Суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения бескремнеземных керамических форм. В качестве органического связующего суспензия содержит раствор эпоксидной смолы в органическом растворителе, в качестве металлического порошка - порошок алюминия, титана, циркония, хрома, а в качестве огнеупорного наполнителя - порошок тугоплавких соединений, выбранных из группы оксидов алюминия, хрома, титана, циркония; нитридов алюминия, титана, кремния, бора; карбидов кремния, титана, ниобия, циркония, бора, ванадия; боридов титана, циркония, ниобия при следующем соотношении компонентов (масс.%): органическое связующее - 10-40, металлический порошок - 0,5-35,0, огнеупорный наполнитель - остальное. В качестве органического растворителя эпоксидной смолы суспензия содержит смесь диметилкетона и скипидара. Их содержание составляет 40-90 масс.% и 10-60 масс.% соответственно. Использование изобретения позволит получать качественные высокоогнеупорные керамические формы. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения оболочковых бескремнеземных керамических форм в процессе литья по выплавляемым моделям для изготовления отливок из жаропрочных сплавов на основе никеля, кобальта, титана, ниобия, хрома методом высокоградиентной направленной кристаллизации.

Известна суспензия, содержащая этилсиликатное связующее на основе этилсиликата-40 (ЭТС-40) в количестве: 22,0-24,0 масс.%, гидрид циркония в количестве 4,0-6,0 масс.% и огнеупорный наполнитель - оксид циркония (IV) - остальное [Патент Японии №47-11831].

Недостатком этой суспензии является низкая прочность (σ_в ^изг 1700°С=2,5 кг/см²) получаемой из нее оболочковой формы при высоких температурах (1700°С), а также наличие взаимодействия контактного слоя оболочковых форм с расплавом (2-6 мм). Большая степень взаимодействия внутреннего слоя керамической формы с расплавленным сплавом объясняется наличием оксида кремния (IV) в связующем на основе ЭТС-40.

Известна суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, включающая огнеупорный наполнитель (графитовый порошок), органическое связующее на основе термореактивной смолы в количестве 24-30 масс.%, металлический порошок (титана) в качестве технологической добавки в количестве 0,6-3,5 масс.% [Авторское свидетельство СССР №772675].

Однако полученные из этой суспензии керамические формы при прокалке на воздухе разрушаются ввиду того, что графитовый порошок на воздухе сгорает, т.е. спекание графита отсутствует.

Наиболее близкой к изобретению по составу и назначению является суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для получения отливок из жаропрочных сплавов, включающая в качестве органического связующего - водный раствор (15-65%-ной концентрации) алкилполиоксибензолальдегидной смолы, в качестве металлического порошка - порошок алюминия, в качестве огнеупорного наполнителя - порошок, выбранный из группы оксидов алюминия, иттрия при следующем соотношении компонентов (масс.%):

органическое связующее	15-40
металлический порошок	7-35
огнеупорный наполнитель	остальное

[Патент Российской Федерации №2108195].

Суспензия предназначена для получения оболочковых форм при литье химически активных и жаропрочных сплавов и обладает высокой прочностью при 1700°С, однако она имеет следующие недостатки:

- малая теплопроводность получаемых форм, что не позволяет увеличить скорость кристаллизации, т.е. производительность плавильной установки;

- рабочая температура керамической формы не позволяет получить температурный градиент на фронте кристаллизации выше 100°С/см;

- огнеупорность форм не выше 1600°С, т.к. при отверждении алкилполиоксибензолальдегидной смолы выделяются формальдегид и адсорбционная вода, удаляющаяся при 700-800°С и вызывающая появление микротрещин при прокалке, а в случае использования оксида иттрия - не выше 1500°С, ввиду образования легкоплавких эвтектик в системе оксид алюминия - оксид иттрия.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение теплопроводности керамических форм для литья деталей методом высокоградиентной направленной кристаллизации, огнеупорности не менее, чем до 2000°С и рабочей температуры не менее, чем до 1850°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложена суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для получения отливок из жаропрочных сплавов, включающая органическое связующее, технологическую добавку - металлический порошок и огнеупорный наполнитель, отличающаяся тем, что она содержит в качестве органического связующего раствор эпоксидной смолы в органическом растворителе, в качестве металлического порошка - порошок алюминия, титана, циркония или хрома, а в качестве огнеупорного наполнителя - порошок тугоплавких соединений, выбранных из группы оксидов алюминия, хрома, титана, циркония; нитридов алюминия, титана, кремния, бора; карбидов кремния, титана, ниобия, циркония, бора, ванадия; боридов титана, циркония, ниобия или их смеси при следующем соотношении компонентов (масс.%):

органическое связующее	10-40
металлический порошок	0,5-35,0
огнеупорный наполнитель	остальное

В качестве органического растворителя суспензия содержит смесь диметилкетона и скипидара.

Содержание диметилкетона и скипидара в растворе эпоксидной смолы составляет 40-90 масс.% и 10-60 масс.% соответственно.

Необходимые свойства формы приобретают при сочетании порошка металла с огнеупорным наполнителем. При этом подбор пары металлический порошок - огнеупорный наполнитель осуществляется таким образом: либо порошок металла при прокалке образует оксид, нитрид, карбид или борид такого же состава, что и огнеупорный наполнитель, либо порошок металла образует с огнеупорным наполнителем твердые растворы.

Введение указанных веществ в качестве огнеупорных наполнителей позволяет получать оболочковые формы с высокой прочностью при температуре 1800°С, а введение указанных металлических порошков в качестве высокотемпературного связующего обеспечивает спекание порошков оксидов, нитридов, карбидов, боридов. Эпоксидная смола при отверждении не выделяет никаких побочных продуктов.

Пример осуществления изобретения

Брали блок выплавляемых моделей (турбинная лопатка) и готовили суспензию следующего состава, масс.%:

связующее (30%-ный раствор эпоксидной смолы ЭД-16 в
смеси 40% диметилкетона и 60% скипидара
сульфатного очищенного)	40
металлический порошок (алюминий)	35
огнеупорный наполнитель (оксид алюминия)	25

Указанные компоненты тщательно перемешивали, доводили суспензию до определенной вязкости и затем послойно наносили суспензию на модельный блок с послойной обсыпкой. Обсыпка блоков осуществлялась крупными фракциями электрокорунда по принятой в промышленности технологии: первый слой - зерном электрокорунда №20 F 70, второй - зерном №40 F 46, третий и последующие слои оболочки зерном №63 F 30.

Оболочковая бескремнеземная форма подвергалась сушке после нанесения каждого слоя, далее модель удалялась, форма прокаливалась и заливалась сплавом на основе хрома ВХ-1. Температура прокалки выбиралась в соответствии с конфигурацией блоков и с применяемой в промышленности технологией.

Такая же технология применялась и для получения суспензий, состав которых приведен в таблице 1, где: 1-23 предлагаемые составы, а 24-26 - составы по прототипу.

Формы, изготовленные на основе предлагаемых суспензий №№1-23, заливались различными жаропрочными сплавами: №№2, 3 - на основе кобальта (ХТН-61), №4 - на основе титана (ВТ-5), №6 - на основе ниобия (ВН-10), остальные - сплавом на никелевой основе (ЖС-6У).

В таблице 2 представлены свойства керамических форм по предлагаемым суспензиям и по прототипу.

Как видно из таблицы 2, составы суспензий №№1-23 позволяют получать высокую прочность керамических форм при температуре 1800°С, теплопроводность, огнеупорность и, как следствие, высокую рабочую температуру формы. Применение предлагаемой суспензии позволяет получать на фронте кристаллизации градиент 200-250°С/см, что обеспечивает получение более мелкодисперсной структуры с междендритным расстоянием порядка 100-150 мкм, дает возможность уменьшить микропористость отливок в 10-12 раз. Резкое уменьшение микропористости отливок позволяет увеличить величину усталостного напряжения на 20-30%, что ведет к повышению ресурса работы лопаток.

Таблица 1.
Состав суспензий.
№	Ингредиенты и их содержание в суспензии, масс.%
	Связующее (раствор эпоксидной смолы в органическом растворителе)	Металлический порошок	Наполнитель
1	40	Al	35	Al2O3	25
2	10	Al	0,5	AlN или TiN	89,5
3	40	Al или Ti	35	TiC или TiN	25
4	10	Zr	0,5	SiC или TiC	89,5
5	40	Cr	35	Cr2O3	25
6	25	Ti или Zr	17	NbC	58
7	25	Cr	17	TiB2	58
8	40	Ti	35	Смесь Al2O3 и SiC или Si3N4 (масс. соотн. 1:1)	25
9	15	Al или Zr	25	ZrC или NbC	60
10	40	Ti или Zr	35	TiO2 или ZrO2	25
11	25	Al	17	BN или B4C	58
12	40	Al	35	SiC или TiB2	25
13	40	Ti	35	Al2O3	10
				AlN или TiN	15
14	25	Ti	17	Al2O3	25
				AlN или TiN	33
15	40	Ti	35	Al2O3	10
				TiB2 или SiC	15
16	25	Ti	17	Al2O3	25
				TiB2 или SiC	33
17	25	Al или Zr	17	ZrO2	25
				TiC или В4C	33
18	25	Ti или Al	17	Al2O3 или Si3N4	25
				VC	33
19	25	Cr или Zr	17	ZrB или SiC	58
20	10	Al	0,5	AlN	49,5
		Ti	0,5	Ti	40
		Al	0,5	AlN	29
21	25	Ti	0,5	Ti	29
22		Al	15	AlN	12
	40	Ti	20	Ti	13
				ZrO2	9
		Al	0,5	AlN	20
23	10	Zr	0,65	TiC	30
		Ti	0,65	NbB2	30
	Связующее на основе:
	резорцина	метилрезорцина
24	-	15	Al	35	Al2O3	50
25	25	-	Al	17	Al2O3	58
26	40	-	Al	7	Y2O3	53

Таблица 2.
Свойства получаемых керамических форм.
№ п/п	Прочность форм, кг/см2 по прототипу - при 1700°С, по предлагаемому изобретению - при 1800°С.	Огнеупорность, не менее, °С	Температура заливки металла, °С	Рабочая температура формы, не менее °С	Теплопроводность, Вт/(мК)	Температурный градиент на фронте кристаллизации, °С/см
1	15	2050	2400	1850	25	150-200
2	25	2200	2400	1850	35-40	200-250
3	35	2300	2600	1850	35-40	200-250
4	25	2800	2400	2200	35-40	200-250
5	26	2400	2600	1900	35-40	200-250
6	19	3000	2500	2450	35-40	200-250
7	35	2700	2400	2160	35-40	200-250
8	70	2400	2400	1850	35-40	200-250
9	56	2800	2400	1950	35-40	200-250
10	50	2400	2400	2300	35-40	200-250
11	23	2700	2400	1950	35-40	200-250
12	28	2800	2400	2300	35-40	200-250
13	25	2100	2400	2300	35-40	200-250
14	25	2100	2400	1850	35-40	200-250
15	67	2300	2400	1850	35-40	200-250
16	64	2200	2400	1900	35-40	200-250
17	52	2200	2400	1900	35-40	200-250
18	58	2350	2400	1900	35-40	200-250
19	20	2400	2400	1900	35-40	200-250
20	31	2200	2400	1900	35-40	200-250
21	32	2200	2400	1900	35-40	200-250
22	33	2200	2400	1900	35-40	200-250
23	20	2400	2400	1900	35-40	200-250
24	35	1600	1700	1500	25	100
25	40	1600	1700	1500	25	100
26	37	1500	1700	1400	25	100

1. Суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для получения отливок из жаропрочных сплавов, включающая органическое связующее, технологическую добавку - металлический порошок и огнеупорный наполнитель, отличающаяся тем, что она содержит в качестве органического связующего раствор эпоксидной смолы в органическом растворителе, в качестве металлического порошка - порошок алюминия, титана, циркония или хрома, а в качестве огнеупорного наполнителя - порошок тугоплавких соединений, выбранных из группы оксидов алюминия, хрома, титана, циркония; нитридов алюминия, титана, кремния, бора; карбидов кремния, титана, ниобия, циркония, бора, ванадия; боридов титана, циркония, ниобия или их смеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Органическое связующее	10-40
Металлический порошок	0,5-35,0
Огнеупорный наполнитель	Остальное

2. Суспензия по п.1, отличающаяся тем, что в качестве органического растворителя она содержит смесь диметилкетона и скипидара.

3. Суспензия по п.2, отличающаяся тем, что содержание диметилкетона и скипидара в растворе эпоксидной смолы составляет 40-90 и 10-60 мас.% соответственно.