RU2283721C1

RU2283721C1 - Ceramic molds producing method with use of investment patterns

Info

Publication number: RU2283721C1
Application number: RU2005101919/02A
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Каблов (RU); Евгений Николаевич Каблов; Иосиф Маркович Демонис (RU); Иосиф Маркович Демонис; Владимир Васильевич Деев (RU); Владимир Васильевич Деев; Юрий Александрович Бондаренко (RU); Юрий Александрович Бондаренко; Андрей Ростиславович Нарский (RU); Андрей Ростиславович Нарский; Виктор Ефимович Семенов (RU); Виктор Ефимович Семенов; Николай Александрович Тюрин (RU); Николай Александрович Тюрин
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-09-20

Abstract

FIELD: foundry, possibly manufacture of complex geometry castings.

SUBSTANCE: method comprises steps of layer-by-layer applying onto wax-like pattern of suspension on base of epoxy resin in organic dissolving agent; sprinkling it with refractory material; drying layers of ceramic mold in electromagnetic SHF field at power no more than 0.4 -0.5kWt; removing wax-like pattern in SHF-field during two stages: at first at power no less than 0.5 kWt for 1 kg of ceramic mold mass at heating rate 150 - 170°C/min until fusion of pattern surface begins and then at power no more than 0.3 kWt until pattern is completely removed. Layers of ceramic mold are dried for 1 - 2 min.

EFFECT: intensified process of drying layers and removing wax patterns, improved quality of envelopes, lowered quantity of rejected ceramic molds.

2 cl, 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления отливок сложной геометрии из жаропрочных сплавов методом литья по выплавляемым моделям.The invention relates to foundry and can be used for the manufacture of castings of complex geometry from heat-resistant alloys by investment casting.

Известен способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, в котором сушку слоев суспензии на блоках из восковых моделей проводят в электрическом поле сверхвысокой частоты СВЧ [Авторское свидетельство СССР №1692720].A known method of manufacturing ceramic molds for investment casting, in which the drying of the layers of the suspension on blocks of wax models is carried out in an electric field of ultrahigh frequency microwave [USSR Author's Certificate No. 1692720].

Недостатком способа является продолжительный цикл сушки нанесенных слоев, связанный с низкой интенсивностью испарения влаги с ее поверхности и внутреннего массопереноса.The disadvantage of this method is the long cycle of drying the deposited layers associated with a low rate of evaporation of moisture from its surface and internal mass transfer.

Известен способ изготовления керамических форм, в котором сушку слоев керамической формы, изготовленных на основе водного шликера, осуществляют путем воздействия на форму электрическим полем частотой 900-3000 МГц [Авторское свидетельство СССР №831352].A known method of manufacturing ceramic molds, in which the drying of layers of ceramic molds made on the basis of a water slurry, is carried out by exposing the mold to an electric field with a frequency of 900-3000 MHz [USSR Author's Certificate No. 831352].

Недостатком способа является неравномерное протекание процесса испарения влаги с поверхности и внутреннего ее массопереноса к поверхности. Также недостатком является проблема поддержания низкой температуры на поверхности формы в месте контакта формы с модельной массой в пределах 20-25°С. Теплоустойчивость применяемых восковых модельных составов находится в интервале температур 30-35°С, ее превышение на поверхности моделей при сушке слоев оболочки приводит к недопустимым отклонениям по размерной точности будущей керамической формы и появлению трещин в ней.The disadvantage of this method is the uneven occurrence of the process of evaporation of moisture from the surface and its internal mass transfer to the surface. Another disadvantage is the problem of maintaining a low temperature on the surface of the mold at the point of contact of the mold with the model mass in the range of 20-25 ° C. The heat resistance of the used wax model compositions is in the temperature range of 30-35 ° C; its excess on the surface of the models when drying the shell layers leads to unacceptable deviations in the dimensional accuracy of the future ceramic form and the appearance of cracks in it.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на воскообразную модель суспензии на основе этилсиликатных связующих растворов, обсыпку ее огнеупорным материалом, сушку слоев керамической формы и удаление модели в поле СВЧ, причем сушку проводят в два этапа: на первом - слои оболочки нагревают до достижения температуры на 1-4°С меньше температуры теплоустойчивости модельного состава, на втором - поддерживают этот интервал температур, осуществляя непрерывное удаление паров растворителя и воды с наружных слоев оболочек, а удаление модели осуществляют двухсторонним тепловым потоком, создаваемым снаружи нагреваемой сухой оболочкой, изнутри - нагреваемым стояком-каркасом. При этом в состав суспензии при ее приготовлении вводят мелкодисперсную добавку - пылевидный оксид титана (IV) [Патент РФ №2127649].Closest to the proposed invention is a method for manufacturing ceramic molds according to investment casting, which includes layer-by-layer deposition of a suspension based on ethyl silicate binder solutions on a waxy model, sprinkling it with refractory material, drying the layers of the ceramic mold and removing the model in the microwave field, and drying is carried out in two stages: on the first, the shell layers are heated to reach a temperature of 1-4 ° C less than the temperature stability of the model composition, on the second, this temperature range is maintained, By ensuring the continuous removal of solvent and water vapor from the outer layers of the shells, the model is removed by a two-sided heat flux created from the outside by a heated dry shell, and from the inside by a heated riser frame. At the same time, a finely dispersed additive, pulverized titanium oxide (IV), is introduced into the composition of the suspension during its preparation [RF Patent No. 2127649].

Недостатком способа является частичное разупрочнение керамической оболочки водой, что вызывает появление скрытых трещин в будущих формах. Кроме того, во влажную оболочку невозможно подвести в начальный момент значительную СВЧ-мощность, необходимую для быстрого оплавления поверхности восковой модели. По мере испарения влаги из керамических оболочек интенсивность процесса будет снижаться. Введение оксида титана (IV) влечет за собой образование при прокалке двойных легкоплавких соединений TiO₂-SiO₂, что уменьшает прочность форм после прокалки; кроме того, введение оксида титана (IV) способствует большей степени взаимодействия жидкого жаропрочного сплава с поверхностью формы, т.е. увеличивается зона химического пригара на поверхности отливок.The disadvantage of this method is the partial softening of the ceramic shell with water, which causes the appearance of hidden cracks in future forms. In addition, it is impossible to bring into the wet shell at the initial moment the significant microwave power needed to quickly melt the surface of the wax model. As moisture evaporates from the ceramic shells, the intensity of the process will decrease. The introduction of titanium oxide (IV) entails the formation of double fusible compounds TiO ₂ —SiO ₂ during calcination, which reduces the strength of the molds after calcination; in addition, the introduction of titanium (IV) oxide contributes to a greater degree of interaction of the liquid heat-resistant alloy with the mold surface, i.e. the zone of chemical burning on the surface of the castings increases.

Технической задачей предлагаемого изобретения является интенсификация процессов сушки слоев и удаления восковых моделей за счет повышения эффективности использования СВЧ-энергии, повышение качества оболочек и отливок и снижение брака литейных керамических форм и отливок.The technical task of the invention is the intensification of the drying processes of the layers and the removal of wax models by increasing the efficiency of the use of microwave energy, improving the quality of shells and castings and reducing the rejection of foundry ceramic molds and castings.

Для достижения поставленной задачи предложен способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на воскообразную модель суспензии на основе органического связующего, обсыпку ее огнеупорным материалом, сушку слоев керамической формы и удаление модели в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (СВЧ), отличающийся тем, что суспензия содержит в качестве органического связующего эпоксидную смолу в органическом растворителе, сушку слоев керамической формы осуществляют в поле СВЧ с мощностью не более 0,4-0,5 кВт, а удаление воскообразной модели в поле СВЧ осуществляют в два этапа: вначале с мощностью не менее 0,5 кВт на 1 кг массы керамической формы со скоростью нагрева 150-170°С/мин до начала оплавления поверхности модели, а затем - с мощностью не более 0,3 кВт до полного удаления модели. Сушку слоев керамической формы осуществляют в течение 1-2 минут.To achieve this goal, a method for manufacturing ceramic molds according to investment casting is proposed, which includes layer-by-layer deposition of a suspension based on an organic binder on a waxy model, sprinkling it with refractory material, drying ceramic layers and removing the model in an electromagnetic field of superhigh frequency (UHF), characterized in that the suspension contains, as an organic binder, an epoxy resin in an organic solvent, drying the layers of the ceramic form is carried out in a microwave field with a power of e more than 0.4-0.5 kW, and the removal of the waxy model in the microwave field is carried out in two stages: first, with a capacity of at least 0.5 kW per 1 kg of ceramic mold mass with a heating rate of 150-170 ° C / min before reflowing the surface of the model, and then with a power of not more than 0.3 kW until the model is completely removed. Drying the layers of the ceramic form is carried out for 1-2 minutes.

Применение органического связующего с термореактивной смолой из класса эпоксидных смол позволяет полностью использовать эффективность СВЧ-поля при сушке слоев формы без нагрева модельной массы выше 25°С. Это дает возможность сохранить геометрию оболочковых форм и отливок и избежать появления трещин на форме. Механизм сушки слоев формы, содержащей эпоксидное связующее на органическом растворителе, отличается от механизма сушки слоев, содержащих воду: даже при малой мощности за короткое время СВЧ-поле вызывает в эпоксидном связующем появление очень большого количества свободных радикалов (без повышения температуры формы), что влечет за собой увеличение скорости реакции полимеризации эпоксидного связующего, которое превращается в нерастворимое твердое соединение, прочно связывая керамический наполнитель в форме.The use of an organic binder with a thermosetting resin from the class of epoxy resins allows you to fully use the efficiency of the microwave field when drying the layers of the form without heating the model mass above 25 ° C. This makes it possible to preserve the geometry of shell molds and castings and to avoid the appearance of cracks on the mold. The drying mechanism of the layers of the form containing the epoxy binder on an organic solvent differs from the drying mechanism of the layers containing water: even at low power for a short time, the microwave field causes the appearance of a very large number of free radicals in the epoxy binder (without increasing the temperature of the form), which entails followed by an increase in the rate of polymerization of the epoxy binder, which turns into an insoluble solid compound, firmly bonding the ceramic filler in the form.

Поставленная задача достигается за счет применения определенных режимов по мощности и скорости нагрева керамики в СВЧ-поле. Процесс сушки (отверждения) проходит при кратковременном воздействии поля СВЧ-мощностью 0,4-0,5 кВт "на холоду", т.е. без какого-либо повышения температуры на модельной массе. Превышение указанных пределов по мощности ведет к деформации модельной массы. В случае уменьшения мощности СВЧ-излучения слои не успевают набрать достаточную прочность ввиду малой степени полимеризации эпоксидного связующего.The task is achieved through the application of certain modes in terms of power and heating rate of ceramics in a microwave field. The drying (curing) process takes place with a short-term exposure to the field with a microwave power of 0.4-0.5 kW "in the cold", i.e. without any temperature increase on the model mass. Exceeding these limits in power leads to deformation of the model mass. In the case of a decrease in the power of microwave radiation, the layers do not have time to gain sufficient strength due to the low degree of polymerization of the epoxy binder.

При удалении модельной массы обязательна быстрая и резкая передача тепла к модельной массе для быстрого оплавления ее поверхности и образования зазора между формой и моделью. Максимальная температура нагрева формы может достичь 250°С, для чего необходимо на первом этапе удаления подавать импульсы со скоростью нагрева 150-170°С/мин. Количество импульсов берется в зависимости от геометрической сложности модельного блока. Меньшая скорость приведет к объемному прогреву и расширению модельной массы. Давление, которое она будет создавать на оболочковую форму, может повлечь за собой появление термических напряжений или разрыв формы.When removing the model mass, fast and sharp heat transfer to the model mass is required to quickly melt its surface and form a gap between the shape and model. The maximum temperature of the mold heating can reach 250 ° C, for which it is necessary to apply pulses at the first stage of removal with a heating rate of 150-170 ° C / min. The number of pulses is taken depending on the geometric complexity of the model block. A lower speed will lead to volumetric heating and expansion of the model mass. The pressure that it will create on the shell mold can lead to thermal stresses or rupture of the mold.

На втором этапе удаления необходимо снизить мощность до 0,3 кВт и поддерживать ее до полного удаления модельной массы.At the second stage of removal, it is necessary to reduce the power to 0.3 kW and maintain it until the model mass is completely removed.

Пример конкретного осуществления.An example of a specific implementation.

В лабораторных условиях был изготовлен блок из воскообразной модельной массы. На него послойно наносилась керамическая суспензия, включающая в качестве органического связующего эпоксидную смолу ЭД-16 в органическом растворителе (смесь ацетона и скипидара сульфатного очищенного) с последующей обсыпкой слоя зернистым огнеупорным порошком. После нанесения каждого слоя формирующаяся оболочковая форма подвергалась воздействию СВЧ-излучения мощностью 0,4 кВт в течение 1 минуты.In laboratory conditions, a block was made of a waxy model mass. A ceramic suspension was applied layer-by-layer, including ED-16 epoxy resin in an organic solvent (a mixture of acetone and purified sulfate turpentine) as an organic binder, followed by sprinkling of the layer with granular refractory powder. After applying each layer, the forming shell form was exposed to microwave radiation with a power of 0.4 kW for 1 minute.

После нанесения последнего слоя следовала операция удаления модельной массы, для чего оболочка помещалась в СВЧ-поле, где в результате серии подаваемых импульсов мощностью 0,5 кВт на 1 кг массы керамической формы со скоростью нагрева 150°С/мин оплавлялась поверхность модели, а в результате последующей обработки СВЧ-излучением мощностью 0,2 кВт в течение 8 минут модельная масса была полностью удалена.After applying the last layer, the operation of removing the model mass was followed, for which the shell was placed in a microwave field, where as a result of a series of supplied pulses with a power of 0.5 kW per 1 kg of ceramic mass with a heating rate of 150 ° C / min, the model surface was melted, and in As a result of the subsequent processing by microwave radiation with a power of 0.2 kW for 8 minutes, the model mass was completely removed.

В таблице 1 представлены технологические параметры проведения процессов сушки и удаления модельных масс в СВЧ-поле (способы №1-№3 - по предлагаемому изобретению, №4 - по прототипу).Table 1 presents the technological parameters of the drying and removal of model masses in the microwave field (methods No. 1-No. 3 according to the invention, No. 4 according to the prototype).

Формы, полученные по способам №2, 3, были изготовлены по описанной выше схеме, но по режимам, представленным в таблице 1.Forms obtained by methods No. 2, 3 were made according to the above scheme, but according to the modes presented in table 1.

В таблице 2 приведены свойства керамических форм, изготовленных по предлагаемой технологии (№1-3) и по технологии прототипа (№4).Table 2 shows the properties of ceramic molds made by the proposed technology (No. 1-3) and by the technology of the prototype (No. 4).

Керамические литейные формы, полученные по предлагаемой технологии с минимальным количеством ручного труда, имеют высокую прочность на изгиб (20-25 МПа), низкий процент брака по трещинам (менее 5%). Кроме того, технологический цикл изготовления форм составляет не более двух часов.Ceramic casting molds obtained by the proposed technology with a minimum amount of manual labor have high bending strength (20-25 MPa), low percentage of rejects on cracks (less than 5%). In addition, the technological cycle of manufacturing molds is not more than two hours.

Эффективность процесса оценивалась по длительности изготовления форм, количеству удаленной модельной массы в минуту, прочности на изгиб, наличию трещин в керамической форме.The efficiency of the process was evaluated by the duration of the manufacture of the molds, the number of removed model mass per minute, bending strength, and the presence of cracks in the ceramic mold.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет интенсифицировать процесс сушки слоев и удаления восковых моделей, повысить эффективность использования СВЧ-энергии, качество оболочек и снизить количество брака литейных керамических форм и отливок.Thus, the application of the proposed method allows to intensify the process of drying the layers and removal of wax models, to increase the efficiency of the use of microwave energy, the quality of the shells and to reduce the number of marriage cast ceramic molds and castings.

Таблица 1.
Технологические параметры проведения процессов сушки и удаления модельных масс.Table 1.
Technological parameters of the drying and removal of model masses. №No. Связующее Binder СушкаDrying Удаление модельной массыModel mass removal суспензииsuspensions I-й этап1st stage II-й этап2nd stage Мощность, кВтpower, kWt Время, минTime min Мощность на 1 кг массы керамической формы, кВтPower per 1 kg of ceramic mold mass, kW Скорость нагрева, °С/минThe heating rate, ° C / min Мощность, кВтpower, kWt Время, минTime min 1one ЭД-16ED-16 0,40.4 1one 0,50.5 150150 0,20.2 88 22 ЭД-14ED-14 0,470.47 1,51,5 0,60.6 160160 0,250.25 99 33 ЭД-20ED-20 0,50.5 22 0,70.7 170170 0,30.3 1010 4four ЭтилсиликатEthyl silicate 1-21-2 30-4030-40 22 20-3020-30 -- -- Таблица 2.
Свойства керамических форм.Table 2.
Properties of ceramic molds. №No. Длительность процесса изготовления форм, часThe duration of the mold manufacturing process, hours Количество удаленной модельной массы, кг/минThe number of removed model weight, kg / min Прочность на изгиб, МПаBending Strength, MPa Брак по трещинам формы, %Marriage by cracked form,% 1one 1,5-21,5-2 33 20-2520-25 Менее 5Less than 5 22 1,5-21,5-2 33 20-2520-25 Менее 5Less than 5 33 1,5-21,5-2 33 20-2520-25 Менее 5Less than 5 4four 8-108-10 1one 1,8-51.8-5 20-2520-25

Claims

1. A method of manufacturing ceramic molds according to investment casting, including layer-by-layer deposition of a suspension based on an organic binder on a waxy model, sprinkling it with refractory material, drying the layers of the ceramic form and removing the model in an ultra-high frequency electromagnetic field, characterized in that the suspension contains an organic binder epoxy resin in an organic solvent, drying the layers of the ceramic form is carried out in an electromagnetic field of ultrahigh frequency with a capacity of not more than 0.4-0.5 kW and the removal of the waxy model in an ultrahigh-frequency electromagnetic field is carried out in two stages: first, with a power of at least 0.5 kW per 1 kg of ceramic mold mass with a heating rate of 150-170 ° C / min before the surface of the model is melted, and then with power not exceeding 0.3 kW until the model is completely removed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the drying of the layers of the ceramic form is carried out for 1-2 minutes