- •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
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию
Открытое акционерное общество «Авиадвигатель» Пермский государственный технический университет
Л.Г. Максютина, А.В. Шилов, В.Л. Звездин, А.С. Коряковцев
ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
ОТЛИВОК АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Пермь 2005
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
Пи = Уи ~ Yk- • 100 % = 1 - |
■100 % , |
‘ и |
‘ к |
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
ском материале кварца в кристобалит или тридимит |
сопровождается |
уменьшением величины YH материала с 2,65 до 2,30 г/см |
з |
Истинная по |
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