НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК Российский патент 2012 года по МПК B22C3/00 B82B3/00 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к получению чугунных отливок с модифицированным поверхностным слоем.

Известно противопригарное покрытие, включающее 45-55% терморасширяющегося графита и до 100% воду [патент РФ №1822355 A3, кл. В22С 3/00, 1993]. Однако при использовании данного покрытия размер включений графита по всему сечению отливки остается неизменным.

Известно покрытие [патент РФ №2368450, кл. В22С 3/00. Противопригарное покрытие для литейных форм и стержней, 2009], содержащее, мас.%:

- скрытокристаллический графит - 29-56;

- связующее - 5,0-9,5;

- бентонит - 1,7-3,3%;

- вода - остальное.

Однако при использовании данного покрытия наблюдается ярко выраженная зона перехода от мелких к крупным включениям графита от поверхности к середине отливки.

Задачей изобретения является получение покрытия, улучшающего микроструктуру поверхностного слоя отливок из чугуна.

Поставленная задача достигается двумя вариантами:

1. Наноструктурированное покрытие для поверхностного модифицирования чугунных отливок, содержащее наполнитель, связующее, бентонит и воду, согласно изобретению, покрытие содержит в качестве наполнителя пылевидный кварц, или электрокорунд, или графит фракционного состава, мас.%: 1-100 нм - не менее 10; 101 нм - 1 мкм - 20-50; 1,5-10 мкм - 20-60; 11-20 мкм - 5-15; более 20 мкм - остальное, в качестве связующего крахмалит или лигносульфонат технический при следующем соотношении компонентов, мас.%:

наполнитель - 50-85;

связующее - 1,5-10;

бентонит - 1,0-3,5;

вода - до 100.

2. Наноструктурированное покрытие для поверхностного модифицирования чугунных отливок, содержащее наполнитель, связующее и воду, согласно изобретению, в качестве наполнителя покрытие содержит пылевидный кварц, или электрокорунд, или графит фракционного состава, мас.%: 1-100 нм - не менее 10; 101 нм - 1 мкм - 20-50; 1,5-10 мкм - 20-60; 11-20 мкм - 5-15; более 20 мкм - остальное, в качестве связующего жидкое стекло, дополнительно феррохромовый шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:

наполнитель - 50-85;

жидкое стекло - 1,5-10;

феррохромовый шлак - 1,0-3,5;

вода - до 100.

При использовании в составе покрытия наноструктурированного наполнителя менее 50 мас.% не наблюдается изменения микроструктуры отливки на ее поверхности. Увеличение содержания наноструктурированного наполнителя более 85 мас.% нецелесообразно с экономической точки зрения, т.к. не приводит к дальнейшему изменению микроструктуры поверхности отливок.

Использование наполнителя указанного фракционного состава позволяет добиться наибольшего эффекта поверхностного модифицирования чугунных отливок, т.к. обеспечивает покрытию хорошие технологические свойства, а отливкам улучшение микроструктуры поверхности. Испытания по оптимальному и запредельному составам, отражены в таблице. Из результатов испытаний видно, что уменьшение содержания фракций 1-100 нм и 100 нм - 1 мкм приводит к снижению эффекта поверхностного модифицирования, а также к увеличению размер графитовых включений в чугуне.

В качестве связующего использовано жидкое стекло, лигносульфонат технический или крахмалит. При введении в состав покрытия связующего в указанных количествах покрытию обеспечиваются хорошие технологические свойства: высокая прочность сцепления с формой, седиментационная устойчивость, низкая вязкость.

Выбор добавок зависит от типа используемого в составе покрытия связующего. При использовании в качестве связующего лигносульфоната технического или крахмалита используют бентонит, а при использовании жидкого стекла - феррохромовый шлак.

Приготовление покрытия осуществляют следующим образом. Смешивают механоактивированный наноструктурированный наполнитель следующего фракционного состава, мас.%: 1-100 нм - не менее 10; 101 нм - 1 мкм - 20-50; 1,5-10 мкм - 20-60; 11-20 мкм - 5-15; более 20 мкм - остальное, с добавкой, выбранной в зависимости от типа связующего. В краскомешалку заливают жидкие компоненты покрытия (лигносульфонат технический или жидкое стекло, смешанные с водой), перемешивают их в течение 3-5 мин, после чего перемешивают с сухими компонентами (наполнитель и бентонит по первому варианту и наполнитель и феррохромовый шлак по второму варианту). Перемешивание продолжают до получения однородной пастообразной массы. Для приготовления суспензии пасту перемешивают с водой до получения заданной плотности.

Способ нанесения покрытия и его сушки определяется технологией изготовления формы или стержня.

Для испытаний разработанных покрытий была выбрана отливка «Хвостовик» весом 3,5 кг с габаритными размерами 0420×45 мм. Отливка изготавливалась из серого чугуна марки СЧ25 следующего химического состава, %: 3,21 С; 1,86 Si; 0,66 Mn; 0,015 S и 0,01 Р. Температура заливки чугуна 1400-1450°С.

В ходе испытаний окрашивалась нижняя часть формы, выполненная из песчано-глинистой смеси, как наиболее ответственная. Окрашивание осуществлялось кистью, после окрашивания форма сушилась в печи.

В таблице приведены примеры составов и свойства покрытий.

Номер состава Состав покрытия, мас.% Свойства покрытия Размер графитовых включений в чугуне, мм наименование содержание вязкость, с прочность, кг/мм седиментационная устойчивость, % край отливки сердцевина отливки 1 2 3 4 5 6 7 8 Прототип 1 Скрытокристаллический графит расширенный (состав не контролировался) 29,0-56,0 7 4 90 92,1 92,1   Связующее 5,0-9,5             Бентонит 1,7-3,3             Вода До 100,0           Предлагаемое 2 Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 35,0 8 1,5 75 91,2 91,6   Крахмалит 11,0             Бентонит 17,0             Вода До 100,0           3 Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 67,0 10 Более 5 95 81,8 82,7   Крахмалит 1,6             Бентонит 2,5             Вода До 100,0           4 Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 90,0 16 2,5 85 90,1 91,1   Крахмалит 0,9             Бентонит 0,9             Вода До 100,0           5 Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 45,0 10 1,8 78 90,1 90,1   Лигносульфонат технический 11             Бентонит 5,5             Вода До 100,0           6 Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 55,0 14 Более 5 95 81,8 89,7   Лигносульфонат технический 7,0             Бентонит 3,0             Вода До 100,0           7 Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм-35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 90,0 20 3,0 83 89,8 90,0   Лигносульфонат технический 0,9             Бентонит 0,5             Вода До 100,0           8 Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 35,0 10 1,7 80 90,5 91,1   Крахмалит 11,0             Бентонит 17,0             Вода До 100,0           9 Механоактивированный наноструктури-рованный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 67,0 13 Более 5 95 81,8 86,0   Крахмалит 1,6             Бентонит 2,5             Вода До 100,0           10 Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 90,0 15 2,3 89 88,5 90,1   Крахмалит 0,9             Бентонит 0,9             Вода До 100,0           11 Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 45,0 13 2,6 83 90,5 91,1   Лигносульфонат технический 11,0             Бентонит 5,5             Вода До 100,0           12 Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 55,0 19 Более 5 95 79,5 81,8   Лигносульфонат технический 7,0             Бентонит 3,0             Вода До 100,0           13 Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 90,0 25 3,7 90 87,5 90,1   Лигносульфонат технический 0,9             Бентонит 0,5             Вода До 100,0           14 Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм-10; >20 мкм - остальное 35,0 10 2,5 89 90,5 91,1   Крахмалит 11,0             Бентонит 17,0             Вода До 100,0           15 Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 67,0 15 5,5 95 79,8 80,0   Крахмалит 1,6             Бентонит 2,5             Вода До 100,0           16 Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 90,0 23 4,0 93 87,5 88,1   Крахмалит 0,9             Бентонит 0,9             Вода До 100,0           17 Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 45,0 10 2,5 89 90,5 91,1   Лигносульфонат технический 11,0             Бентонит 5,5             Вода До 100,0           18 Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 55,0 15 5,5 95 63,7 66,8   Лигносульфонат технический 7,0             Бентонит 3,0             Вода До 100,0           19 Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 90,0 23 4,0 93 87,5 88,1   Лигносульфонат технический 0,9             Бентонит 0,5             Вода До 100,0           20 Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 45,0 13 Более 5 85 92,1 92,9   Жидкое стекло 3,2             Феррохромовый шлак 3,0             Вода До 100,0           21 Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 65,0 15 Более 5 97 83,5 85,6   Жидкое стекло 3,2             Феррохромовый шлак 3,0             Вода До 100,0           22 Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 45,0 20 Более 5 98 92,1 92,1   Жидкое стекло 3,2             Феррохромовый шлак 3,0             Вода До 100,0           23 Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 65,0 15 Более 5 90 90,9 91,9   Жидкое стекло 3,2             Феррохромовый шлак 3,0             Вода До 100,0           24 Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 45,0 20 Более 5 96 86,8 89,6   Жидкое стекло 3,2             Феррохромовый шлак 3,0             Вода До 100,0           25 Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 90,0 23 Более 5 97 87,0 90,0   Жидкое стекло 3,2             Феррохромовый шлак 3,0             Вода До 100,0           26 Механоактивированный наноструктури-рованный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 45,0 15 Более 5 93 90,1 91,0   Жидкое стекло 3,2             Феррохромовый шлак 3,0             Вода До 100,0           27 Механоактивированный наноструктури-рованный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 65,0 18 Более 5 97 82,5 82,6   Жидкое стекло 3,2             Феррохромовый шлак 3,0             Вода До 100,0           28 Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное 90,0 20 Более 5 96 86,8 89,6   Жидкое стекло 3,2             Феррохромовый шлак 3,0             Вода До 100,0           29 Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 5; 101 нм - 1 мкм - 5; 1,5-10 мкм - 65; 11-20 мкм - 20; >20 мкм - остальное 55,0 15 5,5 95 95,3 97,3   Лигносульфонат технический 7,0             Бентонит 3,0             Вода До 100,0          

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения чугунных отливок с модифицированным поверхностным слоем. В состав наноструктурированного покрытия входят наполнитель в виде пылевидного кварца, или электрокорунда, или графита, связующее и вода. Наполнитель имеет следующий фракционный состав, мас.%: 1-100 нм - не менее 10; 101 нм - 1 мкм - 20-50; 1,5-10 мкм - 20-60; 11-20 мкм - 5-15; более 20 мкм - остальное. В качестве связующего покрытие содержит крахмалит или лигносульфонат технический. Дополнительно покрытие содержит бентонит. По второму варианту покрытие содержит в качестве связующего жидкое стекло и дополнительно содержит феррохромовый шлак. Улучшается микроструктура поверхностного слоя отливок из серого чугуна. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

1. Наноструктурированное покрытие для поверхностного модифицирования чугунных отливок, содержащее наполнитель, связующее и воду, отличающееся тем, что оно содержит в качестве наполнителя пылевидный кварц, или электрокорунд, или графит фракционного состава, мас.%: 1-100 нм - не менее 10; 101 нм - 1 мкм - 20-50; 1,5-10 мкм - 20-60; 11-20 мкм - 5-15; более 20 мкм - остальное, в качестве связующего - крахмалит или лигносульфонат технический, и дополнительно содержит бентонит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
наполнитель 50-85 связующее 1,5-10 бентонит 1,0-3,5 вода до 100.

2. Наноструктурированное покрытие для поверхностного модифицирования чугунных отливок, содержащее наполнитель, связующее и воду, отличающееся тем, что оно содержит в качестве наполнителя пылевидный кварц, или электрокорунд, или графит фракционного состава, мас.%: 1-100 нм - не менее 10; 101 нм - 1 мкм - 20-50; 1,5-10 мкм - 20-60; 11-20 мкм - 5-15; более 20 мкм - остальное, в качестве связующего - жидкое стекло, и дополнительно содержит феррохромовый шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:
наполнитель 50-85 связующее 1,5-10 феррохромовый шлак 1,0-3,5 вода до 100