- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. СВОЙСТВА И СОСТАВ МАТЕРИАЛОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ
- •1.1. Общие свойства керамики
- •1.1.1. Микроструктура
- •1.1.3. Механическая прочность
- •1.1.4. Модуль упругости
- •1.2.2. Ползучесть
- •1.2.3. Длительная прочность
- •1.3. Теплофизические свойства керамических материалов
- •1.3.1. Теплопроводность
- •1.3.2. Термическое расширение
- •1.4. Термические свойства керамики
- •1.4.1. Огнеупорность
- •1.4.2. Термическая стойкость
- •1.6. Состав и свойства материалов для керамических стержней
- •1.6.1. Огнеупорные материалы
- •1.6.2.Связующие вещества
- •2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ
- •2.1. Основные стадии производства керамики
- •2.3. Прессование стержней
- •2.3.1. Требования к шликерам
- •2.3.2. Прессование
- •2.3.3. Оборудование для прессования стержней
- •2.3.4. Подготовка стержнй"сыРПа к обжигу
- •2.4. Обжиг ст<Фжней
- •2.4.4. Процессы спекания и обжиг керамики
- •2.4.5. Жидкостное спекание
- •2.4.6. Твердофазовое спекание
- •2.4.7. Факторы, определяющие режим обжига изделий
- •2.5. Изготовление стержней лопаток
- •2.5.1. Подготовка исходных материалов
- •2.5.2. Приготовление пластификатора
- •2.5.3. Приготовление термопластичной массы
- •2.5.4. Прессование керамических стержней
- •2.5.5. Рихтовка сырых стержней
- •2.5.6. Изготовление образцов-свндетелей
- •2.5.7. Упаковка сырых стержней в короба
- •2.5.9. Выгрузка коробов из печи и стержней из коробов
- •2.5.10. Определение прочности образцов
- •3.2. Классификация восковых масс по назначению
- •3.2.1. Модельные массы
- •3.2.2. Литниковые массы
- •3.2.3. Водорастворимые массы
- •3.2.4. Специальные модельные массы
- •3.3. Свойства восковых масс и их влияние на качество моделей и отливок
- •3.4. Мониторинг дефектов восковых моделей
- •4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ
- •4.1. Требования к керамическим оболочковым формам
- •4.1.1. Точность воспроизведения конфигурации моделей
- •4.1.3. Термическая стойкость
- •4.1.4. Газопроницаемость и газотворность
- •4.1.5. Химическая стойкость и инертность
- •4.2. Материалы для оболочковых форм, их характеристика и подготовка
- •4.2.1. Основа оболочковых форм
- •4.2.2. Связующие материалы оболочек
- •4.3. Технологический процесс формирования огнеупорной оболочки
- •4.3.1. Приготовление связующего раствора
- •4.3.2. Приготовление огнеупорной суспензии
- •5. ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
- •5.1. Требования к жаропрочным материалам
- •5.2. Классификация жаропрочных сплавов на основе никеля
- •5.3. Основные структурные составляющие никелевых сплавов
- •5.4. Основные направления увеличения прочности сплавов на никелевой основе
- •5.5. Легирование литых жаропрочных сплавов
- •5.6. Термообработка никелевых жаропрочных сплавов
- •6.4.2. Восстановление неметаллических включений
- •6.5. Технологические приемы повышения свойств литых жаропрочных сплавов
- •6.5.1. Поверхностное модифицирование
- •.6.5.2. Модифицирование сплава дисперсными частицами тугоплавких элементов
- •6.5.3. Высокотемпературная обработка расплава
- •7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТОНКОСТЕННЫХ ГАБАРИТНЫХ
- •ОТЛИВОК
- •7.1. Влияние технологических параметров на заполняемость литейных форм металлом
- •7.1.1. Полнота удаления модельного состава из форм
- •7.1.2. Полнота удаления газотворных составляющих
- •7.1.3. Состояние поверхности лицевого слоя оболочки
- •8.3. Внутренние дефекты отливок
- •8.4. Несоответствие по геометрии
- •8.5. Прочие виды дефектов лопаток
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ ОТЛИВОК АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
нанесение закрепляющего слоя (методом распыления или методом окунания).
3.Теплофизические свойства материалов оболочки, в частности ко эффициенты термического расширения материалов оболочки (КДСП (кон центрат дистен-силлиманитовыи порошкообразный) + электрокорунд; электрокорунд + электрокорунд; добавки кварца).
4.Вид связующих растворов (ГЭТС или кремнезоли), в частности содержание двуокиси кремния в связующем.
5.Режим вытапливания модельного состава из оболочки (горячая во да; пар; бойлерклав; пропитка форм перед вытапливанием водой).
6.Режим сушки и прокалки оболочек.
7.Климатические условия формирования оболочки:
мольное соотношение — « jp -
с2н5о,
-температура суспензии и воздуха в помещении сушки оболочки;
-относительная влажность воздуха в помещении сушки оболочки;
-температура и влажность паров аммиака для катализа ГЭТС;
-наличие воздушных потоков в помещении сушки оболочки (осо бенно для лицевых слоев оболочки);
-вид сушки - воздушно-аммиачная, вакуумно-аммиачная либо их комбинация;
-наличие непросушенных участков на оболочке в результате скоп ления зерен обсыпки и затрудненного доступа паров аммиака и водяных паров к поверхности очередного слоя.
8. Химический состав материала оболочки, в частности влияние вред
ных примесей в основе (РегОз; Si02i ИагО).
4.1.3. Термическая стойкость
На термическую стойкость оболочки существенно влияют:
-коэффициент термического расширения;
-модуль упругости конструкции оболочки;
-перепад температур в оболочке.
При прокаливании оболочки ее наружные слои нагреваются до более высоких температур и расширяются, чему препятствуют внутренние более холодные слои (рис. 4.3). В последних возникают растягивающие напря жения, которые при быстром нагреве оболочки могут превысить ее предел прочности и вызвать образование в ней трещин. Через некоторое время после окончания заливки контактная поверхность оболочки нагревается до температуры, близкой к средней температуре затвердевания сплава. Тем пература же наружных слоев некоторое время остается первоначальной.
Вследствие этого в контактном слое возникают сжимающие напряжения, а в наружных - растягивающие.
II
5-6
Рис. 4.3. Схемы температурных полей в оболочках: I - прокаливание, II - заливка стали; 1 - оболочка; 2 и 2 ' - нагрев соответственно от печи и от металла; 3,4 - распределение температуры в начале и в конце прокалива ния; 5,6 - распределение температуры перед заливкой и после затвердева ния отливки
В результате термического расширения контактного слоя возможны три явления, приводящие к дефектам отливок:
-вспучивание облицовочного слоя, под который проникает металл;
-выкрашивание поверхностных зерен по линиям наибольших напря жений с образованием засоров в отливках и протяженных бороздок на их поверхностях;
- образование трещин в контактном слое, которые могут стать сквоз ными с уходом металла из формы.
Значительная потеря прочности может привести к образованию тре щин и искажению геометрии отливки (раздутие формы), а также к полно му ее разрушению.
При изготовлении отливок, внутренняя полость которых оформляется керамическими стержнями, актуальной проблемой становится различие коэффициентов термического расширения (КТР) материалов оболочки и керамических стержней. В отличие от КТР стержней на величину КТР оболочки существенно влияет связующее - находящаяся в коллоидальном состоянии двуокись кремния (SiC>2), которой в форме до 25 %. Она обу словливает изменение КТР и снижение термической стойкости форм. Дан ное обстоятельство отрицательно сказывается на качестве лопаток ГТД, т.к. разные КТР стержней и форм приводят к короблению стержней и не оформлению стенок лопатки. Чтобы избежать этого, проводят специаль ные технологические мероприятия: раззазоривание знаковых частей стержня, использование жеребеек, подбор материалов с известными значе ниями КТР.
4.1.4. Газопроницаемость и газотворность
Литейную оболочковую форму можно представить как пористое ог неупорное тело. Поры формируются при изготовлении оболочки в основ ном за счет трех факторов:
-неплотной упаковки зерен при использовании пескосыпов типа «ки пящий слой»;
-применения крупных фракций обсыпочных песков;
-усадки пленок связующего послойно в процессе воздушной и амми ачной сушки.
От газопроницаемости во многом зависит степень удаления газотвор-
ных составляющих из оболочки.
Готовая литейная оболочка со стороны лицевого слоя пропитана ос татками модельного состава и содержит этоксильные группы (С2Н5О) свя зующего из этилсиликата.
Все газотворные составляющие из состава оболочки должны быть удалены. Обычный способ удаления - прокалка оболочек при температуре 950+5° °С в течение не менее 4 часов.
4.1.5. Химическая стойкость и инертность
При заливке металла с момента его соприкосновения с лицевым слоем горячей оболочки и еще некоторое время в процессе его кристаллизации
происходит взаимодействие расплава с кислородом воздуха, в результате на его поверхности образуется окисная пленка. После заливки продолжа ется окисление сплава и взаимодействие его с окислами оболочки. Появ ляющиеся при этом легкоплавкие эвтектики заполняют капилляры оболоч ки и, пропитывая ее, образуют контактную зону, обычно называемую при гаром: механическим или химическим.
Устранение пригара - процедура сложная и трудоемкая, поэтому, что бы его исключить, для оболочек обычно подбирают огнеупорные материа лы с хорошими физико-химическими свойствами. Тщательный подбор ог неупорных материалов, представляющих собой либо чистые окислы, либо соединения окислов, позволяет избежать плавления металлов и восстанов ления вредных металлов из окислов за счет присутствия в сплаве сильней шего восстановителя - углерода.
Для исключения механического пригара необходимо формировать плотный глянцевый лицевой слой оболочки и снижать температуру зали ваемого металла (за счет увеличения скорости слива металла в форму). Снижение содержания углерода в сплаве (в пределах требований ТУ на сплав), являющегося сильным восстановителем металлов из окислов тигля и оболочки, также способствует уменьшению механического пригара на отливках.
Степень химической инертности материалов оболочки, а также нали чие вредных (легкоплавких) примесей в материале основы определяют термостойкость и химическую стойкость оболочки и, как следствие, вели чину пригара на отливках.
4.2. Материалы для оболочковых форм, их характеристика и подготовка
Формовочные материалы включают в себя:
-материал основы (пылевидный);
-зерна для обсыпки слоев суспензии на блоках моделей;
-связующее.
4.2.1. Основа оболочковых форм
Материал основы состоит из окислов или их соединений (табл. 4.1). Окислы. В литейном производстве применяются кварцы (Si02) кри
сталлической и аморфной модификации.
Кристаллический кварц - природный материал, который добывают в карьерах в виде кварцевого песка;
Аморфный кварц - искусственный материал, получаемый плавлением кварцевых песков. Отличаются эти кварцы строением и коэффициентами
Таблица 4.1
Свойства материалов основы оболочки (микропорошки)
Материал и химическая формула
Окислы:
кварц кристаллический SiC>2 кварц плавленый (аморфный, непрозрачное кварцевое стекло) S i0 2
электрокорунд белый а-А12Оз окись магния (магнезит) MgO
Соединения окислов:
дистен-силлиманит AbCVSiCb циркон Z r0 2-Si02 высокоглиноземистый шамот 3Al203*Si02
муллит 3Al203-2Si0 2 молохит
Химические |
^пл> |
Р, |
Коэффициент ли |
Рекомендуемая удельная |
|
нейного расшире |
поверхность пылевидно |
||||
свойства |
°С |
кг/м3 |
|||
ния, 1/°С |
го материала, м2/кг |
||||
|
|
|
|||
Кислый |
1713 |
2650 |
13,7-10~6 |
400-600 |
|
» |
1713 |
2200 |
0,5-10-6 |
400-600 |
|
Амфотерный |
2050 |
3900 |
8,6-10-6 |
600-700 |
|
Основной |
2400 |
3870 |
13,5-Ю-6 |
500-600 |
|
Слабокислый |
1545 |
3250 |
4,7- Ю-6 |
500-600 |
|
» |
1800 |
4570 |
5,1-10-6 |
600-800 |
|
Амфотерный |
1600 |
3000 |
5,3-10-6 |
|
|
» |
1810 |
— |
(4,5-5,7) • 10”* |
- |
|
|
|
|
|||
Амфотерный |
1770 |
2700 |
4,4-10-6 |
|
термического расширения. При нагреве и нормальном давлении кристал лический кварц претерпевает четыре полиморфных превращения с изме нением плотности от 2650 до 2200 кг/м (рис. 4.4). Наиболее существенно быстропротекающее превращение при нагреве до 573 С, в результате ко торого линейный размер увеличивается на 1,4 %. Превращение при 870 °С происходит крайне медленно и для практики литья значения не имеет. При заливке сплавов контактный слой оболочки нагревается до 1500 °С, что приводит к кристобалитизации кварца (третье превращение) с увеличени ем размеров зерен. Данный процесс позволяет снижать прочность оболоч ки в момент кристаллизации сплава и улучшать ее податливость при его усадке. Количество кристаллического кварца в основе оболочки определя ется по результатам технологических испытаний.
573 °С |
|
|
870 °С |
|
1470 °С |
|
Превращения: (3-кварц < |
►а-кварц |
, |
»ц-тридимит |
-— |
► |
|
|
2650 кг/м |
2520 кг/м* |
|
|||
|
1713 °С |
|
|
|
|
|
* а-кристобалит |
ч |
* |
плавленый кварц |
|
|
|
2320 кг/м3 |
|
|
2200 кг/м3 |
|
|
Рис. 4.4. Схема полиморфных превращений кристаллического кварца
Кварц аморфный - кварцевое стекло - представляет собой затвер девшую переохлажденную жидкость с неупорядоченным строением. По рошки кварцевого стекла обладают ничтожно низким коэффициентом тер мического расширения и высокой термостойкостью, однако в силу целого ряда-причин кварцевое стекло не нашло широкого применения для изго товления огнеупорных оболочек.
Электрокорунд (а-А^Оз) - искусственный материал, получаемый восстановительной плавкой бокситов в дуговых печах. Электрокорунд хи мически стоек, не подвержен полиморфным превращениям, обладает плавным расширением. Оболочки на его основе имеют достаточную тер мическую стойкость, что позволяет использовать их в горячем виде без опорного наполнителя. Однако взаимодействие имеющихся в электроко рунде небольших количеств алюмината натрия (в виде относительно мяг ких включений) со связующим ЭЮг из ГЭТС при прокаливании оболочек или заливке их сплавом может привести к образованию на поверхности зе
рен основы легкоплавких соединений типа Na20 А120 3 4Si02 (жадеит) с температурой плавления 1060 °С или Na20 А120 3 6Si0 2 (альбит) с тем пературой плавления 1100 С. Это приведет к размягчению оболочек при температуре 1060 °С и резкому падению их прочности при температуре 1200°С.
В литейном производстве по выплавляемым моделям (ЛВМ) электро корунд, содержащий минимальное количество вредных примесей (Si02, Na20 , Fe20 3), нашел самое широкое применение из всех известных оки слов. Он используется и в качестве основы (порошкообразный), и качестве обсыпки (в виде зерен) слоев суспензии на блоках моделей. Нельзя исполь зовать глинозем (у-А120 3) для изготовления оболочковых форм и стержней при ЛВМ, т.к. из-за его активного химического взаимодействия с окислами сплавов образуется пригар. Кроме того, при прокаливании и заливке форм происходит необратимое полиморфное превращение у-А120 3 -» а-А120 3с
уменьшением объема зерен, т.к. плотность у-А120 3 = 3700 кг/м3, а плот ность а-А120 3= 3900 кг/м3
Соединения окислов. Наиболее широко применяются алюмосилика ты: муллит, высокоглиноземистый шамот и дистен-силлиманит.
Муллит (3Al20 3-2Si02) обладает небольшим коэффициентом терми ческого расширения, устойчив при высоких температурах. Запасы природ ного муллита ограничены, а его синтез при плавке глинозема и очищенно го кристаллического кварца крайне трудоемок. Поэтому муллит не нашел широкого применения.
Силлиманитовая группа алюмосиликатных соединений окислов включает в себя: силлиманит, андалузит, дистен-силлиманит (кианит). Они имеют одинаковую формулу (Al20 3-2Si02), но различаются полиморфным состоянием. Методом обогащения силлиманитовых пород получают кон центрат, который после прокалки при 900-1000 °С поставляют потребите лю. Наибольшее применение при изготовлении отливок методом ЛВМ на шел концентрат дистен-силлиманита пылевидный (КДСП), который ис пользуют как наполнитель огнеупорной суспензии. КДСП содержит в сво ем составе: А120 3 > 57 %, Fe20 3 < 0,8 %, СаО < 0,2 %, MgO < < 0,4 %, ТЮ2< 1,5 %, остальное Si02. При 1300-1350 °С в дистен-силлиманите проходит реакция образования муллита с выделением Si02и увеличением объема зерен до 15%.
Данный факт объемного изменения КДСП в сочетании с имеющейся разницей в КТР дистен-силлиманита и электрокорунда (см. рис. 3.1) широ ко используется литейщиками для снижения прочности огнеупорной обо