- •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
дочки, увеличения ее податливости после окончания кристаллизации спла ва и компенсации усадочных напряжений в отливках.
Подготовка материалов основы. Особое внимание следует обращать на форму зерен основы. При получении основы струйным помолом без по следующей обкатки в шаровых мельницах резко ухудшается качество по верхности отливок, т.к. зерна имеют осколочную форму. Оболочки из ма териалов струйного помола рыхлые, с низкой прочностью и большой от крытой пористостью, поэтому отливки получаются с шероховатой поверх ностью. Целесообразно подготовку материалов основы осуществлять в два этапа:
1) струйный помол до величины удельной поверхности зерен 30002500 см2/г;
2) последующее измельчение и обкатка зерен в вибрационных мельницах до величины удельной поверхности зерен 4000-6000 см /г.
Кратковременная обкатка незначительно загрязняет материал продук тами износа шаров, но существенно улучшает форму зерен. Прокаливание материалов основы в окислительной среде при 900-950 °С освобождает материал от органических примесей и переводит намолотое железо в без вредный для суспензии окисел Fe203.
4.2.2. Связующие материалы оболочек
Этилсиликатные связующие. При изготовлении огнеупорных обо лочек широко используется этилсиликат (ЭТС), относящийся к кислым связующим. Из растворов ЭТС в оболочке образуется аморфная двуокись кремния.
Этилсиликаты - прозрачные или слабоокрашенные жидкости с запа хом эфира. Это продукт реакции этилового спирта с четыреххлористым кремнием (реакция этерификации):
SiCl4 + 4С2Н5ОН -» (C2H50 )4Si + 4НС1,
где (C2H50)4Si - этиловый эфир ортокремниевой кислоты, называемый также тетраэтоксисиланом.
При использовании в реакции спирта, содержащего некоторое коли чество воды, последняя частично гидролизует продукты этерификации. Образовавшиеся молекулы диэтоксидигидросилана конденсируются (объ единяются), выделяя воду, которая вновь вступает в реакцию гидролиза. В результате образуется смесь соединений, которая называется техническим ЭТС. Условное количество двуокиси кремния, являющейся собственно связующим оболочки, принято указывать в обозначении марки продукта. Выпускаются две марки этилсиликата: ЭТС32 и ЭТС40.
ЭТС32 и ЭТС40 не могут быть связующими, т.к. не сообщают обо лочкам прочности. Для получения связующих растворов исходный ЭТС необходимо гидролизовать с тем, чтобы линейное строение молекул ис
ходного ЭТС превратить в разветвленное и частично сшитое или в колло идное состояние.
Водорастворимые органические связующие. Водорастворимыми ор ганическими связующими являются связующие на основе полиакрилоксибензолов: СбНДОН^ на основе резорцина и СНзСбНз(ОН)2 на основе метилрезорцина. Эти связующие отличаются высокой температурой стекло вания сшитого полимера (не ниже 150 °С), что обеспечивает хорошую термоустойчивость оболочек при выплавлении восковых моделей. Приме нение суспензии с таким связующим позволяет получать качественные оболочковые формы с высокой прочностью как в исходном состоянии, так и после прокалки. Целостность оболочковой формы при нагреве в темпе ратурном интервале 400-700 °С обеспечивается за счет образования и по степенного выгорания коксового остатка полимерного связующего. При температере свыше 700 °С начинаются процессы спекания керамической основы формы.
Водорастворимые связующие на основе коллоидного кремнезема.
Такие связующие на основе кремнезема представляют собой водные дис персии очень маленьких сферических частиц S1O2, которые связаны друг с другом и способны образовывать связи со всеми огнеупорными оксидами, применяемыми в литье по выплавляемым моделям. Частицы Si(>2 выращи ваются из отдельных молекул S1O2в процессе полимеризации, который по зволяет точно контролировать как размер частиц, так и их распределение.
Кремнезем в водном связующем находится в аморфном (не кристал лическом) состоянии, подобном состоянию плавленого кварца, поэтому он имеет очень низкий коэффициент термического расширения.
Силикатные связующие густые и вязкие. Вязкость же водно коллоидных связующих подобна вязкости воды. При этом S1O2 в них со держится не менее 25 вес. %. Частицы водно-коллоидных связующих не скапливаются и не осаждаются.
Эти свойства достигаются двумя путями:
1. Добавлением щелочи до достижения величины pH = 9... 10. При этом все частицы имеют положительный заряд, отталкиваются друг от друга и находятся во взвешенном состоянии.
2. Добавлением водорастворимых полимеров, придающих связующе му великолепную устойчивость и прочность, без применения щелочи. При этом поверхность каждой частицы модифицируется таким образом, что она заряжается отрицательно и не зависит от величины pH.
Положительными свойствами водно-коллоидного связующего по сравнению с этилсиликатным связующим являются следующие:
-отличная смачивающая и адгезионная способность к воску;
-устойчивость и прочность;
-возможности использования без предварительной подготовки, т.е. в
состоянии поставки;
-отсутствие регулировки pH;
-постоянство и стабильность свойств (плотность, вязкость, pH, вес
на плите, кроющая способность) в течение всего времени его эксплуата ции;
-отсутствие катализаторов при сушке огнеупорных слоев;
-отсутствие в составе латексных эмульсий, что позволяет использо вать высокоскоростные мешалки при приготовлении огнеупорных суспен зий;
-отсутствие вредных органических выделений в атмосферу.
Кроме того, живучесть суспензий на основе водно-коллоидного свя зующего превышает три года. Объем работ по обслуживанию суспензий и контролю их свойств минимален. Таким образом, вводно-коллоидное свя зующее является прекрасной заменой этилсиликата.
4.3. Технологический процесс формирования огнеупорной оболочки
Технологический процесс формирования оболочек включает в себя:
-приготовление связующего раствора:
-приготовление огнеупорной суспензии;
-смачивание блоков моделей в суспензии;
-обсыпку смоченных блоков зернистым огнеупором;
-сушку оболочек;
-удаление модельного состава.
4.3.1. Приготовление связующего раствора
Связующие растворы получают гидролизом ЭТС, для чего в него вво дят воду. Гидролиз - это процесс замещения содержащихся в ЭТС эток сильных групп (С2Н5О) гидроксильными (ОН), содержащимися в воде. Гидролиз сопровождается реакцией поликонденсации или полимеризации.
Поликонденсация - объединение различных молекул в одну с образо ванием полимеров и выделением простейшего вещества, воды, которая опять может вступать в реакцию гидролиза (рис. 4.5).
Объединение молекул, но без выделения простейшего вещества (во ды) называется полимеризацией (рис. 4.6).
Прохождение того или иного вида реакции объединения молекул обу словлено количеством вносимой с гидролизом воды и определяет форму полученного геля. В результате реакции поликонденсации образуется гель из крупных длинных молекул полиэтоксисиланов со сшитой разветвлен ной или сетчато-пространственной структурой.
ОС.Н» |
ОС,Н, |
HjCtO—Si—ОС,Н5-)- 2Ht0 -♦НО—Si—ОН -j- 2С2Н5ОН
ОС*Н, ос*н,
гидролиз пентамера
OR OR OR OR OR
RO—Si—О—li—0 —Si—0 —Si—0 —Si—OR 4- 2H*o -
I |
I |
I |
I |
I |
|
|
OR |
OR |
OR |
OR |
OR |
|
|
OR |
OR |
OR |
OR |
OR |
|
|
— H 0 - S i - 0 - S i - 0 - S i - 0 - S i - 0 - S i - 0 H |
+ 2C,H,0H, |
|||||
OR |
OR |
OR |
OR |
OR |
|
|
радикал C2H5. |
|
|
|
|
|
|
OR |
|
OR |
OR |
OR |
OR |
OR |
|
|
|
| |
| |
| |
| |
HO—Si—|0H + Н|0—Si—0--Si—0 —Si—0—Si—0 —Si—OH—
1 |
|
1 |
t |
i |
l |
l |
OR |
|
OR |
OR |
OR |
|
OR OR |
OR |
OR |
OR |
OR |
OR |
|
OR |
| |
| |
| |
1 |
| |
|
| |
— HO—Si—0 —Si—0-- S i- 0 - -Si—0 —Si—0 —Si—OH + H,0 |
||||||
1 |
I |
| |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|||
OR |
OR |
OR |
OR |
OR |
|
OR |
OR |
OH |
OR |
|
OH |
OR |
|
R O -S i-O —Si—O - S i- O |
|
—Si—0 —Si—OH |
||||
I |
I |
/ |
|
/ |
/ |
|
О |
0 |
OROR |
|
OR OR OROR |
||
RO—Si—0 —Si—0 —Si—0 .......- S H- 0 - S'CoH |
||||||
I |
\ |
\ |
|
\ |
|
I |
0 |
OROR OROR |
OROR |
|
0 + H,0 |
||
HO—Si—0 —SI—0 —Si^-0.......^ S i-O -S i-O R |
||||||
OR |
OR |
C!R |
|
OR |
|
OR |
Рис. 4.5. Схема реакции поликоденсации
|
|
OR |
|
|
|
RO—Si-—OR -4" 4HjO —♦ |
|||
|
|
I |
|
|
|
|
OR |
|
|
|
|
OH |
|
|
|
—HO—Si—OH + 4С*Н,ОН; |
|||
|
|
I |
|
|
|
|
OH |
|
|
гидролиз пентамера: |
|
|
|
|
OR |
OR |
OR |
OR |
OR |
„ I |
I |
I . |
I |
I . |
RO—Si—О—Si—О—Si—О—Si—0 —Si—OR 4- 12H»0—*
I |
I |
I |
I |
I |
OR |
OR |
OR |
OR |
OR |
OH OH |
|
OH OH |
|
OH |
— HO -f- Si—O—Si—0 —Si—0 —si—O—Si—OH -f 12C,He0H.
I I I I I
OH OH OH OH OH
поликонденсация:
OH |
OH |
OH OH OH |
OH |
H O -Si— |0H + H| O—Si—O—A—O -S i-O —L —O—Si—OH —
I --------- |
I |
I |
I |
I |
I |
OH |
OH |
OH |
OH |
OH |
OH |
OH OH |
OH |
OH |
OH |
OH |
|
— HO—Si—O—Si—O—Si—0 —Si—0 —Si—0 —Si—OH + H-0.
I |
I |
I |
I |
OH |
I |
I |
OH |
oH |
|
о н |
OH |
OH |
|
OH |
OH |
|
OH |
OH |
OH |
OH |
I |
I |
|
I' |
I |
I |
I |
HO-Si—O—Si—O—S i-O -S i—О- S i—O—Si-O H —
I |
I |
I |
I |
I |
I |
OH |
OH |
OH |
OH |
OH |
OH |
|
|
OH |
|
|
|
I
OH
Рис. 4.6. Схема реакции полимеризации
При реакции полимеризации образуется гель в виде замкнутых соеди нений, т.к. отсутствуют причины для их роста в одном преимущественном направлении. Частицы геля принимают форму, близкую к форме шара с наименьшей поверхностной энергией и наибольшей массой. Каждая час тица геля плотно упакована, ее упаковка по структуре близка к упаковке атомов в кварцевом стекле.
Группы С2Н5О и ОН в молекулах ЭТС и связующих растворах назы ваются функциональными. Для протекания гидролиза и поликонденсации каждая молекула должна иметь не менее двух функциональных групп. Только в этом случае этоксильные группы (С2Н5О) могут быть замещены гидроксильными (ОН), а последние могут объединяться с образованием воды и новых соединений.
При изучении свойств связующих растворов на основе ЭТС принци пиально важными являются два понятия:
- степень гидролиза, представляющая собой отношение количества замещенных этоксильных групп С2Н5О, выраженного в процентах, к об щему процентному содержанию их в ЭТС;
- отношение массы воды, необходимой для гидролиза, к массе эток
Н20
сильных групп ЭТС
w с 2н 5о
По количеству воды, затраченной на гидролиз, все связующие раство ры делятся на три типа:
1- й тип (т = 0,2.. .0,3) - гомогенные растворы высокополимеров; 2- й тип (т = 0,5...0,7) - смесь коллоидных растворов кремниевой ки
слоты и гомогенных растворов полимеров; 3- й тип (т> 1) - коллоидные растворы кремниевой кислоты.
Качество керамической оболочки находится в прямой зависимости от качества геля, получаемого на том или ином связующем растворе.
Гидролизат (раствор 1-го типа) обладает более стабильной во времени живучестью, высокими прочностными свойствами при меньшем расходе исходного продукта. При высыхании гидролизата образуется плотный, без трещин гель. С увеличением количества воды в гидролизате, т.е. с перехо дом от гомогенных растворов полимеров к растворам, представляющим собой смесь высокополимерных растворов с коллоидными, гель образуется с сеткой трещин, увеличивающейся по мере увеличения количества воды в гидролизе. Меняется и характер трещин: от мелкой частой сетки к грубой и крупной, способной разрушаться, при этом ухудшаются и прочностные
характеристики оболочки.
Гидролизаты при сравнительно одинаковом их химическом составе в зависимости от мольного отношения значительно отличаются друг от дру
га по свойствам, в частности по времени огеливания. От их свойств зави сит выбор метода и параметров сушки оболочковых форм после нанесения огнеупорного покрытия.
Суспензии со связующим 1-го типа хорошо смачивают поверхность модели, т.к. спирт, используемый при гидролизе, является низкомолеку лярным поверхностно-активным веществом, а количество воды, которая обладает большим, чем спирт, углом смачивания, незначительно. Вязкость растворов 1-го типа практически не меняется в течение года при их хране нии. Пленки на основе этих растворов сохнут на воздухе медленно, без трешин и обратимо, т.е. при повторном смачивании (после полного высы хания) они набухают и вновь растворяются. Так же ведет себя и оболочка. Такие соединения в оболочках легко гидролизуются влажными парами аммиака с образованием геля кремниевой кислоты. При этом после сушки оболочек в аммиаке пленки в них твердеют необратимо.
Механизм гидролиза связующих растворов 2-го типа можно предста вить следующим образом. После введения ЭТС в подкисленную водно спиртовую смесь в ее объеме всегда имеются микрообъемы как с дефици том, так и с избытком воды для гидролиза. Там, где воды мало, протекают реакции гидролиза и поликонденсации с образованием полиэтоксисиланов, а там, где воды избыток, - реакции полимеризации с образованием золей. В результате связующее представляет собой смесь двух различных по при роде растворов полиэтоксисиланов и золей двуокиси кремния. Вязкость растворов 2-го типа при хранении медленно повышается, через 3^4 месяца происходит их желатинизация, а затем они превращаются в гель. Процесс протекает тем быстрее, чем больше двуокиси кремния и соляной кислоты в связующем. Оболочки высыхают и твердеют на воздухе необратимо, но при их сушке необходима повышенная влажность воздуха (до 80 %), что бы в объеме оболочки завершились процессы гидролиза и поликонденса ции кремнийорганических полиэтоксисиланов связующего. Прочность оболочковых форм с растворами 2-го типа ниже, чем с растворами 1-го ти па.
Связующие растворы 3-го типа получают после разбавления ЭТС спиртом, введения расчетного количества подкисленной воды и активного их смешивания. Рост молекул поликремниевой кислоты в спиртово-водной среде сопровождается увеличением вязкости раствора. Образуется селиказоль, который желатинизируется во всем объеме вследствие агрегации час тиц, а при высушивании и прокаливании превращается в гель.
Свойства растворов 3-го типа и суспензий на их основе существенно отличаются от свойств растворов 1-го типа: вязкость их быстро повышает ся, в герметичных сосудах они быстро желатинизируются. Их необходимо использовать в течение суток после приготовления. Увеличение содержа ния в этих растворах SiC>2 и НС1 ускоряет процесс огеливания. Оболочки