Способ пропитки тиглей и огнеупорных изделий

Изобретение относится к огнеупорным тиглям, используемым для плавки металлических сплавов. Способ герметизации поверхности и структуры огнеупорного тигля керамическим материалом включает стадии, на которых: (а) нагревают огнеупорный тигель до заданной температуры; (б) наносят смачивающее вещество на поверхность тигля; (в) наносят на внутреннюю поверхность тигля керамический шликер; (г) вакуумируют тигель; (д) удаляют избыток шликера с внутренней поверхности тигля; (е) нагревают тигель, чтобы удалить из него влагу; и (ж) обжигают тигель при температуре от 1300°С до около 1700°С. При необходимости операции (б)-(е) многократно повторяют. Керамический шликер с вязкостью 100-3500 сантипуаз состоит из воды, смачивающего вещества и около 20-80 вес.% керамического порошка, который имеет размер частиц преимущественно менее 1 мкм. Керамический порошок выбирают из группы MgO-ZrO₂, Y₂О₃-ZrO₂, нестабилизированный ZrO₂, СrО₃, Аl₂O₃ или их сочетаний. Технический результат изобретения - создание плотной структуры внутренней поверхности тигля, обеспечивающей более длительный срок его службы. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к огнеупорным тиглям и другим огнеупорным изделиям, более точно к защитному герметизирующему слою или слоям, которые наносят на внутреннюю поверхность или на внутреннюю и наружную поверхности тигля.

Предпосылки создания изобретения

Литье по выплавляемым моделям, часто называемое "литьем по выплавляемым восковым моделям", представляет собой способ литья, позволяющий изготавливать из металлов и их сплавов металлические детали с близкой к заданной формой. Литье по выплавляемым моделям обычно применяется для прецизионной отливки сложных профилей. Для плавки металлических сплавов в процессах литья по выплавляемым моделям используются огнеупорные тигли. Сплавы расплавляют в тигле, а затем разливают из него в формы для литья фасонных изделий. Обычные огнеупорные тигли, такие как тигли из двуокиси циркония обычно имеют пористую структуру, что частично повышает их термостойкость и дополнительно сводит к минимуму потенциальную возможность растрескивания.

Одни металлические сплавы обладают большей способностью вступать в реакцию с огнеупорными материалами, чем другие, и способны вступать в реакцию с внутренней поверхностью тигля. Примерами сплавов с высокой реакционной способностью являются суперсплавы на основе никеля и на основе кобальта с высоким содержанием хрома и титановые сплавы. Эти сплавы с высокой реакционной способностью имеют тенденцию вступать в механическую и(или) химическую реакцию с огнеупорным материалом, например двуокисью циркония, из которой выполнен тигель. При многократном применении взаимодействие между сплавом и огнеупорным материалом может привести к ухудшению качества, т.е. эрозии и коррозии внутренней поверхности тигля. Расплавленный сплав способен проникать в пористую поверхность тигля и вступать в реакцию с огнеупорным материалом. Кроме того, в результате проникновения сплава в пористую поверхность тигля может происходить дальнейшее ухудшение качества поверхности по мере того, как проникший в поверхность металл многократно застывает и снова плавится между циклами плавки. Многократное плавление и застывание металла внутри огнеупорного материала способно вызывать растрескивание и выкрашивание огнеупорного материала и его последующее разрушение на поверхности тигля. Это не только сокращает срок службы тигля, но также может приводить к образованию включений огнеупорного материала в литой детали(-ях).

В настоящем изобретении преодолены эти и другие недостатки и предложен огнеупорный тигель, имеющий плотную структуру внутренней поверхности, которая менее чувствительна к проникновению сплавов, а также способ пропитки поверхности тигля.

Краткое изложение сущности изобретения

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения предложен способ герметизации поверхности огнеупорного тигля керамическим материалом, включающий стадии, на которых:

(а) нагревают огнеупорный тигель до температуры от около 100°С до около 150°C,

(б) наносят смачивающее вещество на внутреннюю поверхность тигля,

(в) наносят на внутреннюю поверхность тигля керамический шликер с вязкостью около 100-3500 сантипуаз, состоящий из воды, смачивающего вещества/дисперсанта и около 20-80% по весу керамического порошка, при этом по меньшей мере 90% частиц керамического порошка имеют размер менее 1 микрона,

(г) вакуумируют тигель,

(д) удаляют избыток шликера с внутренней поверхности тигля,

(е) нагревают тигель, чтобы удалить из него влагу, и

(ж) обжигают тигель при температуре от 1300°C до около 1700°C в течение от около 2 до около 6 часов.

Согласно другой особенности настоящего изобретения предложен способ герметизации поверхности и структуры огнеупорного изделия керамическим материалом, включающий стадии, на которых:

(а) нагревают огнеупорное изделие до температуры от около 100°C до около 150°C,

(б) наносят смачивающее вещество на поверхность изделия,

(в) наносят на поверхность изделия керамический шликер с вязкостью около 100-3500 сантипуаз, состоящий из воды, смачивающего вещества/дисперсанта и около 20-80% по весу керамического порошка, при этом по меньшей мере 90% частиц керамического порошка имеют размер менее 1 микрона,

(г) вакуумируют изделие,

(д) удаляют избыток шликера с поверхности изделия и

(е) нагревают изделие, чтобы удалить из него влагу.

Согласно одной из особенностей настоящего изобретения предложен способ герметизации поверхности огнеупорного изделия.

Согласно другой особенности настоящего изобретения предложен способ герметизации поверхности огнеупорного изделия, подвергающегося воздействию расплавленного металла или стекла.

Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения предложен тигель для плавления металла и металлических сплавов.

Согласно другой особенности настоящего изобретения предложен описанный выше тигель, более устойчивый к химическому воздействию со стороны высокореакционных металлических сплавов.

Согласно другой особенности настоящего изобретения предложен описанный выше тигель, внутренняя поверхность которого пропитана материалом, противодействующим проникновению расплавленных сплавов в поверхность огнеупорного тигля.

Согласно другой особенности настоящего изобретения предложен способ пропитки поверхности тигля с целью усиления сопротивления тигля проникновению расплавленных металлических сплавов.

Эти и другие особенности станут ясны из следующего далее описания одного из предпочтительных вариантов осуществления.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления

Настоящее изобретение относится к способу герметизации и(или) пропитки поверхностей огнеупорного изделия, более точно к огнеупорному изделию, которое вступает в контакт с расплавленными металлическими сплавами, и к изделию, герметизированному таким способом. Настоящее изобретение выгодно применяется для герметизации или пропитки огнеупорного тигля и будет описано далее со ссылкой на него. Тем не менее следует учесть, что настоящее изобретение применимо для герметизации или пропитки других огнеупорных изделий различной формы. В общих чертах, способ герметизации огнеупорного изделия состоит в том, что поверхность изделия пропитывают керамическим материалом, состоящим из мелкого керамического порошка, и затем сушат или обжигают изделие и керамический материал, чтобы получить изделие с более плотной структурой поверхности.

Далее изобретение будет описано со ссылкой на способ герметизации огнеупорного тигля. Используемый в описании термин "тигель" означает чашеобразный огнеупорный сосуд, имеющий внутреннюю поверхность и наружную поверхность, при этом его внутренняя поверхность образует внутреннюю полость для содержимого, а наружная поверхность образует наружную часть сосуда. Тигель выполнен из пористого огнеупорного материала. Настоящее изобретение выгодно применимо в тиглях из огнеупорного материала различных типов. В качестве примера, а не ограничения, в настоящем изобретении выгодно применяются тигли из двуокиси циркония, такие как тигли из стабилизированной окисью магния двуокиси циркония, стабилизированной окисью кальция двуокиси циркония и стабилизированной окисью иттрия двуокиси циркония.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения герметизируемую внутреннюю поверхность тигля нагревают до температуры выше 100°C. Согласно одному из способов герметизации внутренней поверхности тигля чистый огнеупорный тигель нагревают до температуры от около 100°C до около 150°C. После того как тигель нагрелся до желаемой температуры, на нагретую внутреннюю поверхность тигля наносят воду, чтобы гидратировать ее. Вода предпочтительно содержит смачивающее вещество или дисперсант для облегчения смачивания поверхности огнеупорного тигля. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения используют раствор воды и от около 1 до около 3% смачивающего вещества/дисперсанта. Водный раствор может наноситься на поверхность путем распыления или щеткой. Раствор наносят с целью проникновения в пористую внутреннюю поверхность тигля. Смачивание внутренней поверхности предпочтительно повторяют два или более раз, чтобы гарантировать смачивание всех пористых поверхностей.

Сразу после смачивания внутренней поверхности тигля его заполняют керамическим шликером. Керамический шликер получают из смеси воды и керамического порошка. Шликер содержит воду и 20-80% по весу керамического материала. Керамический материал состоит из керамического порошка. По меньшей мере частиц 90% керамического порошка имеют размер менее 1 микрона. Керамический порошок может состоять из одного керамического материала или смеси двух или более различных керамических материалов. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения керамический шликер получают из керамического материала, соответствующего керамической композиции, из которой выполнен тигель. Вместе с тем предусмотрено, что на тигель могут наноситься другие керамические материалы. Керамические материалы, выгодно применимые для получения керамического шликера, включают в качестве примера, а не ограничения MgO-ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂ и нестабилизированные ZrO₂, CrO₂, Al₂O₃ и их сочетания.

Состав керамического шликера выбирают таким образом, чтобы он имел вязкость от около 100 до около 3500 сантипуаз. В керамический шликер может быть включена спекающая добавка. Спекающая добавка содержит от около 0,1% до около 1,0% по весу керамического шликера.

Керамический шликер помещают в тигель, пока он остается горячим, и его внутренняя поверхность остается смоченной в результате предшествующего смачивания.

Затем наружную поверхность тигля вакуумируют. В одном из предпочтительных вариантов осуществления тигель помещают в вакуумную камеру, и затем создают вакуум по меньшей мере 25 дюймов ртутного столба. Вакуум поддерживают в течение времени, достаточного для того, чтобы керамический шликер проник в поверхность тигля. С этой целью снижают давление вокруг наружной части тигля, чтобы находящийся в тигле керамический шликер проник в поры внутренней поверхности тигля. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения вакуум поддерживают в течение от около 5 до около 15 минут. После стадии вакуумирования удаляют избыток шликера с внутренней поверхности тигля. Для удаления избытка шликера с внутренней поверхности тигля его можно стереть влажной тканью.

После этого тигель нагревают, чтобы удалить влагу из керамического шликера. Тигель нагревают предпочтительно до температуры выше 100°C, чтобы удалить влагу из шликера.

Описанные стадии смачивания внутренней поверхности тигля, пропитки поверхности тигля керамическим шликером и сушки тигля предпочтительно повторяют несколько раз. С каждой следующей стадией смачивания, пропитки и сушки керамический шликер дополнительно герметизирует поверхность тигля и заполняет пустоты во внутренней поверхности огнеупорного тигля.

После стадии окончательной пропитки и сушки тигель может быть обожжен с целью обеспечения спекания и сцепления керамического материала шликера с поверхностью изделия, т.е. тигля. Для специалистов в данной области техники ясно, что стадия обжига может не требоваться, и изделие, т.е. тигель с высушенным керамическим материалом внутри него, может применяться в условиях высокотемпературной производственной среды, в которых в результате предварительного нагрева на месте или воздействия высоких температур расплавленного металла на поверхность изделия, т.е. тигля, преимущественно происходит спекание керамического шликера.

В случае некоторых керамических систем и изделий для применения в некоторых областях может быть желательным обжиг изделия до его использования. Для специалистов в данной области техники также ясно, что температура и время, необходимые для обжига конкретного изделия зависят от керамической системы, т.е. керамического материала, из которого выполнено основное изделие, и керамического материала, содержащегося в шликере, а также от конфигурации и размеров самого изделия. В качестве примера, а не ограничения, большинство систем могут обжигаться при температурах от около 1300°C до около 1600°C в течение от около 2 до около 6 часов, чтобы обеспечить спекание керамического шликера с огнеупорным материалом, образующим основное изделие.

Таким образом, в настоящем изобретении предложен способ герметизации и пропитки поверхности огнеупорного изделия, чтобы такая поверхность была менее чувствительна к проникновению высокореакционных металлических сплавов или расплавленного металла во время использования.

Далее настоящее изобретение будет описано на следующем примере, в котором тигель из стабилизированной окисью магния двуокиси циркония пропитали керамическим материалом на основе стабилизированной окисью магния двуокиси циркония.

Пример

Обожженный тигель марки Composition 3001 из стабилизированной окисью магния двуокиси циркония производства компании Zircoa, Inc. нагрели до температуры 105°C в печи и выдерживали при ней в течение двух часов. После выдерживания при этой температуре тигель извлекли из печи. С помощью щетки всю внутреннюю поверхность тигля смочили раствором воды и 2% смачивающего вещества/дисперсанта. Раствор проник в пористую внутреннюю поверхность тигля. Смачивание внутренней поверхности повторили два или более раз, чтобы гарантировать смачивание всех пористых поверхностей для подготовки к восприятию пропиточного шликера. Сразу после этого смоченный тигель заполнили пропиточным шликером.

Шликер получили из воды и стабилизированной окисью магния окиси циркония. 90% частиц стабилизированной окисью магния окиси циркония в керамическом шликере имели размер менее 1 микрона. Стабилизированная окисью магния окись циркония содержала 40% по весу керамического шликера. Керамический шликер содержал 1,0 по весу спекающей добавки.

Керамический шликер влили в предварительно нагретый и смоченный тигель, чтобы заполнить его. Затем тигель в течение пяти минут обрабатывали под вакуумом приблизительно 27 дюймов ртутного столба. За счет снижения давления вокруг тигля пропиточный шликер проник в пористую внутреннюю поверхность тигля. Через пять минут вакуум сняли, и извлекли тигель. Удалили избыток шликера, остававшегося внутри тигля. Для удаления избытка шликера с внутренней поверхности тигля его стерли влажной тканью.

Затем тигель на два часа помести в сушильную печь. Еще раз осуществили описанные выше смачивание, пропитку и сушку тигля.

После стадии окончательной пропитки и сушки тигель в течение двух часов обжигали при температуре 1650°С.

Полученный обожженный керамический тигель обладал следующими физическими свойствами:

стандартный тигель до пропитки:

1) пористость 17,1%

2) плотность 4,66 г/см³

тигель с пропиткой:

1) кажущаяся пористость 15,4%

2) объемная плотность 4,64 г/см³

3) Прирост чистого веса после обжига 1,4%

Свойство	Стандартный тигель С3001	Тигель С3001 с пропиткой
Объемная плотность (г/см3)	4,64	4,67
Кажущаяся пористость (%)	17,5	17,0
Коэффициент теплового расширения (х10-6/°C, 25-1300°C)	1,5	1,8
Относительный модуль разрыва	1X	1,1Х

Тигель с пропиткой обладает повышенной устойчивостью к эрозии и коррозии за счет более плотной структуры поверхности.

Выше был описан один из конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения. Следует учесть, что этот вариант осуществления приведен лишь в целях иллюстрации, и специалистами в данной области техники может быть предложено множество изменений и модификаций, не выходящих за пределы существа и объема изобретения. Соответственно, хотя изобретение было описано применительно к герметизации огнеупорного тигля, настоящее изобретение может применяться для герметизации поверхности(-ей) других огнеупорных изделий, входящих в контакт с корродирующими веществами, такими как расплавленный металл или расплавленное стекло, таких как, в качестве примера, а не ограничения, огнеупорных кирпичей, огнеупорных сопел и огнеупорных шиберных затворов. Подразумевается, что все такие модификации и изменения включены в изобретение, если они входят в объем изобретения, ограниченный формулой изобретения или ее эквивалентами.

1. Способ герметизации поверхности и структуры огнеупорного тигля керамическим материалом, включающий стадии, на которых:
(а) нагревают огнеупорный тигель до температуры от около 100 до около 150°С,
(б) наносят смачивающее вещество на внутреннюю поверхность тигля,
(в) наносят на внутреннюю поверхность тигля керамический шликер с вязкостью около 100-3500 сП, состоящий из воды, смачивающего вещества/дисперсанта и около 20-80% по весу керамического порошка, при этом по меньшей мере 90% частиц керамического порошка имеют размер менее 1 мкм,
(г) вакуумируют тигель,
(д) удаляют избыток шликера с внутренней поверхности тигля,
(е) нагревают тигель, чтобы удалить из него влагу, и
(ж) обжигают тигель при температуре от 1300 до около 1700°С в течение от около 2 до около 6 ч.

2. Способ по п.1, в котором наносят смачивающее вещество на внутреннюю поверхность тигля щеткой.

3. Способ по п.1, в котором наносят смачивающее вещество на внутреннюю поверхность тигля распылением.

4. Способ по п.1, в котором наносят воду в виде водного раствора, содержащего от около 1 до около 3% смачивающего вещества или дисперсанта.

5. Способ по п.1, в котором наносят керамический шликер на внутреннюю поверхность тигля путем заполнения тигля керамическим шликером.

6. Способ по п.1, в котором обрабатывают наружную поверхность тигля под вакуумом с помощью вакуумной камеры.

7. Способ по п.6, в котором обрабатывают тигель под вакуумом по меньшей мере 25 дюймов ртутного столба в течение от около 5 до около 15 мин.

8. Способ по п.1, в котором многократно повторяют стадии (б), (в), (г), (д) и (е) до обжига тигля.

9. Способ по п.1, в котором тигель выполнен из двуокиси циркония.

10. Способ по п.1, в котором керамический шликер состоит из керамического порошка, выбранного из группы, включающей MgO-ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, нестабилизированный ZrO₂, CrO₂, Аl₂О₃ или их сочетаний.

11. Способ герметизации поверхности и структуры огнеупорного изделия керамическим материалом, включающий стадии, на которых:
(а) нагревают огнеупорное изделие до температуры от около 100 до около 150°С,
(б) наносят смачивающее вещество на поверхность изделия,
(в) наносят на поверхность изделия керамический шликер с вязкостью около 100-3500 сП, состоящий из воды, смачивающего вещества/дисперсанта и около 20-80% по весу керамического порошка, при этом по меньшей мере 90% частиц керамического порошка имеют размер менее 1 мкм,
(г) вакуумируют изделие,
(д) удаляют избыток шликера с поверхности изделия и
(е) нагревают изделие, чтобы удалить из него влагу.

12. Способ по п.11, дополнительно включающий стадию, на которой:
(ж) обжигают изделие при температуре от 1300 до около 1700°С в течение от около 2 до около 6 ч.

13. Способ по п.11, в котором смачивающее вещество состоит из водного раствора, содержащего от около 1 до около 3% смачивающего вещества или дисперсанта.

14. Способ по п.11, в котором обрабатывают изделие под вакуумом с помощью вакуумной камеры.

15. Способ по п.14, в котором обрабатывают изделие под вакуумом по меньшей мере 25 дюймов ртутного столба в течение от около 5 до около 15 мин.

16. Способ по п.11, в котором многократно повторяют стадии б), (в), (г), (д) и (е) до обжига изделия.

17. Способ по п.11, в котором изделием является тигель, а поверхностью является внутренняя поверхность тигля.

18. Способ по п.17, тигель выполнен из двуокиси циркония.

19. Способ по п.11, в котором керамический шликер состоит из керамического порошка, выбранного из группы, включающей MgO-ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, нестабилизированный ZrO₂, CrO₂, Аl₂О₃ или их сочетаний.