УДК 621.746:629.735

Л

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой «Технология литейного производства»

Пермского государственного технического университета М.Н. Игнатов; заместитель главного металлурга ОАО «Протон - ПМ»

кандидат технических наук В.А. Дубровский

Максютина Л.Г. и др.

М17 Литье по выплавляемым моделям отливок авиационнокосмического назначения: Учеб, пособие / Л.Г. Максютина, А.В. Шилов, В.Л. Звездин, А.С. Коряковцев; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2005. - 140 с.

Рассмотрены свойства огнеупоров, связующих растворов и металлов, ис­ пользуемых в производстве отливок по выплавляемым моделям, влияние механических и теплофизических свойств керамики на качество изделий, технология изготовления стержней и форм, дефекты отливок и причины их возникновения.

Для студентов, инженеров и техников, работающих в области литейного производства.

©ОАО «Авиадвигатель», 2005

©Л.Г. Максютина, А.В. Шилов, В.Л. Звездин А.С. Коряковцев, 2005

ВВЕДЕНИЕ

Метод литья по выплавляемым моделям известен с древних времен. Тогда он применялся для изготовления художественных отливок и юве­ лирных изделий.

Позднее, благодаря своим преимуществам перед другими способами изготовления отливок, метод литья по выплавляемым моделям получил широкое распространение в машиностроении и приборостроении. Он по­ зволяет получать из любых литейных сплавов отливки массой от несколь­ ких граммов до десятков килограммов со стенками до 0,5 мм и с шерохо­ ватостью до Ra =1,25 мм, максимально приблизить форму отливки к форме готовой детали, а в ряде случаев, особенно в производстве лопаток газо­ турбинных двигателей, изготовлять отливки без припуска на механиче­ скую обработку.

Современный процесс получения отливок по выплавляемым моделям состоит в следующем. В пресс-формах изготавливают модели деталей и литниковой системы, для чего обычно используют легкоплавкие воскооб­ разные материалы. Модели соединяют в блок, после чего на них слоями наносят суспензию из связующего раствора и пылевидного огнеупорного материала с присыпкой зернистым огнеупором. Из полученной много­ слойной неразъемной оболочковой формы удаляют выплавлением, раство­ рением или выжиганием модельный состав. Затем оболочки прокаливают и заливают металлом.

Массовое и серийное производство отливок по выплавляемым моде­ лям осуществляется в механизированных и комплексно-автоматизирован­ ных цехах.

1. СВОЙСТВА И СОСТАВ МАТЕРИАЛОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ

Технология изготовления пустотелых лопаток предусматривает вы­ полнение их внутренней полости керамическими стержнями. Характер на­ грузок, которым подвергается стержень в процессе подготовки формы к заливке и в процессе заливки, весьма сложен. Под действием высокой тем­ пературы и металлостатического давления стержни испытывают изгибаю­ щие усилия, при этом в их жестко закрепленных замковых частях возни­ кают напряжения среза. Кроме того, при заливке рабочие поверхности стержня подвергаются динамическим нагрузкам со стороны струи металла. Часто изготовление стержня осложняется, если в нем имеются резкие пе­ реходы от тонкой выходной кромки (0,5-0,6) мм к утолщенной средней части (до 12,0-14,0 мм), присутствует сложная система штырьков и турбулизаторов.

Практика показывает, что у стержней подобной конфигурации наибо­ лее вероятно образование трещин в местах перехода и повышенное короб­ ление вследствие значительных напряжений, возникающих при обжиге.

Стержни представляют собой совокупность огнеупорной твердой ос­ новы (электрокорунд, кристаллический кварц, плавленый кварц, циркон), минерализаторов (связующие), специальных добавок и пластификатора (парафин, полиэтилен). В процессе обжига происходит комплексное взаи­ модействие всех компонентов, в результате чего формируются свойства готовых керамических стержней, определяющие, в свою очередь, качество

игеометрическую точность отливок лопаток.

1.1.Общие свойства керамики

1.1.1. Микроструктура

Свойства любых видов керамик зависят от ее строения. Под строени­ ем подразумевается взаимное сочетание и распределение кристалличе­ ских, стекловидной (аморфной) и газовой (т.е. пор) фаз, их физико­ химическая природа и количественное соотношение. Особенности строе­ ния керамики оценивают путем исследования ее микроструктуры и тек­ стуры. Микроструктура определяет природу кристаллических фаз, харак­ тер их строения и сочетания со стекловидной фазой и порами, а текстура - объем пор, их размеры, строение, форму и взаимное расположение в изде­ лии.

В большинстве случаев свойства керамических материалов обуслов­ ливаются их фазовым составом и характером строения фаз. Под фазовым

составом подразумевают природу и характер строения кристаллических фаз и их сочетание в количественном соотношении со стекловидной и аморфной фазами.

Чистоту исходного сырья и готовых изделий, химическую природу засоряющих примесей контролируют количественным химическим анали­ зом.

Рентгенофазовый анализ позволяет установить природу и количество кристаллических фаз.

Для изучения высокодисперсных образований используют электрон­ ный микроскоп с увеличением до 20-30 тысяч раз. Значительно расширяет возможности исследований рентгеноструктурный анализ, позволяющий идентифицировать кристаллические фазы высокой степени дисперсности (вплоть до 0,01- 0,001 мкм), определять количество той или иной кристал­ лической фазы, а также особенности строения кристаллической решетки. Указанные методы анализа позволяют детально изучить микроструктуру и фазовый состав керамических изделий.

1.1.2. Пористость и проницаемость

Всякий керамический материал представляет собой сочетание твердо­ го вещества (кристаллического и стекловидного) с пустотами-порами. Объем пор, их размеры и характер распределения оказывают решающее влияние на ряд свойств изделий. Так, от количества, характера распреде­ ления и размера пор зависит прочность керамики, ее пропитываемость расплавленными шлаками (т.е. жидкостью определенной вязкости), кисло­ тоупорность, шлакоустойчивость (например огнеупорной футеровки пе­ чей); теплопроводность (например строительной и теплоизоляционной ке­ рамики). Кроме того, керамика является во многих случаях важным фильтрующим материалом для газов и жидкостей, и тогда ее проницае­ мость для тех или иных веществ приобретает решающее значение.

Поры, имеющиеся в керамике, подразделяют на:

-закрытые - поры, недоступные для проникновения в них жидкости и газообразных продуктов;

-тупиковые - поры, заполняемые жидкостью или газом, но не влияющие на проницаемость керамики;

-каналообразующие - поры, создающие проходные каналы. Проницаемость керамики, имеющая важное практическое значение,

зависит прежде всего от количества каналообразующих пор и наличия на их открытых концах перепада давления.

Для характеристики пористости керамических материалов использу­ ют следующие показатели:

а) истинную плотность Y„, г/см3, - массу 1 см3 материала, исключая поры;

б) кажущуюся плотность YK, г/см , - массу 1 см3 материала, включая поры;

в) истинную пористость Пи - суммарный объем всех открытых и за­ крытых пор, выраженный в процентах к общему объему материала;

г) кажущуюся, или открытую, пористость Пк - объем пор, заполняе­ мых водой при кипячении, выраженный в процентах к общему объему ма­ териала (следовательно, закрытая пористость П3= Пи - Пк).

Истинная пористость

кажущаяся пористость Пк = В Y„;

д) водопоглощение В - весовое количество воды, заполняющей поры материала при кипячении, выраженное в процентах к весу сухого ма­ териала;

е) удельную поверхность пористого тела - площадь внутренних по­ верхностей пор, приходящуюся на единицу объема материала;

ж) коэффициент проницаемости, который показывает, какое количе­ ство газа или жидкости протекает в единицу времени через единицу пло­ щади и толщины образца при определенном перепаде давлений.

Истинная плотность Y„ какой-либо разновидности керамики обуслов­ ливается плотностью того кристаллического вещества, которое ее слагает. Например, Y„ чистой корундовой керамики составляет 3,99-4,0 г/см3 Од­ нако при наличии в этой керамике примесей, образующих при обжиге стекловидную фазу или иные кристаллические образования, YHснижается. Если в керамике присутствуют примеси, образующие кристаллическую фазу, то YH увеличивается. Плотность может изменяться и за счет поли­ морфных превращений. Например, переход содержащегося в керамиче­

ристость полностью спекшейся керамики составляет 3-5 %, кажущаяся - менее 0,1 %.

В зависимости от величины пористости все керамические материалы подразделяются на спекшиеся и пористые. Формальным признаком спек­ шейся строительной керамики принято считать кажущуюся пористость менее 2 %, огнеупорной - 3 %, вакуумной и фарфора - 0, 1- 0,2 %.

От кажущейся пористости зависят термоизоляционные свойства мате­ риалов поэтому она должна быть высокой - от 40-50 % до 70-80 %. Для