Суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям

Изобретение может быть использовано для литья изделий с направленной и монокристаллической структурой, например лопаток газотурбинных двигателей и установок. Суспензия содержит, мас.%: кремнезольное связующее с содержанием SiO₂ 20-30,8% - 20-40, алюминиевый порошок - 2-25, насыщенный водный раствор гидрооксида магния - 1-8, огнеупорный наполнитель - остальное. Обеспечивается увеличение живучести суспензии, повышение прочности форм, снижение себестоимости форм, повышение выхода годного литья и экологической безопасности. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к суспензии для изготовления керамических форм, предназначенных для литья изделий с направленной и монокристаллической структурой, применяемых преимущественно в качестве лопаток газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.

В отличие от равноосного литья, при котором внутренние слои керамической формы прогреваются до 1350-1380°С, при направленной кристаллизации форма перед заливкой металлом нагревается до 1500-1600°С. Длительное пребывание ее в условиях высоких температур и гидростатических давлений расплавленного металла может приводить к деформации, растрескиванию или разрушению формы. В связи с этим к керамической форме, используемой при литье деталей с направленной и монокристаллической структурой, предъявляются более жесткие требования прежде всего к высокотемпературной прочности, значение которой должно превышать 3,5 МПа при температуре испытания 1500°С.

Известен состав керамической суспензии, используемой для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям, который включает, мас.%:

Раствор гидролизованного этилсиликата	20-40
Алюминиевый порошок	1,5-8,0
Перхлорат калия	0,1-1,0
Огнеупорный наполнитель	остальное

(а.с. СССР №1238880).

Суспензия обладает рядом недостатков. Во-первых, ограниченным временем живучести керамической суспензии из-за развития процессов гелеобразования при хранении суспензии. Срок годности такой суспензии не превышает 15-20 суток, что повышает себестоимость керамических форм за счет значительных безвозвратных потерь материалов, особенно в случае изготовления крупногабаритных форм. Наряду с этим возникают технологические трудности при использовании такой суспензии в автоматизированном процессе изготовления форм. Во-вторых, процесс приготовления, использования и хранения суспензии характеризуется экологической вредностью из-за использования легкоиспаряющихся органических жидкостей и аммиака.

Известна суспензия, содержащая кремнезоль, Na₂O, смачивающие и антивспенивающие вещества и порошки плавленого оксида алюминия (патент ЕР 0530658).

Указанная суспензия используется для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой. Недостатком этой суспензии при получении оболочковых форм является необходимость проведения высокотемпературного обжига при 1400-1500°С в течение 3-6 часов.

Наиболее близким к изобретению по составу и назначению является суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, включающая в мас.%:

Кремнезоль	34,3-29,75
Этилсиликат	0,7-5,25
Поверхностно-активное вещество	0,1-0,2
огнеупорный наполнитель	остальное

(патент РФ №2191656),

Недостатками известной суспензии являются содержание в ней токсичного этилсиликата (до 5,25%), недостаточное время живучести суспензии (до 7 суток), низкая прочность получаемой оболочковой формы, а также повышенный брак отливок из-за трещинообразования и разрушения форм в процессе литья методом направленной кристаллизации.

Повышение конструкционной прочности форм, изготовленных из суспензии по прототипу, возможно в случае увеличения количества наносимых слоев, что резко уменьшает теплопроводность стенок оболочковой формы и нарушает процесс направленной кристаллизации отливок, а также за счет повышения температуры прокалки форм с 950°С до 1500-1600°С, что технически трудно выполнимо и экономически неоправданно.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение живучести суспензии, повышение прочности форм, снижение себестоимости форм, повышение выхода годного литья, а также повышение экологической безопасности при работе с суспензией.

Для достижения поставленной цели предлагается суспензия для изготовления керамических форм, включающая кремнезольное связующее и огнеупорный наполнитель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминиевый порошок и насыщенный водный раствор гидрооксида магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кремнезольное связующее
с содержанием SiO2 20-30,8%	20-40
Алюминиевый порошок	2-25
Насыщенный водный раствор
гидрооксида магния	1-8
Огнеупорный наполнитель	остальное

Алюминиевый порошок имеет дисперсность 4-20 мкм.

Использование в заявляемой суспензии алюминиевого порошка в сочетании с насыщенным водным раствором гидрооксида магния обеспечивает повышение прочности форм за счет образования при обжиге кристаллических сростков высокоогнеупорных фаз форстерита (2MgO·SiO₂), магнезиальной шпинели (MgO·Al₂O₃) и оксида алюминия дисперсностью 4-20 мкм, которые располагаются по границам зерен огнеупорного наполнителя и связывают их в единый прочный каркас керамического тела. Такая структура материала керамических форм, обеспечивающая использование форм при литье деталей методом направленной кристаллизации, формируется в процессе обжига при температуре 1050-1100°С, что снижает себестоимость форм по сравнению с прототипом. Наряду с этим за счет снижения склонности к трещинообразованию форм в процессе литья деталей с направленной и монокристаллической структурой в печах с жидкометаллическим охладителем повышается выход годного литья.

Увеличение содержания алюминиевого порошка свыше 25% приводит к образованию выплавок избыточного алюминия на наружной поверхности формы, что нарушает однородность структуры керамического материала и снижает его термомеханические свойства. При содержании алюминиевого порошка менее 2% не обеспечивается эффективного спекания керамического материала и снижаются его высокотемпературная прочность.

Увеличение содержания насыщенного водного раствора гидрооксида магния свыше 8% приводит к значительному разбавлению кремнезоля, что снижает его связующие свойства и соответственно прочность керамики. При содержании насыщенного водного раствора гидрооксида магния менее 1% не образуется упрочняющих фаз форстерита и магнезиальной шпинели, что приводит к снижению высокотемпературной прочности керамики.

В заявляемой суспензии не содержится токсичного этилсиликата, что повышает экологическую безопасность при работе с суспензией.

Пример изготовления.

Приготовление огнеупорной суспензии производится в баке-смесителе. В качестве водного связующего применяются следующие виды кремнезоля: Сиалит-30 (ТУ 2145-001-43811938-97) с содержанием SiO₂ 26,6-30,8%; Сиалит-20, Сиалит-20С (ТУ 2145-003-43811938-97) с содержанием SiO₂ 20-22 %. Используется алюминиевый порошок марки АСД-4 (ТУ 48-5-226-87). В качестве огнеупорного наполнителя используют все огнеупоры, применяемые в литье по выплавляемым моделям.

Порядок введения компонентов: кремнезольное связующее, насыщенный водный раствор гидрооксида магния, полученный путем растворения гидроокида магния или мелкодисперсного порошка оксида магния в воде с последующей фильтрацией раствора, огнеупорный наполнитель, алюминиевый порошок. Время перемешивания 1 час. Вязкость суспензии проверяется вискозиметром ВЗ-4 и ее значение определяется конкретной технологией. Нанесение керамического покрытия на модельный блок производится послойно путем окунания в керамическую суспензию с последующей обсыпкой крупнозернистым материалом. В качестве обсыпочного материала применяют крупнозернистый электрокорунд, причем размер зерен при обсыпки последовательно увеличивается от лицевого (первого слоя) к наружному. Рекомендуется такая последовательность обсыпки: для первого слоя - электрокорунд №20, для второго слоя - электрокорунд №40, для третьего и последующих слоев - электрокорунд №63. Обсыпка проводится в пескосыпах с псевдокипящим слоем. Сушка первого слоя оболочковой формы в потоке воздуха с относительной влажностью 40-45 % при температуре 20-27°С - не менее 50 мин, второй и последующие слои - не менее 70 мин. После завершения формирования керамического покрытия на модели проводят удаление модельной массы в горячей воде.

Одновременно с блоками изготавливают и керамические образцы для определения прочности при изгибе. Прокаливание оболочковых форм проводится в камерных электрических печах при 1050-1100°С. Полученные оболочковые формы заливали сплавом ЖС-32 на установке УВНК-9.

По аналогичной технологии были получены керамические формы с составами суспензий, приведенными в таблице 1, где примеры 1-3 - предлагаемые составы суспензий, а пример 4 - состав суспензии по прототипу.

Время живучести суспензий и основные свойства материалов представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, применение суспензий по изобретению обеспечивает увеличение времени живучести суспензий и получение оболочковых форм с более высокой прочностью при температуре 1500°С.

При отливке лопаток методом направленной кристаллизации в керамические формы, изготовленные из предлагаемой суспензии, достигнут высокий уровень выхода годного литья. При использовании керамических форм, изготовленных из суспензии по прототипу, наблюдается повышенный брак отливок из-за трещинообразования и разрушения форм в процессе литья методом направленной кристаллизации.

Применение предлагаемой суспензии позволяет получать качественные оболочковые формы с высокой прочностью и обеспечивает высокий выход годного литых деталей с направленной и монокристаллической структурой.

Повышение живучести суспензии обеспечивает значительное снижение безвозвратных потерь материала при изготовлении крупногабаритных форм.

Предлагаемая суспензия не содержит токсичного этилсиликата, что улучшает санитарно-гигиенические условия труда.

Таблица 1
№ состава суспензии	Ингредиенты, мас. %
Кремнезоль	Этил-силикат	Поверхностно-активное вещество	Алюминиевый порошок	Насыщенный водный раствор гидрооксида магния	Огнеупорный наполнитель
1	20 содерж SiO2 30,8%			25	8	остальное электрокорунд
2	30 содерж SiO2 26,6%			11	4	остальное электрокорунд
3	40 содерж SiO2 20%			2	1	остальное циркон
4	29,75	5,25	0,1	-	-	остальное электрокорунд
Таблица 2
№ состава суспензии	Показатели свойств	Выход годного литья, %
	Живучесть суспензии, сутки		Прочность форм после обжига при t=1100°C, МПа
при 20°С	при 1500°С
1	>100	35	8,0	90
2	>100	30	6,0	95
3	>100	23	3,8	85
4	7	16	2,1	10

1. Суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, включающая кремнезольное связующее и огнеупорный наполнитель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминиевый порошок и насыщенный водный раствор гидрооксида магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кремнезольное связующее
с содержанием SiO2 20-30,8%	20-40
Алюминиевый порошок	2-25
Насыщенный водный раствор
гидрооксида магния	1-8
Огнеупорный наполнитель	Остальное

2. Суспензия по п.1, отличающаяся тем, что алюминиевый порошок имеет дисперсность 4-20 мкм.