пресс-форма размыкается, модель удаляется при помощи толкателей. A powder is prepared for a model composition, for example, a fraction of 0.8 mm, and mixed with sodium carbonate, for example, a fraction of 0.5 mm, in the proportions: model composition - 80%; sodium carbonate - 20%. 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 карбоната 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 negative effect was found preventing the reuse of the model composition from the side of sodium carbonate.

Промышленная применимость разработанного способа изготовления выплавляемых моделей обуславливается: доступностью и невысокой стоимостью компонентов модельного материала; 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: availability and low cost of components of model material; 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

A method of manufacturing removable models, including pressing a model material in a mold in vacuum, characterized in that a powder mixture of a model composition of a fraction of 0.1-1.6 mm and sodium carbonate of a fraction of 0.01-0.3 mm is used as a model material in the following ratio of components by volume: model composition 75-80%, sodium carbonate 20-25%, 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 in vacuum -0.1 MPa without preheating by combining the surfaces of the mold connectors.