Суспензия для изготовления керамических форм
Владельцы патента RU 2245212:
Федеральное государственное унитарное предприятие - "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" (RU)
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской Академии Наук (RU)
Изобретение может быть использовано при литье отливок из химически активных и жаропрочных металлов, сталей и сплавов на основе никеля, преимущественно лопаток газотурбинных установок. Суспензия содержит, мас.%: гидролизованный этилсиликат в качестве связующего 20-40 и в качестве наполнителя литой оксидный материал, полученный в режиме горения состава Al2O3-Cr2О3 при содержании в нем Cr2О3 в количестве 6-50 мас.%. Может быть использована смесь указанного оксидного материала, по крайней мере, с одним из соединений из ряда: электрокорунд, диоксид циркония, оксид иттрия в количестве не менее 1,0 мас.%. Обеспечивается повышение качества керамических форм за счет повышения прочности на изгиб, чистоты поверхности отливок уменьшения зерна в отливках до 0,1-0,5 мм, снижения зоны взаимодействия с расплавом до 0,01-0,05 мм, повышения коэффициента теплопроводности до 30-55 Вт/мК. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к литейному производству, в частности к изготовлению керамических оболочковых форм по выплавляемым моделям для литья титановых и жаропрочных сплавов, для изготовления отливок из химически активных и жаропрочных металлов, сталей и сплавов на основе никеля, преимущественно лопаток газотурбинных установок.
Известна суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для литья химически активных сталей и сплавов, содержащая компоненты при следующем соотношении, мас.%: раствор алкоксиалюмоксана 7-11 общей формулы {(AlO)-OR}m, где R=CmH2n+1, n=2-4, m=2-5; растворитель 18-24; электрокорунд - остальное (SU 1838986 A3, В 22 С 1/06, В 22 С 1/16, 20.02.1996). Изобретение позволяет повысить качество керамической формы за счет снижения химического взаимодействия на границе металл - форма для ликвидации питтинг-дефектов.
Известна суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, содержащая компоненты при следующем соотношении, мас.%: алкоксиалюмоксан 4-8; стабилизатор (ацетоуксусный эфир, этилацетат) 2-4; органический растворитель (изопропанол, этанол, бутанол) 19-2; активатор (порошок металла IIIa, IVa, Va групп, преимущественно порошки алюминия или титана или их оксиды) 5-8; наполнитель (порошок электрокорунда, циркона или диоксида циркония) 59-70 (RU 2082535 C1 B 22 C 1/06, В 22 С 1/16, 27.06.1997).
Известное изобретение используется: в металлургии - литейном производстве, в частности при изготовлении керамических форм по выплавляемым моделям для литья титановых и жаропрочных сплавов, и позволяет повысить усталостную прочность отливки, снизить температуру прокалки до 1100°С.
Известна суспензия для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям, содержащая компоненты при следующем соотношении, мас.%: связующее на основе полиоксибензолов 15-65; водный раствор алкилполиоксибензальдегидной смолы 15-40; порошок металлического алюминия 7-35; огнеупорный наполнитель, выбранный из группы оксидов алюминия и иттрия, 50-80 (RU 2108195 C1, B 22 C 1/06; В 22 С 1/22, 10.04.1998).
Известное изобретение позволяет получать качественные оболочковые формы с высокой прочностью готовых форм при 20°С (230-260 кг/см2) и при температуре заливки металла 1700°С (35-40 кг/см2), с зоной взаимодействия на границе металл - форма (15-25 мкм), последнее является недостатком известной суспензии.
Известна суспензия для изготовления литейных керамических форм по выплавляемым моделям, которая имеет следующий состав, мас.%: гидролизованный этилсиликат в качестве связующего 20-40; модификатор на основе кобальтсодержащего вещества (алюминат кобальта) 5-12; огнеупорный наполнитель на основе оксида алюминия (преимущественно электрокорунд) 48-71 (RU 2151017 C1, B 22 C 1/00, 20.06.2000).
Известная суспензия, выбранная в качестве наиболее близкого аналога, используется для изготовления керамических форм при производстве отливок из жаропрочных сплавов, например лопаток газотурбинных двигателей, и позволяет измельчать и регламентировать макроструктуру металла отливок в пределах 1-3 мм по диаметру зерен, что обеспечивает повышение предела выносливости жаропрочных литейных сплавов и повышать их качество, в частности, предел усталости 20°С на базе 2×107 циклов составляет 22-24 кг/мм2.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение прочности керамических форм на изгиб (до 110-170 г/см2), повышение чистоты поверхности отливок до 6-7 класса, уменьшение зерна в отливках до 0,1-0,5 мм, снижение зоны взаимодействия (S) с расплавами жаропрочных сплавов на никелевой основе до 0,01-0,05 мм и повышение коэффициента теплопроводности до 30-55 Вт/мК.
Технический результат достигается тем, что суспензия для изготовления керамических форм содержит исходные компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Гидролизованный этилсиликат в качестве связующего 20-40
Огнеупорный наполнитель на основе
оксида алюминия остальное,
в качестве которого используют: литой оксидный материал, полученный в режиме горения состава Аl2О3-Сr2О3 при содержании в нем Сr2О3 в количестве 6-50 мас.%, либо его смесь по крайней мере с одним из соединений из ряда: электрокорунд, диоксид циркония, оксид иттрия в количестве не менее 1% от массы наполнителя.
Использование литого оксидного материала, полученного в режиме горения состава Аl2О3-Сr2О3 при содержании в нем Сr2О3 в количестве 6-50 мас.%, либо его смеси по крайней мере с одним из соединений из ряда: электрокорунд, диоксид циркония, оксид иттрия позволяет получать высокие физико-химические характеристики керамических форм.
Предлагаемое изобретение было отработано в условиях литейного цеха ФГУП ММПП "Салют".
Все керамические суспензии готовились по единой технологии.
В смеситель вводят связующее и наполнитель, перемешивают до получения гомогенной массы, доводят до нужной вязкости и затем на модельном блоке формируют покрытие методом послойного нанесения с последующей обсыпкой наполнителем и сушкой каждого слоя при комнатной температуре в сушильном шкафу при атмосферном давлении или при температуре 100-150°С в течение 20-30 мин.
Обсыпка блоков осуществляется по существующей в промышленности технологии крупными фракциями плавленого корунда.
Первый слой - зерном состава Аl2О3-Сr2О3 или его смесью с электрокорундом №16 или №20 по ГОСТ 3647-71. Крупность основной фракции №16 200-160 мкм; №20 250-200 мкм (55%).
Второй слой - зерном состава Аl2O3-Сr2О3 или его смеси с зерном диоксида циркония №40 по ГОСТ 3647-71. Крупность основной фракции №40 500-400 мкм (55%).
Третий и последующие слои оболочки обсыпаются зерном состава Аl2O3-Сr2О3 №63 по ГОСТ 3647071. Крупность основной фракции №63 800-630 мкм (55%).
Модельная масса удаляется из полученной керамической формы в горячей воде 96-98°С или в пароавтоклаве (140-150°С). Затем сырые формы прокаливают на воздухе при 1300-1500°С. Вязкость суспензии, температура и время сушки, количество слоев и температура прокалки формы выбираются в зависимости от размера блоков. Всего наносилось от 5 до 16 слоев. После удаления моделей блоки прокаливались.
Отливались заготовки образцов для испытания на сопротивление усталости металла и пластины размером 50×100×7 мм. Заливка форм осуществлялась в вакуумных печах с глубиной вакуума 10-3 тор жаропрочным сплавом ЖС6У. Температура форм в момент заливки была 1000±10°C, температура заливки металла 1520±10°C.
Отлитые пластины травились в кислотном реактиве для выявления макроструктуры. Определялся средний размер макрозерен и потребительские свойства литьевых керамических форм.
Составы суспензии представлены в таблице 1. Свойства литьевых форм по примерам представлены в таблице 2.
Как видно из представленных данных, использование заявленной совокупности признаков позволяет повысить качество литьевых форм, а именно: размер зерна в отливках составляет 0,1-0,5 мм, литьевые керамические формы практически не взаимодействуют с расплавами жаропрочных сплавов на никелевой основе (S=0,01-0,05 мм), имеют высокие значения механической прочности, в частности прочность форм на изгиб составляет 110-170 кг/мм2, чистота поверхности форм соответствует 6-7 классу, коэффициент теплопроводности до 30-55 Вт/мК.
| Таблица 1 | |||||
| № примера | Состав компонентов суспензии, мас.%) (содержание Cr2O3 в Аl2О3-Сr2О3) | ||||
| Связующее | Огнеупорный наполнитель | ||||
| Аl2О3-Cr2O3 | Электрокорунд | диоксид циркония | оксид иттрия | ||
| 1 | 20 | Аl2О3-Cr2O3(6) 80 | - | - | - |
| 2 | 20 | Аl2О3-Cr2O3(6) 79 | 1 | - | - |
| 3 | 25 | Аl2О3-Cr2O3(10) 50 | 15 | 5 | 5 |
| 4 | 35 | Аl2О3-Cr2O3(15) 40 | 20 | - | 5 |
| 5 | 30 | Аl2О3-Cr2O3(50) 20 | 35 | 15 | - |
| 6 | 40 | Аl2О3-Cr2O3(40) 5 | 45 | 5 | 5 |
| Таблица 2 | ||||
| Характеристика керамических форм | ||||
| № примера | Размер макрозерен, d, мм | Прочность на изгиб, кг/см2 | Коэффициент теплопроводности, Вт/мК | Зона взаимодействия S, мм |
| 1 | 0,1 | 170 | 55 | 0,01 |
| 2 | 0,15 | 165 | 55 | 0,01 |
| 3 | 0,2 | 160 | 50 | 0,015 |
| 4 | 0,25 | 140 | 45 | 0,02 |
| 5 | 0,4 | 150 | 40 | 0,05 |
| 6 | 0,5 | 110 | 30 | 0,03 |
1. Суспензия для изготовления керамических форм, содержащая гидролизованный этилсиликат в качестве связующего и огнеупорный наполнитель на основе оксида алюминия, отличающаяся тем, что она содержит исходные компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Связующее 20-40
Огнеупорный наполнитель на основе
оксида алюминия Остальное
при этом в качестве последнего используют литой оксидный материал, полученный в режиме горения состава Аl2О3-Сr2О3 при содержании в нем Сr2О3 в количестве 6-50 мас.%, либо его смесь, по крайней мере, с одним из соединений из ряда: электрокорунд, диоксид циркония, оксид иттрия.
2. Суспензия по п.1, отличающаяся тем, что электрокорунд, диоксид циркония, оксид иттрия используют в количестве не менее 1,0 мас.%.
