Суспензия огнеупорная для оболочковых форм по выплавляемым моделям
Владельцы патента RU 2503520:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) (RU)
Изобретение относится к литейному производству. Суспензия включает этилсиликат, спиртовой раствор нитрата алюминия девятиводного, микропорошки электрокорунда, алюминиевый порошок и оксид иттрия при следующем соотношении компонентов, мас.%: этилсиликат 5,0-8,0; спирт этиловый 14,0-17,0; нитрат алюминия девятиводный 1,3-2,0; кислота соляная или азотная 0,06-0,1; поливинилбутираль 0,03-0,09; алюминиевый порошок 3,0-6,0; оксид иттрия 4,0-8,0; микропорошки электрокорунда - остальное. Обеспечивается уменьшение степени взаимодействия керамической формы с металлом отливок. 2 табл.
Изобретение относится к литейному производству, в частности к изготовлению отливок из тугоплавких химически активных металлов, жаропрочных и других высоколегированных сплавов по выплавляемым моделям.
В настоящее время перспективным конструкционным материалом в авиакосмической промышленности, судостроении, химическом и нефтяном машиностроении являются титановые сплавы. По сравнению со стальными деталями, титановые оказываются прочнее при одинаковой массе. При температурах до 500°C титановые сплавы противостоят коррозии лучше нержавеющих и жаростойких сталей.
Основным недостатком титана является его химическая активность при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, вследствие чего плавка и заливка сплавов на его основе осуществляется в вакууме. Расплавленный титан активно взаимодействует с кислородом, углеродом и азотом, а также со многими огнеупорными материалами. Недостаточная химическая инертность литейной формы к заливаемому титановому сплаву приводит к образованию на отливках поверхностных дефектов и видоизмененного слоя повышенной твердости, что увеличивает трудоемкость ее обработки и резко снижает эксплуатационные характеристики литой детали. /Производство отливок из сплавов цветных металлов / А.В.Курдюмов и др. - М.: Металлургия, 1986. - с.287…293/. В применяемых керамических литейных формах по выплавляемым моделям наиболее химически активным компонентом является кремнезем связующего, который в вакууме при температурах заливки и прогрева форм подвергается термической диссоциации с выделением монооксида кремния, а также атомарного и молекулярного кислорода, окисляющих компоненты сплава.
Наиболее близкой по технической сущности является суспензия для изготовления оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающая перхлорат калия /Авторское свидетельство СССР №1238880. МКИ 4 В22С 1/16. Суспензия для изготовления оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям / Александров В.М., Кулаков Б.А., Солодянкин А.А. и др. Бюл. №23, 1986./ Смесь включает раствор гидролизованного этилсиликата, алюминиевый порошок, перхлорат калия и огнеупорный наполнитель, мас.%:
| раствор гидролизованного этилсиликата | 20…40 |
| алюминиевый порошок | 1,5…8,0 |
| перхлорат калия | 0,1…1,0 |
| огнеупорный наполнитель | остальное |
Суспензия данного состава позволяет снизить содержание свободного диоксида кремния и получать отливки из титановых сплавов, заливаемых в холодные формы, однако при заливке в нагретые до 800...1000°С керамические формы, остаточный кремнезем способен взаимодействовать с заливаемым сплавом, изменять его состав и структуру и ухудшать эксплуатационные свойства.
В основу изобретения положена техническая задача по созданию формовочной огнеупорной суспензии для уменьшения степени взаимодействия керамической формы с металлом отливок.
Указанная задача решается тем, что огнеупорная суспензия для оболочковых форм по выплавляемым моделям, включающая этилсиликат, растворитель, огнеупорный наполнитель на основе оксида алюминия, алюминиевый порошок и добавку, согласно изобретению, в качестве растворителя этилсиликата применяется спиртовой раствор нитрата алюминия девятиводного, а в качестве добавки используется оксид иттрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Этилсиликат | 5,0…8,0 |
| Спирт этиловый | 14,0…17,0 |
| Нитрат алюминия девятиводный | 1,3…2,0 |
| Кислота соляная или азотная | 0,06…0,1 |
| Поливинилбутираль | 0,03…0,09 |
| Алюминиевый порошок | 3,0…6,0 |
| Оксид иттрия | 4,0…8,0 |
| Микропорошки электрокорунда | остальное |
Количество этилсиликата обусловлено прочностными характеристиками формы и ее химической активностью по отношению к заливаемому металлу. Содержание этилсиликата менее 5,0% мас. не позволяет достигнуть необходимой минимальной прочности форм, а содержание более 8,0% мас. увеличивает химическую активность форм.
Содержание этилового спирта обусловлено содержанием кремнезема в гидролизованном этилсиликате, т.е. в жидкой соствляющей суспензии и достижением необходимых технологических параметров вязкости.
Нитрат алюминия девятиводный в спиртовом растворе диссоциирует и впоследствии равномерно распределяется в пространственной структуре кремнезоля. При прокалке форм он разлагается с образованием аморфного оксида алюминия и впоследствие при температурах 950…1100°С спекается с диоксидом кремния связующего, образуя химически более инертное соединение - муллит. Содержание нитрата алюминия менее 1,3% не обеспечивает связывание активной составляющей кремнезема формы. Содержание более 2,0% снижает прочность литейной формы вследствие нарушения пространственной структуры силоксанов в связующем.
Кислота является катализатором гидролиза этилсиликата. Содержание кислоты менее 0,06% не обеспечивает прохождения качественного гидролиза. Увеличение содержания кислоты более 0,1% может снизить живучесть формовочной суспензии.
Поливинилбутираль создает на поверхности суспензии органическую полимерную пленку и препятствует испарению растворителя из связующего. При содержании поливинилбутираля менее 0,03% содержание растворителя в супензии умньшается, и она приобретает повышенную вязкость. При содержании более 0,09% суспензия очень долго стекает с модели и не обсыхает на модельном блоке.
Алюминиевый порошок способствует повышению эффективности спекания наполнителя и достижения необходимой прочности форм после прокалки. Содержание менее 3%; не обеспечивает необходимой прочности, содержание более 6% повышает вероятность хрупкого разрушения формы в процессе заливки.
Оксид иттрия, как основной оксид, при прокалке эффективно связывает остаточный диоксид кремния связующего в силикат иттрия, который более устойчив, чем кремнезем, к заливаемому сплаву. Содержание оксида иттрия взаимосвязано с полнотой соединения в силикат иттрия остаточного диоксида кремния, не муллитизированного введенным при гидролизе нитратом алюминия. При содержании оксида иттрия менее 4% связывание кремнезема проходит не в полной мере, увеличение содержания более 8% нецелесообразно, так как не приводит к повышению эффективности процесса, а ведет лишь к повышению стоимости форм.
Приготовление суспензии осуществляют следующим образом.
Готовят 10…12 мас.%. раствор нитрата алюминия девятиводного Al(NO3)3·9H2O ГОСТ 3757-75 в этиловом спирте.
Суспензию готовят раздельным способом. Связующим служит раствор гидролизованного этилсиликата марки ЭТС-40. В качестве органического растворителя применяют раствор нитрата алюминия девятиводного в этиловом спирте, а в качестве катализатора гидролиза - соляную или азотную кислоту. Гидролиз проводят следующим образом. Смешивают технический этилсиликат со спиртовым раствором нитрата алюминия девятиводного в присутствии катализатора - азотной или соляной кислоты и антииспарителя - поливинилбутираля и перемешивают в течение 40…60 мин. До приготовления суспензии связующее выдерживается в течение 18…36 часов. Условное содержание SiO2 в гидролизованном этилсиликате составляет SiO2 8…12%. Связующее имеет состав, мас.%:
| Этилсиликат-40 | 18,6…28,4 |
| Кислота | 0,21…0,32 |
| Поливинилбутираль | 0,1…0,3 |
| Спиртовой раствор нитрата алюминия девятиводного | 81,3…70,1 остальное |
Суспензию готовят введением в связуюощее поршкообразных компонентов - алюминиевого порошка, оксида иттрия и микропорошков электрокорунда. Соотношение жидкой и твердой составляющей суспензии находится в пределах от 1:2,8 до 1:3,6, что обеспечивает условную вязкость в пределах 15…45 с и соотношение всех компонентов согласно формуле изобретения.
В качестве корундовой составляющей огнеупорного наполнителя суспензии используют смесь порошков белого электрокорунда, например следующего состава, мас.%: М5 - 25; №3 - 40; №5 - 35.
В качестве алюминиевого порошка предпочтительнее использовать порошок марки АСД-4, как наиболее дисперсный, имеющий высокую удельную поверхность.
Оксид иттрия используется в виде плавленого дисперсного порошка с размером зерен 5…10 мкм.
Вязкость огнеупорной суспензии по вискозиметру ВЗ-4 для 1-го слоя 30…45 с., для 2-го 25-30 с, и для остальных 15-22 с. В качестве присыпки используют электрокорунд белый фракции №20 для 1-го слоя и фракции №50 для остальных.
При изготовлении форм из предлагаемой суспензии сушку нанесенных слоев осуществляют на воздухе, в воздушно-аммиачной среде, а также вакуумно-аммиачным способом.
Удаление разовых моделей осуществляют в горячей модельной массе, в воде, горячим воздухом, нагретым воздухом в автоклавах. Формы прокаливают в окислительной атмосфере при 1000…1200°С в течение 4…6 ч.
Изготавливают 5-слойные стандартные керамические образцы и 9-слойные формы.
Заливку титановых сплавов производят в печи ВДЛ-4, вакуум в печах достигает 10-2 мм рт. ст.
Для получения сравнительных данных осуществляют также изготовление литейных форм из смеси согласно прототипу.
Составы смесей приведены в табл.1, свойства литейных форм и показатели качества отливок приведены в табл.2.
| Таблица 1 | ||||
| Составы суспензий | ||||
| Наименование ингредиентов | Количество ингредиентов, мас.% | |||
| прототип | 1 | 2 | 3 | |
| Этилсиликат | 6,5 | 5,0 | 6,5 | 8,0 |
| Спирт этиловый | 15,5 | 17,0 | 15,5 | 14,0 |
| Нитрат алюминия девятиводный | - | 2,0 | 1,7 | 1,3 |
| Кислота | 0,07 | 0,06 | 0,08 | 0,1 |
| Поливинилбутираль | 0,06 | 0,09 | 0,06 | 0.3 |
| Алюминиевый порошок | 4,0 | 6,0 | 4,0 | 4,0 |
| Оксид иттрия | - | 4,0 | 6,0 | 8,0 |
| Перхлорат калия | 0,6 | - | - | - |
| Микропорошки электрокорунда | остальное | остальное |
| Таблица 2 | ||||
| Результаты испытаний смесей по составам | ||||
| Показатели | Результаты испытаний по составам | |||
| прототип | 1 | 2 | 3 | |
| Прочность форм на изгиб после вытопки, МПа | 3,5 | 5,4 | 5,8 | 4,9 |
| Прочность форм на изгиб после прокалки, МПа | 3,9 | 1,1 | 1,0 | 9,1 |
| Глубина видоизмененного слоя отливки,, мкм | 110 | 23 | 26 | 25 |
| Шероховатость поверхности отливки, Ra | 10 | 8 | 8 | 8 |
| Класс размерной точности отливки по ГОСТ 26645-85 | 5 | 5 | 5 | 5 |
Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси позволяет получить керамические формооболочки, превосходящие по механическим свойствам прототип, в то же время снизить их химическую активность по отношению к заливаемому титановому сплаву, и соответственно, существенно уменьшить образование видоизмененного слоя на отливках.
Заявленный состав может быть использован в литье по выплавляемым моделям титановых и других химически активных сплавов.
Суспензия огнеупорная для оболочковых форм по выплавляемым моделям, включающая этилсиликат, растворитель, огнеупорный наполнитель на основе оксида алюминия, алюминиевый порошок и добавку, отличающаяся тем, что в качестве растворителя этилсиликата она содержит спиртовой раствор нитрата алюминия девятиводного, а в качестве добавки содержит оксид иттрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Этилсиликат | 5,0-8,0 |
| Спирт этиловый | 14,0-17,0 |
| Нитрат алюминия девятиводный | 1,3-2,0 |
| Кислота соляная или азотная | 0,06-0,1 |
| Поливинилбутираль | 0,03-0,09 |
| Алюминиевый порошок | 3,0-6,0 |
| Оксид иттрия | 4,0-8,0 |
| Микропорошки электрокорунда | остальное |
