Керамическая смесь для изготовления литейных стержней

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

550 А

„.SU(ii) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К АВТОРСК0МУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

20-23

0,5-6,5

1-2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3780064/22-02 (22) 13.08.84 (46) 15.03.86. Вюл. № 10 (71) Всесоюзный проектно-технологический институт энергетического машиностроения и Завод-ВТУЗ при Производственном объединении "Ленинградский металлургический завод" (72) Г.N.Ñëåïíåâ и В.Н.Мутилов (53) 621,742.4(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 668764, кл. В 22 С 1/00, 1979.

Технологическая инструкция № 25.044.00008 "Керамическая смесь для приготовления стержней", ВПТИэнергомаш, 1976, с. 7. (54) (57) КЕРАМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТЕРЖНЕЙ, используемых преимущественно при изготовлении пустотелых турбиннных лопаток, включающая электрокорунд зернистостью 40-50 мкм, 50-63 мкм и 125-160 мкм, кремнийорганическое связующее, карбид кремния, легкоплавкий пластийикатор на основе парафина, отличающаяся тем, что, с целью повышения механической прочности и жаростойкости смеси после обжига, она дополнительно содержит окись титана, а в качестве кремнийорганического связующего — соединение структурной формулы

Г((.тНвSiO«) (СвН SiO„>)) и где n — любое целое число, при следующем соотношении ингреди- ентов, мас. Х:

Электрокорунд зернистостью 40-50 мкм 43-45

Электрокорунд зернистостью 50-63 мкм

Электрокорунд зернистостью 125-160 мкм 11-13

Карбид кремния 2,0-3,5

Кремнийорганическое соединение указанной структурной формулы

Окись титана

Легкоплавкий пластификатор на основе парафина 14-15

1217550

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при производстве стержней по выплавляемым моделям из керамических смесей, применяемых для изготовления преимущественно турбинных лопаток, как небольшой протяженности, так и крупногабаритных.

Цель изобретения — повышение механической прочности и жаростойкости смеси после обжига.

В известную керамическую смесь ,дополнительно вводят окись титана и кремнийорганический лак КΠ†991 в.

Окись титана марки P-1-рутил соответствует ГОСТ 9808-75.

Кремнийорганический лак КО-991-5— кремнийорганическое соединение на основе полиэтилсилоксана со структурнои формулои ((C>H5SiO„ +) (C+H>Si„>)g представляющий собой бесцветную жидкость с характерным запахом (ТУ 6-02-753-73), средняя молекулярная масса 4-4,5 тысяч.

Помимо окиси титана и кремнийорганического лака смесь содержит электрокорунд, карбид кремния и легкоплавкий пластификатор на основе парафина.

Электрокорунд — порошок белого цвета, имеющий амфотерные свойства, получаемый в дуговых печах и содержащий минимальное количество вредных примесей (до 1,57), химически стоек, плавное термическое расширение (ГОСТ 3647-71).

По ГОСТ 3647-?1 электрокорунд белый марки 24А имеет следующую величину зернистости: № 4 — 40-50 мкм, ¹ 5 — 50-63 мкм, № t2 — 125- 160 мкм.

Карбид кремния зеленый - это микропорошок с темно-зеленым оттенком с величиной зерна: N10 — 7-10 мкм, М14 — 10-14 мкм (ГОСТ 3647-71).

Легкоплавкий пластификатор представляет соединение 90Х. парафина и 10Х полиэтилена (ПП-10) .

Парафин С Н, — смесь твердых углеводородов предельного ряда. Используется парафин нефтяной, очищенный по. ГОСТ 16960-71.

Полиэтилен представляет собой пластмассу, получаемую полимеризацией полиэтилена под давлением 12002500 кгс/см . Применяется полиэтилен марки 15802-020 ГОСТ 16337-77.

Применение смеси, содержащей данные компоненты, позволяет получить высокую прочность образцов (испытания проводились на изгиб при комнатной температуре на образцах прямоугольного сечения размерами 120 20 40 мм), составляющую

270-350 кгс/см, высокие термомеханические свойства, стабильность керамических стержней во время работы.

Приготовление смеси осуществляется следующим образом.

Порошки электрокорунда, оксида титана и карбида кремния загружаются в конверторный смеситель, в который одновременно помещают мелящие тела (по весу — половина от веса загруженных сыпучих материалов) . После чего в течение получаса происходит перемешивание порошков во вращающемся конверторе ° Затем в конверторе вклю20 чается обогрев. При вращении проис25

55 ходит подогрев сыпучих. Одновременно разогревают требуемое количество пластификатора, который сливают в конвертооные смесители в разогретые порошки сыпучих материалов. Сыпучие материалы эффективно перемешиваются в пластификатором за счет мелящих тел во вращающемся конверторе.

Температура приготавливаемой смеси должна быть в пределах 110135 С. 3а 30 мин до слива в образовавшуюся массу вводится кремнийорганический лак. Общее время приготовления стержневой смеси составляет около 1,5 ч. Стержни формуются в огнеупорных коробах в засыпке обожженного глинозема. Температура спекания стержней около 1200 С, а полное время обжига составляет около 65 ч.

За счет применения кремнийорганического лака у смеси повышается пластичность. Смесь приобретает способность при прессовании заполнять оснастку со сложной конфигурацией и тонкими щелями. Взаимодействие лака с корундом происходит уже в период приготовления стержневой массы, когда активная силоксановая связь полимера вступает во взаимодействие с зернами окислов алюминия, Таким образом, создается

"прививка" связующего в самой начальной стадии приготовления шликера. Активная силоксановая связь стягивает частицы огнеупорного порошка тончайшей пленкой-связкой. При термической обработке в результате термоокислительной деструкции

II р и м е р 1. Смесь содержит, мас.ч..

Электрокорунд зернистостью 40-50 мкм (N 4) 45

Элек тр ок ору нд з ер нистостью 50-63 мкм (Ф 5)

Электрокорунд зернис тос т ью 1 25-1 60 мкм (N9 2) 13

22,5

3 12 сложный полимер превращается в окисел кремния, активно взаимодействующий с электрокорундовой основой.

В структуре лака КО-991-5 отсутствует алюминий, который входит в состав полиалюмоэтилсилоксанового лака КО-086. Алюминий в структуре лака КО-086 придает жесткость силоксановой связи, меньшую активность, благодаря этому лак от партии к партии имеет нестабильность, отсюда и нестабильные свойства самих керамических стержней.

Совместное введение в смесь лака КО-991-5 и окиси титана способствует глубокому взаимодействию наполнителя и связующих, наблюдается эффект прорастания зерен электрокорунда друг в друга. Интенсивно протекающий процесс взаимодействия обеспечивает высокие технологические свойства стержней при более низких температурах обжига (по сравнению с прототипом).

Обожженные стержни имеют хорошее качество поверхности, высокую механическую прочность &, 270

350 кгс/см, незначительную усадку, высокую механическую жаростойкость.

Примеры реализации предлагаемых составов керамических стержней °

Содержание связующего лака

КО-991-5 дается в пределах от 0,5 до 6,5Х. Уменьшение процентного содержания лака ниже 0,5Х приводит к снижению прочности стержня. Такой стержень испытывает деформации уже при низких температурах металла, Отливки, имеющие пониженную точность, бракуются. Увеличение содержания лака свыше 6,5Х приводит к удорожанию стержневой смеси, увеличению усадки стержней, а следовательно, к уменьшению размерной точности стержней.

Остальные компоненты в составе смеси также выбраны в результате проведенных исследований.

17550

2

0,5

44

12

12

1,5

3,5

Оценка механической жаростойкости приводится не на маленьких образцах прямоугольного сечения, как это делается обычно, а для приближения условий к реальным, на стержнях длиной oKQJIo 400, co cJIQKHblM IIpo филем, с толщинами — минимальной

3 мм, максимальной — 18 мм. Натурные стержни укладываются на керамиОкись титана

Карбид кремния

Лак KO-991-5

Легкоплавкий пласти5 фик атор 15

Введение в смесь лака в количестве 0,5 ч. и 2 ч окиси титана позволяет получить керамические стержни с прочностью около 270 кгс/см и о

1р снизить температуру обжига до 1200 С.

Уменьшение лака приводит к снижению прочности стержней.

Пример 2. Смесь содержит, мас.ч.:

Электрокорунд Ь 4 43

Электрокорунд Р 5 20

Элек тр ок ар унд В 1 2 11

Окись титана 1

Карбид кремния 3,5

2п Лак КО-991-5 6,5

Легкоплавкий пластификатор 15

Введение в состав смеси 6,5 ч лака и 1 ч окиси титана позволяет получить керамику с механической прочностью 330 кгс/см, высокой размерной точности. Обжиг стержней осуществляется при 1200 С. Увеличение содержания лака в смеси приводит к увеличению усадки стержневого состава и увеличению деформации стержней.

Пример 3. Смесь содержит, мас.ч.:.

Электрокорунд М 4

Электрокорунд Ф 5

Электрокорунд У 12

Окись титана

Карбид кремния

Лак КО-991-5

Легкоплавкий пластификатор 14

Смесь позволяет получать керамические стержни с минимальным короблением, с высокой механической

4 прочностью, составляющей порядка

350 кгс/см,,при этом спекание производится при температуре около 1200 С.

1217550 ческие опоры, имеющие форму треугольной призмы, на тонкую грань (высота опор — 60 мм) и помещаются в обжиговую печь, в которой температура поднимается от 20 до 1300 С и производится изотермическая выдержка при максимальной температуре 18 ч. Полное время пребывания стержней в печи около 5 сут. По замеру максимальной величины прогиба стержней оцениваются показатели механической жаростойкости.

Результаты проведенных исследований по предлагаемой смеси и смесипрототипа (2) приведены в табл. 1;

В табл. 2 представлены сопоставительные данные по энергостойкости процесса изготовления известных и предлагаемых стержней.

Пример 6. Состав смеси, мас. ч.:

Испытаны также смеси, в которых окись титана и кремнийорганический лак КО-991-5 вводятся отдельно, а не их совокупности в укаэанном

25 соотношении.

Пример 4. Состав смеси, мас.ч.:

Электрокорунд Ф 4 45

Электрокорунд Ф 5 23 ЗО

Электрокорунд Ф 12 13

Окись титана 2

Карбид кремния 2

Легкоплавкий пластификатор (ПП-10) 15 35

При температуре обжига 1200 С стержни обладают прочностью в среднем 160 кгс/см . Механическая жаростойкость при испытании натурных стержней составляет в среднем 40

1,5 мм.

Пример 5. Состав смеси, мас.ч.:

Электрокорунд У 4 45

Электрокорунд Ф 5 23 45

Элект рокор унд Ф 1 2 2 ф 5

Окись титана 1

Карбид кремния 3,5

Легкоплавкий пластификатор (ПП-10) 15

Стержни из этого состава обладают прочностью более 200 кгс/см, механическая жаростойкость при испытании натурных стержней в среднем составляет около 1 см при испытании на

1300 С.

23

12,5

1,5

Электрокорунд Р 4

Электрокорунд М- 5

Электрокорунд N - 12

Окись титана

Карбид кремния

Легкоплавкий пластифик атор (ПП-1О) 15

Прочность таких стержней при испытании на изгиб составляет порядка

170 кгс/см при обжиге 1200 С, коробление стержней при испытании натурных стержней от 20 до 1300 С по режиму спекания стержней, при изотермической выдержке 18 ч, составляет около 1,5 мм.

Повышение температуры спекания до 1350 С приводит к увеличению прочности (испытание на изгиб) примерно на 30-60 кгс/см, механическая жаростойкость стержней при этом практически остается неизменной, Кремнийорганический лак КО-991-5 вводится в стержневую смесь в качестве 0,5-6,5 мас.ч. от общей массы.

Окись титана в смеси отсутствует.

Пример 7. Смесь содержит

0,5 мас.ч. лака КО-991 — 5 при температуре спекания 1200 С. Прочность образцов составляет около 160 кгс/см °

Механическая жаропрочность стержней составляет около 1,3 мм.

Пример 8. В смесь введено

6,5 мас.ч. лака КО-991-5. При температуре обжига 1200 С прочность керамики возрастает до 245 кгс/см, однако при испытании механической жаростойкости прогиб стержней составляет около 1,0 мм.

Пример 9. В смесь введено

3,,5 мас.ч. лака KO-991 5, При темпео ратуре обжига 1200 С прочность керамики составляет около 200 кгс/см, прогиб при испытании натурных стержней по принятой методике составляет около 1,1 мм, Повышение температуры спекания о,„ до 1350 С увеличивает прочность для приведенных примеров соответственно до 200, 280 и 260 кгс/см . Механическая жаростойкость при этом возрастает незначительно, Чистота поверхности стержней с добавками окиси титана и лака

КО-991-5 соответствует 6 классу °

Приводится аналог следующего сос- тава, мас.ч.:

217550 э том механическая жаростойкость уменьшается до 2,1 мм. Чистота поверхности стержня из этого состава находится между 5 и 6 классами.

Стержни из предлагаемого состава имеют чистоту поверхности, соответствующую 6 классу, Таким образом, содержание в смеси лака полиэтилфенилсилоксана

10 КО-991-5 в количестве 0,5-6,5 мас.ч. является оптимальным для снижения температуры обжига стержней и только в совокупности с окисью титана

1-2 мас.ч. обеспечивает высокий

15 уровень прочности стержней при высокой механической жаростойкости.

Обладая высокой прочностью, минимальными деформациями во время эксплуатации, стержни обеспечивают

2р получение внутренней полости практически любой сложности и криволинейности при производстве пустотелых иэделий, в частности, турбинных лопаток.

Использование предлагаемой смеси в условиях производства позволяет повысить ее механическую жаростойкость и прочность после обжига, а также сократить брак турбинЗб ных лопаток по раэностенности в процессе их изготовления и сэкономить дорогостоящие и дефицитные огнеупорные матепиалы.

Таблица 1

Состав

Прочность стеркней на изгиб в холодном состоянии, кгс/см после обжига

130

Прототип

270

Пример 1

Пример 2

Пример 3

1,0

330

0,75

350

0,35

Маршалит 8-10

Пластификатор ПП-15 17-19

Окись железа 16-29

Электрокорунд 65

Обожженные при 1200 С керамические образцы имеют прочность около

150 кгс/см, имея в своем составе более высокое содержание керамического пластификатора. Этот состав имеет бывшую усадку (около 1,87) и коробление, испытанное на натурных стержнях, около 3 мм.

Повышение температуры спекания до l350 С приводит к увеличению прочности стержней порядка до

240 кгс/см, механическая жаростойкость при этом составляет около

2,5 мм, усадка становится равной

2Х. Чистота поверхности керамических стержней указанного состава соответствует 5 классу.

Выбранный в качестве прототипа стержневой состав, который содержит в качестве связующего 0,5 мас.ч. полиалюмоэтилсилоксанового лака, обуславливает у стержневой керамики при спекании на 1200 С низкие показатели прочности около 95 кгс/см .

Механическая жаростойкость стержней такого состава около 2,4 мм.

Увеличение температуры спекания до 1350 Ñ ведет к повышению прочности на изгиб до 120-140 кгс/см . При

Прогиб стержней под действием собственного веса, мм (длина 400 мм, максим. Т =. 1300 С) Образцы стержней не выдержали испытаний — произошло их разрушение

1217550

Таблица 2

Предлагаемая смесь

Смесь по аналогу

Смесь по прототипу

Режим обжига

Температура обжига, С

1200

1300

1350

100

100

Время обжига, ч

Энергоемкость, кВт/ч

5000

3250

5000

Составитель Б.Шувалов

Техред М.Надь Корректор И. Эрдейи

Редактор И. Касарда

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

Заказ 1036/15 Тираж 757 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5