СУСПЕНЗИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ Российский патент 2006 года по МПК B22C1/06 B22C1/22 

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 связующее15-40металлический порошок7-35огнеупорный наполнительостальное

[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 связующее10-40металлический порошок0,5-35,0огнеупорный наполнительостальное

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)40металлический порошок (алюминий)35огнеупорный 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 порошокНаполнитель140Al35Al₂O₃25210Al0,5AlN или TiN89,5340Al или Ti35TiC или TiN25410Zr0,5SiC или TiC89,5540Cr35Cr₂O₃25625Ti или Zr17NbC58725Cr17TiB₂58840Ti35Смесь Al₂O₃ и SiC или Si₃N₄ (масс. соотн. 1:1)25915Al или Zr25ZrC или NbC601040Ti или Zr35TiO₂ или ZrO₂251125Al17BN или B₄C581240Al35SiC или TiB₂251340Ti35Al₂O₃10    AlN или TiN151425Ti17Al₂O₃25    AlN или TiN331540Ti35Al₂O₃10    TiB₂ или SiC151625Ti17Al₂O₃25    TiB₂ или SiC331725Al или Zr17ZrO₂25    TiC или В₄C331825Ti или Al17Al₂O₃ или Si₃N₄25    VC331925Cr или Zr17ZrB или SiC582010Al0,5AlN49,5  Ti0,5Ti40  Al0,5AlN292125Ti0,5Ti2922 Al15AlN12 40Ti20Ti13    ZrO₂9  Al0,5AlN202310Zr0,65TiC30  Ti0,65NbB₂30 Связующее на основе:   резорцинаметилрезорцина  24-15Al35Al₂O₃502525-Al17Al₂O₃582640-Al7Y₂O₃53

Таблица 2.Свойства получаемых керамических форм.№ п/пПрочность форм, кг/см² по прототипу - при 1700°С, по предлагаемому изобретению - при 1800°С.Огнеупорность, не менее, °СТемпература заливки металла, °СРабочая температура формы, не менее °СТеплопроводность, Вт/(мК)Температурный градиент на фронте кристаллизации, °С/см11520502400185025150-20022522002400185035-40200-25033523002600185035-40200-25042528002400220035-40200-25052624002600190035-40200-25061930002500245035-40200-25073527002400216035-40200-25087024002400185035-40200-25095628002400195035-40200-250105024002400230035-40200-250112327002400195035-40200-250122828002400230035-40200-250132521002400230035-40200-250142521002400185035-40200-250156723002400185035-40200-250166422002400190035-40200-250175222002400190035-40200-250185823502400190035-40200-250192024002400190035-40200-250203122002400190035-40200-250213222002400190035-40200-250223322002400190035-40200-250232024002400190035-40200-250243516001700150025100254016001700150025100263715001700140025100

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.

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 связующее10-40Металлический порошок0,5-35,0Огнеупорный наполнительОстальное