Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 8
1.1. Анализ современного состояния разработок в области титановых
литейных сплавов и технологий изготовления отливок из них 8
1.1.1. Литейные титановые сплавы 11
1.1.2. Физические, механические и литейные свойства титановых сплавов 16
1.2. Технология получения фасонных отливок из титановых сплавов 20
1.2.1. Способы выплавки слитков из титановых сплавов и получение фасонных отливок 20
1.2.2. Технология фасонного литья 25
1.3. Влияние структуры на механические свойства титановых сплавов 26
1.3.1. Литейные формы 27
1.3.2. Дефекты возникающие в титановых отливках 29
1.3.3. Влияние горячего изостатического прессования на плотность отливок 32
1.3.4. Модифицирование титановых сплавов 33
Выводы по главе 1: 35
ГЛАВА 2. Материалы, оборудование и методики исследования 36
2.1. Объекты исследования 36
2.2. Методики исследования 45
ГЛАВА 3. Исследование влияния технологических параметров выплавки слитков на структурно фазовый состав и степень ликвации 50
3.1. Анализ данных и выбор композиций титановых литейных сплавов. 50
3.2. Разработка технологии выплавки слитков для фасонного литья сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л 57
3.3. Исследование степени ликвации в слитках сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л . 64
3.4. Исследование специальных свойств сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л. 70
Выводы по главе 3 76
ГЛАВА 4. Изготовление керамических форм для фасонных тонкостенных отливок и исследование их свойств 78
4.1. Подбор состава и технологических параметров керамических форм, инертных к сплавам ВТ6Л, ВТ5Л, ВТ40Л 78
4.2. Изготовление керамических форм для фасонных тонкостенных отливок из титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л 79
4.3. Исследование механических свойств керамических форм для фасонных тонкостенных отливок из титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л 84
4.4. Исследование заполняемости и степени взаимодействия керамических форм для фасонных тонкостенных отливок из титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л 86
Выводы по главе 4 90
Глава 5. Разработка технологии изготовления фасонных отливок и исследование их физико механических свойств 91
5.1. Изготовление фасонных отливок для исследования механических свойств. 91
5.2. Разработка режимов горячего изостатического прессования (ГИП), обеспечивающих устранение внутренних дефектов на сложных деталях из титановых сплавов 92
5.3. Исследование состава и структуры отливок 94
5.4. Проведение исследований физико-механических свойств сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л, ВТ20Л. 100
5.5. Фрактографические исследования образцов из сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л и ВТ40Л 106
5.6. Разработка технологии фасонного литья высокоточных тонкостенных отливок из титановых сплавов ВТ20Л, ВТ6Л, ВТ5Л, ВТ40Л 111
Выводы по главе 5: 114
Основные выводы по работе: 116
Список литературы 118
- Технология получения фасонных отливок из титановых сплавов
- Методики исследования
- Исследование степени ликвации в слитках сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л
- Исследование механических свойств керамических форм для фасонных тонкостенных отливок из титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л
Введение к работе
Актуальность работы. Титан и сплавы на его основе являются одними из наиболее перспективных конструкционных материалов и нашли широкое применение в авиационной, судостроительной, химической и других отраслях промышленности. Благодаря оптимальному сочетанию эксплуатационных характеристик (малая плотность, высокая удельная прочность, высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах и др.) титан стал незаменимым материалом и во многом определяет прогресс развития машиностроения.
Поскольку стоимость титановых полуфабрикатов достаточно высока и определяется в основном сложностью технологий изготовления и низким коэффициентом использования металла, необходимость внедрения в промышленность новых перспективных технологических процессов является особенно актуальной.
Одним из наиболее прогрессивных технологических процессов является метод фасонного литья, который позволяет изготавливать детали сложной формы наиболее экономичным способом по сравнению с деталями, полученными механической обработкой из деформированных заготовок. При данном виде литья резко снижается трудоемкость изготовления и повышается коэффициент использования металла (КИМ штамповок – 0,12; КИМ фасонных отливок – 0,35). Важную роль для интенсивного развития титанового литья сыграло создание сплавов с хорошими литейными и механическими свойствами, а также технологий их переработки, что позволило получать отливки, отвечающие требованиям, предъявляемым к конструкциям.
В настоящее время в отечественной промышленности при производстве
авиационной техники используется широкая номенклатура фасонных отливок
из титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л и ВТ20Л. На данный момент
ОАО «Балашихинский литейно-механический завод» (ОАО «БЛМЗ») является
единственным предприятием в России, обладающим необходимым
оборудованием и технологиями для литья крупногабаритных титановых
отливок. В технологическом процессе ОАО «БЛМЗ» используются графитовые
формы, недостатками которых является низкая размерная точность,
увеличенная толщина стенок, повышенный вес, что делает их
неконкурентоспособными.
Существующие технологии не обеспечивают должное качество отливок во многом из-за нестабильности уровня механических свойств, которая обусловлена широкими диапазонами легирования, в первую очередь алюминием.
Цель работы: исследование влияния алюминия на эксплуатационные свойства фасонных отливок для установления содержания алюминия, обеспечивающего стабильный уровень свойств, и разработка технологии получения тонкостенных отливок из литейных титановых сплавов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Определить диапазоны легирования литейных титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л, ВТ20Л, обеспечивающие воспроизводимость значений прочностных свойств.
-
Определить зависимость влияния технологических параметров выплавки слитков из титановых литейных сплавов ВТ20Л, ВТ6Л, ВТ5Л, ВТ40Л на структурно-фазовый состав и однородность распределения легирующих элементов по объему слитков.
-
Разработать технологию изготовления точных тонкостенных фасонных отливок из титановых сплавов ВТ20Л, ВТ6Л, ВТ5Л, ВТ40Л, включающую применение ГИП.
Научная новизна работы
1. Установлена закономерность влияния содержания алюминия на
структурно-фазовый состав и уровень механических свойств отливок из
литейных титановых сплавов. Повышение содержания алюминия с 5,6 до 6,2
масс. % в литейном титановом сплаве ВТ5Л, приводит к увеличению размера
первичного -зерна до 250-300 мкм и сопровождается снижением
характеристик пластичности с 8 до 5 %.
2. Установлено, что ГИП (горячее изостатическое прессование) отливок
из литейных титановых сплавов ВТ6Л, ВТ20Л и ВТ40Л приводит к изменению
морфологии -фазы в результате процессов рекристаллизации с образованием
глобулей размером не более 100 мкм.
3. На основании теоретических расчетов, подтверждённых
экспериментальными данными, установлено, что для получения плотных
тонкостенных (толщина стенки до 2-х мм) отливок из литейных титановых
сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л с минимальным размером пор 0,8 мм,
центробежное литье необходимо осуществлять при значении гравитационного
коэффициента равном 12.
Практическая ценность работы
-
Разработана технология фасонного литья высокоточных тонкостенных отливок, с толщиной стенки 1,5 мм, со стабильным уровнем прочностных характеристик. Выпущена технологическая инструкция ТИ 1.595-8-437-2012.
-
Разработаны технологии выплавки слитков для фасонного литья сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л, обеспечивающие отсутствие ликвационной неоднородности по основным легирующим элементам. Выпущены технологические инструкции ТИ 1.595-8-082-2009; ТИ 1.595-8-083-2009; ТИ 1.595-8-084-2009; ТИ 1.595-8-085-2009.
-
Разработаны и выпущены технические условия на слитки для фасонного литья сплавов ВТ20Л, ВТ5Л (ТУ 1-595-8-1192-2011); ВТ6Л, ВТ40Л (ТУ 1-595-8-1193-2011);
-
Выпущены дополнения к паспортам: дополнение № 2 к паспорту №174 на сплав ВТ5Л; дополнение № 8 к паспорту №575 на сплав ВТ6Л; дополнение № 2 к паспорту №1760 на сплав ВТ40Л; дополнение № 8 к паспорту № 768 на сплав ВТ20Л.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах:
-
Юбилейный семинар «Технологии производства и обработки современных титановых сплавов», ВИАМ, г. Москва, 2011 г.
-
V Всероссийская научно-техническая конференция «Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства», г. Самара, 2013 г.
Объем диссертации и её структура. Диссертация изложена на 125 страницах, содержит 40 рисунков и 21 таблицу. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы из 90 наименований.
Технология получения фасонных отливок из титановых сплавов
Титан и сплавы на его основе являются важным конструкционным материалом. Большой спрос на титан и его сплавы объясняется специфическим комплексом их физико-химических свойств. Наряду с высокой удельной прочностью и малой плотностью они обладают хорошей коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред, в частности, в морской воде. Если к этому добавить вполне удовлетворительные технологические свойства (свариваемость, обрабатываемость давлением, литейные характеристики), то становится ясной, их перспективность практически для всех отраслей машиностроения. При внедрении титана и его сплавов в машиностроение значительно раньше фасонного литья начало развиваться производство штампованных заготовок. Это было связано в основном с тем, что известные технологические процессы и оборудование, применяемые для фасонного литья чугуна, сталей и сплавов цветных металлов оказались не пригодными для титановых сплавов. Однако в условиях расширяющегося применения деталей из титановых сплавов к началу 60-х годов детали из штампованных заготовок перестали удовлетворять потребителей. Это относится, прежде всего, к низким значениям (0,05-0,15) коэффициента использования металла (КИМ). Кроме того, плохая обрабатываемость титана резанием по сравнению с другими техническими металлами не позволяет использовать высокие скорости резания и дешевые инструментальные материалы [1]. Указанные причины послужили основанием для постановки в 60-е годы задачи замены штампованных заготовок литыми, наиболее близкими по геометрии к готовым деталям сложной конфигурации и позволившими повысить КИМ до 0,3 и более. В то же время себестоимость изготовления детали из литой заготовки значительно ниже, чем при использовании для этого штампованной заготовки. В результате стоимость литых деталей оказывается ниже стоимости штампованных.
При замене штампованных заготовок литыми необходимо учитывать обеспечение требуемого уровня и стабильности механических и эксплуатационных свойств деталей. Известно, что комплекс механических свойств отливок отличается от такового, присущего деформированным полуфабрикатам. По некоторым показателям литой металл превосходит деформированный, по другим – уступает ему. Так, предел прочности и усталостные характеристики отливок из титановых сплавов ниже, чем у деформированного металла, что связано с различиями их структуры и особенно с микроскопической и субмикроскопической пористостью, присутствующей в отливках. Однако эту пористость удается ликвидировать успешно внедряемым горячим изостатическим прессованием литых заготовок, вследствие чего повышаются их усталостные характеристики [2; 3]. Одним из преимуществ титановых отливок являются высокие ударная вязкость и вязкость разрушения К1С, значения которых не уступают, а нередко превосходят соответствующие свойства деформированного металла.
Приведенный сравнительный анализ показывает, что замена штампованной заготовки литой невозможна, если не обеспечиваются требуемые механические свойства и эксплуатационные характеристики детали. Штамповкой целесообразней, как правило, изготавливать относительно простые по геометрии заготовки для ответственных конструкций (например, шпангоуты, лонжероны, балки и т.п.). В остальных случаях эффективнее выполнять заготовки литьем, а для сложных по геометрии деталей нередко оказывается возможным применение только литых заготовок.
Для дальнейшего расширения области применения литых деталей с высоким экономическим эффектом необходимо добиваться повышения качества отливок и снижение их стоимости.
В настоящее время в мировой практике авиастроения титановые сплавы широко используются для различных деталей, в том числе в силовых узлах планеров самолетов, вертолетов и в авиационных двигателях. В Российском авиастроении наиболее высокий уровень использования титановых сплавов в конструкциях планера и систем дозвуковых широкофюзеляжных магистральных пассажирских и транспортных самолетов достигнут в конструкторском бюро имени С.В. Ильюшина. Относительная масса штампованных и литых деталей из титановых сплавов в планере составляет от 9% до 12%, в том числе в планере самолета ИЛ86 – 9% (7790 кг), ИЛ96-300 – 9,5% (8295 кг), ИЛ76Т – 12% (7300 кг). В планере самолета Боинг-747 масса деталей и узлов из титановых сплавов составляет 4536 кг или 4,25% [1].
В конструкциях самолетов и вертолетов литые детали из титановых сплавов применяют в воздухозаборниках, мотогондолах, агрегатах, системах управления рулями и других узлах. Для авиадвигателей используют литые заготовки корпусов, крыльчаток, разного рода кронштейнов, различных арматурных деталей. В целом в авиационной промышленности налажено серийное производство из титановых сплавов более 3000 наименований литых деталей различной сложности.
Основной номенклатурой титановых отливок для химической промышленности, гидрометаллургии, черной и цветной металлургии и других отраслей машиностроения, имеющих дело с агрессивными технологическими средами, является арматура, корпуса и крыльчатки центробежных насосов для перекачки химически активных жидкостей и газов. Технико-экономические преимущества применения титановых отливок в этих областях оправдывают их высокую стоимость. Экономический эффект от применения титановой аппаратуры получается, главным образом, за счет многократного увеличения срока службы. В ряде случаев достигается дополнительный экономический эффект благодаря возможности интенсифицировать процесс.
Методики исследования
При проведении экспериментов в лабораторных условиях все плавки проводились на гарнисажной печи ВДЛ-5. Отличительной особенностью литейной печи ВДЛ-5, от слитков печей ВД5 и ВД7 является процесс плавки где расплавляется весь электрод и жидкий металл накапливается в гарнисажном тигле. После сплавления электрода жидкий металл из тигля разливается в формы.
Тигель на печи ВДЛ-5, с учетом гарнисажа, имеет объем 11 дм3, что позволяет получить ванну жидкого металла весом до 50 кг.
Центробежная машина со столом 0830 мм, на которой крепится контейнер с формами, может обеспечить скорость вращения до 300об/мин. Такая скорость при заливке форм жидким металлом создает высокое центробежное давление и способствует быстрому заполнению форм и формирование литой детали.
Заливка металла на печи ВДЛ-5 производится путем поворота корпуса печи, т.к. тигель закреплен жестко с корпусом печи и слив расплавленного металла из тигля может производиться только поворотом всей печи.
Перед плавкой необходимо проверить работу всех узлов печи, чтобы обеспечить стабильный режим переплавки слитка в тигле и заливку форм жидким металлом. Поэтому в первую очередь необходимо проверить состояние гарнисажа в тигле. Если тигель сильно зарос металлом и его объем ванны для жидкого металла уменьшился, надо обязательно провести промывную плавку и только после этого можно проводить основную плавку с заливкой металла в формы.
Для промывной плавки используется электрод, полученный из отходов сплавов ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ20Л. Электрод готовят путем заливки отходов жидким металлом. Перед заливкой отходы очищаются от остатков формы и загружаются в стальную изложницу с таким расчетом, чтобы между отходами был зазор и жидкий металл залитый в кокиль мог связать все отходы в один слиток (Рисунок 5). Стальная изложница для заливки титановых отходов жидким металлом. После загрузки отходов в изложницу ее загружают в печь и закрепляют на столе центробежной машины, одновременно блокируют стол, чтобы он не поворачивался во время плавки и слива металла в изложницу.
При промывке гарнисажа тигля плавку ведут по режиму: вакуум при плавке 5-10-2-5-10-3 мм.рт.ст., удельном токе 40-51 А/см2, напряжение 33-35 В. Плавку начинают с 11-14 А/см2, затем переходят на 40-51 А/см2, заканчивают плавку при этом режиме и сразу сливают металл в изложницу.
После промывки тигля замеряется его объем, чтобы определить, какое количество жидкого металла может поместиться в тигле. Эта операция очень важная, так как позволяет предупредить брак по неполному заполнению форм жидким металлом из-за неправильного расчета объема тигля.
Объем тигля позволяет провести расчет жидкого металла при заполнении тигля, подготовить электрод заданного веса и определить какое количество форм можно залить жидким металлом.
После проверки работы всех узлов печи, проверяется контейнер, его крепление к столу центробежной машины, крепление центрального стояка в контейнере, наличие алюминиевых шаров для засыпки в контейнер с формами, наличие графитовых втулок для соединения форм с центральным стояком. Затем устанавливаются в контейнер формы с учетом требований центробежной заливки (Рисунок 6). Формы закрепляются в контейнере и засыпаются алюминиевыми шарами. После этого центральный стояк закрывается алюминиевой фольгой, на контейнер с формами надеваются крышка и подготавливают его для установки в печь.
А. Правильная. Б. Неправильная. Перед установкой контейнера в печь, ставят в печь слиток и приваривают к нему титановую державку и лишь потом устанавливают контейнер. Для этого электрод (слиток) устанавливают в тигель на графитовую пластину, чтобы во время приварки державки не приварился электрод к гарнисажу [37, 38]. Приварка державки проводится при удельном токе 40-51 А/см2, напряжении 31-33 В. После приварки, печь поворачивается на 90, чтобы центробежный стол находился в горизонтальном положении. Разгерметизируется плавильная камера, устанавливается контейнер на стол центробежной машины и жестко закрепляется, чтобы исключить возможность перемещения контейнера во время вращения. Плавка на гарнисажной печи ВДЛ-5 ведется на максимальном режиме в пределах 45-57 А/см2, напряжении 31-34 В. Перед окончанием плавки за 2-3 мин. до слива, включается центробежная машина и при достижении необходимых оборотов производится слив металла в формы.
После слива металла в форму, центробежную машину не выключают в течении 2-4 минут, чтобы кристаллизация металла проходила под давлением.
Залитые формы охлаждаются в печи 60-80 минут, печь разгерметизируют, контейнер отделяют от стола центробежной машины и вынимают из печи. С контейнера снимают крышку и удаляют из него шары. После этого вынимают из контейнера залитый блок с формами и отделяют отливки от центрального стояка и литниковой системы.
Формы с залитыми деталями направляют на выбивку, где отделяют залитые детали от формы. Очищенные от формы детали передают на механическую обработку.
Печь ВДЛ-5 после проведения плавки и выемки форм должна быть очищена и находится под вакуумом.
Изготовление образцов для испытаний механических свойств производили механической пилой на установке «DANOBAT». Изготовление образцов для всех видов исследований и испытаний проводилось в соответствии с СТП 1-595-Ц3-351-2001 «Порядок изготовления образцов для исследований и механических испытаний».
Для изготовления шлифов, образец вырезали из отливок с помощью отрезного станка металлографического комплекса Struers – Discotom-2. Разрезку осуществляли с высокой точностью при высоком качестве поверхности без перегрева благодаря интенсивному охлаждению.
Исследование степени ликвации в слитках сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л
Одним из эффективных и экономически целесообразных направлений повышения качества отливок из литейных титановых сплавов является оптимизация их химического состава в пределах широких диапазонов легирования химического состава серийных сплавов, определяющих допустимый размах вариации состава. В прямой зависимости от степени вариации их химического состава находится статистическая дисперсия механических свойств сплавов.
Целевым химическим составом сплава является конкретный химический состав, в пределах серийного состава, предусматриваемый специальными техническими требованиями потребителя. Наряду с целевым составом потребитель предусматривает также целевые диапазоны легирования, более узкие по сравнению с диапазонами легирования серийного состава. Такая дополнительная регламентация химического состава сплава направлена на достижение повышенного качества отливок, обеспечивающего повышение ресурса и надежности изделий авиационной техники [66, 76, 77].
Одними из наиболее важных показателей качества металлургических полуфабрикатов являются показатели статистической дисперсии механических свойств и характеристик работоспособности. В значительной степени показатели дисперсии свойств сплавов определяются величиной допустимых интервалов их легирования.
Сужение допустимых интервалов легирования обеспечит, прежде всего, уменьшение дисперсии предела прочности сплавов. В тоже время, из литературных данных известна корреляционная связь с пределом прочности характеристик пластичности (относительного сужения и удлинения), ударной вязкости, малоцикловой усталости и вязкости разрушения. Таким образом, за счет сужения допустимых (по ОСТ 1 90013) интервалов легирования, сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л, может быть достигнуто значительное уменьшение дисперсии целого ряда показателей качества материала отливок, в результате чего будет повышена надежность работы деталей и конструкций .
На основании анализа статистических данных по сплавам ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л (отливки были изготовлены на литейных установках типа ЛВДП-1 (ВИАМ) и 833Д (Балашиха), были проведены исследования механических свойств, структуры (таблица 7). По результатам проведенного анализа установлено, что разброс механических свойств полученных отливок находится в пределах ±80 МПа для сплавов ВТ20Л, ВТ6Л и ±90 МПа для ВТ5Л. Для сплава ВТ40Л изменение механических свойств проведен по опытным партиям, полученным при паспортизации сплава, и составляет ±90 МПа.
Алюминий, являясь -стабилизатором имеет следующие преимущества перед остальными легирующими компонентами: повышает Тпп, эффективно упрочняет , + и псевдо- сплавы при сохранении удовлетворительной пластичности и технологичности до довольно высоких концентраций, повышает модуль упругости, одновременно снижая плотность сплава. Его оптимальное содержание в сплаве не должно превышать 7% масс. При большем содержании алюминия сплав теряет стабильность из-за образования частиц интерметаллида Ti3Al, которые охрупчивают сплав (потеря термостабильности) [78].
Выбор композиций титановых литейных сплавов, обеспечивающих стабильный состав и структуру осуществлялся на основании ОСТ1 90013-81 и анализа данных по химическому составу и свойствам отливок из сплавов ВТ20Л, исследуемых сплавов были выбраны композиции с ограниченным диапазоном легирования алюминием, так как (таблица 8). Таблица 8 - Химический состав композиций титановых литейных сплавов где Вмакс и Вмин. соответственно, уровни прочности, рассчитанные по минимальным (Смин.) и максимальным (Смакс) уровням легирования сплава. На рисунке 8 показано сравнение размахов вариции предела прочности (В) серийных и скорректированных ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л. Для выплавки слитков из составов сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л. Рисунок 8 – Сравнение размаха вариации предела прочности серийных и скорректированных составов сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л Из приведенных данных следует, что выбранные диапазоны легирования содержания алюминия обеспечат значительное повышение стабильности предела прочности материала отливок и других характеристик свойств, связанных корреляционной зависимостью с пределом прочности.
Ступенчатый режим плавки с учетом глубины ванны жидкого металла можно рассчитать по приведенной формуле с последующей корректировкой после проведения серии плавок. Н = К I, где Н - глубина ванны жидкого металла (см), К - коэффициент коррекции, равный 4см/КА, I - сила тока дуги (КА) Расчет глубины ванны жидкого металла по выбранным режимам представлена в таблице 10. Таблица 10 - Глубина ванны жидкого металла при различных режимах плавки
Исследование механических свойств керамических форм для фасонных тонкостенных отливок из титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л
Известно, что диоксид кремния, входящий в состав связующего, используемого при изготовлении керамических форм, особенно активно взаимодействует с титаном в процессе отливки деталей. В связи с этим при отработке состава керамической суспензии добивались максимального возможного снижения содержания SiO2 в связующем.
В качестве связующего использовали водный раствор коллоидного диоксида кремния. По сравнению со спиртосодержащими связующими на основе этилсиликата ЭТС-40 использование водного кремнезоля имеет несомненные преимущества: взрыво- и пожаробезопасность водного связующего, отсутствие выделение паров спирта, эфира кремниевой кислоты, что улучшает санитарно-гигиенические условия труда; исключение дополнительной операция подготовки связующего (гидролиза этилсиликата); керамическая суспензия сохраняет требуемые реологические характеристики в течение длительного времени; сушка керамического покрытия выполняется в воздушной среде, без использования газообразного аммиака, относящегося к классу токсичных и взрывоопасных веществ; повышается на 40-50% прочность материала форм.
В качестве наполнителя керамической суспензии использовали термодинамически устойчивые Al2O3, ZrO2 и их смеси. В результате проведенных работ отработаны составы керамической суспензии и технологические параметры получения керамических форм. Содержание SiO2 в связующем составило 12-18%. В процессе уточнения соотношения твердой и жидкой фазы керамической суспензии установлено, что оптимальная вязкость суспензии для формирования на модельном блоке качественного лицевого (первого) покрытия должна составлять 70-90 сек. В этом случае соотношение жидкой и твердой фазы керамической суспензии составляет 1:3-1:3,7. Приготовление керамической суспензии на основе водного кремнезольного связующего, в отличие от суспензии на основе гидролизованного этилсиликата, выполняли при низких скоростях перемешивания. Использование высокоскоростных пропеллерных мешалок приводит к образованию значительного количества пузырей на поверхности суспензии, при этом в процессе выдержки суспензии без перемешивания количество пузырей на ее поверхности уменьшается. Попадание суспензии, содержащей воздушные пузыри, особенно на лицевое покрытие ухудшает его качество.
Установлено, что продолжительность сушки каждого слоя должна составлять от 1,5 до 4 ч в зависимости от количества слоев, скорости воздушного потока, температуры и относительной влажности воздуха.
Оптимальная температура обжига керамической формы в камерной электрической печи с силитовыми нагревателями составляет 1100-1250оС.
Три вида модельных блоков, изготовленных в соответствие с чертежами литейных блоков, показаны на рисунке 21. Также изготовлены модели для получения керамических образцов – свидетелей размером 5х20х40мм (рисунок 22). В качестве модельной массы использовали композицию ПС 50 (парафин:стеарин = 1:1). Детали модельных блоков получали методом свободной заливки расплавленной модельной массы ПС 50 в металлические формы. Сборку модельных блоков осуществляли методом пайки отдельных элементов с помощью электрического ножа-паяльника. На полученные модельные блоки наносили керамическое покрытие методом окунания в керамическую суспензию с последующей обсыпкой мелкозернистым (лицевые слои) и крупнозернистым электрокорундом и сушкой в потоке воздуха. Рисунок 21 – Восковые модельные блоки для получения керамических форм
Рисунок 22 – Восковая модель для получения керамических образцов Керамические формы и образцы получали методом послойного нанесения керамической суспензии на модельные блоки с последующей обсыпкой крупнозернистым порошком электрокорунда и сушкой в потоке воздуха.
Керамические суспензии состоят из наполнителя, включающего в себя высокоогнеупорные порошки оксидов алюминия и циркония, и модифицированное водное кремнезольное связующее с минимальным содержанием SiO2. Модифицированное водное кремнезольное связующее приготавливали из кремнезольного связующего «Сиалит-20С» с добавлением насыщенного водного раствора гидроокиси магния.
В модифицированное водное кремнезольное связующее вводили порошки огнеупорного наполнителя для получения керамической суспензии с условной вязкостью 75 сек. (по ВЗ-4). Такая суспензия использовалась для формирования внутреннего облицовочного слоя. Зависимость вязкости керамической суспензии от содержания огнеупорного наполнителя представлена на рисунке 23.