СВЯЗУЮЩЕЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ РАВНООСНОГО ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2018 года по МПК B22C1/18 B22C9/04 

Связующее для второго и последующих слоев керамических форм для равноосного литья по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов относится к литейному производству, в частности, к технологии получения керамических форм, и может быть использовано в литейном производстве при изготовлении оболочковых форм по выплавляемым моделям.

Известно связующее и суспензия (Патент RU №2185260, МПК В22С 1/16, публ. 20.07.2002) для изготовления литейных форм по выплавляемым моделям, включающие кремнезоль, этилсиликат, сульфонол и пылевидный кварц, бутанол и воду при следующем соотношении компонентов, мас. %: кремнезоль 41,0-44,0; этилсиликат 1,1-2,0; сульфонол 0,05-0,06; бутанол 0,3-0,6; пылевидный кварц 51,0-51,5; вода остальное. Недостатками связующего являются склонность к бактериальному разрушению органических компонентов связующего, пожаро-взрывоопасность и токсичность используемого этилсиликата, что приводит к загрязнению воздуха рабочих помещений парами вредного этилсиликата.

Известно связующее и суспензия (Патент RU №2191656, МПК В22С 1/16, публ. 27.10.2002) для изготовления литейных оболочковых форм по выплавляемым моделям, включающие основной кремнезоль, этилсиликат, поверхностно-активное вещество и огнеупорный наполнитель, в котором ингредиенты взяты в следующем соотношении, масс. %: кремнезоль 34,3-29,75; этилсиликат 0,7-5,25; поверхностно-активное вещество 0,1-0,2; огнеупорный наполнитель остальное. Недостатками связующего являются склонность к бактериальному разрушению органических компонентов связующего, пожаро-взрывоопасность, токсичность используемого этилсиликата, что приводит к загрязнению воздуха рабочих помещений парами вредного этилсиликата.

Известно силикатное связующее (Патент RU №2222409, МПК В22С 1/18, публ. 27.01.2004), используемое для получения керамических литейных форм содержащее, масс. %: коллоидный раствор высокомодульного силиката натрия - кремнезоля 65-75 с загустителем, стабилизированный поверхностно-активным веществом, полиакриламидом 0,005-0,015, пеногаситель 139-282 (ТУ 6-02-1-529-86) и ПГКО-1001 (по ТУ 6-00-05763441-64-92, кремнийорганическая жидкость) 0,015-0,1, поверхностно-активное вещество - жидкий полиметилсилоксан 0,05-0,85, обессоленную воду - остальное. Недостатками связующего являются наличие примесных ионов натрия, которые недопустимы при литье жаропрочных сплавов авиационного назначения, поскольку увеличивают брак отливок, а также склонность к бактериальному разрушению органических компонентов связующего.

Керамические формы для равноосного литья по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов должны отвечать следующим требованиям: огнеупорность не менее 1600°C, предел прочности на изгиб в сыром состоянии при температуре 20°C не менее 50 кг/см² предел прочности на изгиб после обжига при температуре испытаний 20°C не менее 40 кг/см², открытая пористость 20-30%. Литейные формы не должны приводить к образованию горячих трещин в отливках в процессе кристаллизации сплавов с пониженной пластичностью. Для получения таких керамических форм используются термостойкие кремнезольные связующие с определенным размером мицелл SiO₂, содержанием Na₂O в связующем не более 0,40%.

Известно связующее жаропрочных материалов в литье по выплавляемым моделям (Патент RU №2446910, МПК В22С 1/18, публ. 10.04.2012), принятое за прототип, которое включает кремнезоль, поверхностно-активное вещество, пеногаситель, обессоленную воду, связующее содержит кремнезоль кислый (содержание SiO₂ 26,6-30,8%) и дополнительно содержит поливиниловый спирт при следующем соотношении компонентов, масс. %: кремнезоль 80-87, поливиниловый спирт 0,4-0,8, поверхностно-активное вещество, сульфонол 0,5-0,7, пеногаситель пента-475 0,10-0,15, обессоленная вода остальное.

Недостатками связующего являются невысокая смачиваемость предыдущих слоев керамической формы, недостаточная прочность керамических форм при повышенных температурах, отсутствие бактерицидных свойств, предотвращающих развитие колоний бактерий, что приводит к появлению бракованных керамических форм и получаемых отливок, исключает возможность использования для изготовления литейных форм для выплавки жаропрочных авиационных сплавов.

Технической задачей изобретения является состав связующего для второго и последующих слоев керамических форм, используемых для равноосного литья по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов, обеспечивающего хорошую смачиваемость предыдущих слоев керамической формы, оптимальные значения у литейных форм открытой пористости, высокую прочность керамических форм при повышенных температурах, бактерицидные свойства, предотвращающие развитие колоний бактерий в связующем, низкую длительность распада пены.

Техническая задача достигается тем, что в связующем для второго и последующих слоев керамических форм для равноосного литья по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов, включающем кремнезоль, стабилизатор - поливиниловый спирт, смачивающий и антивспенивающий компоненты, обессоленную воду, согласно изобретению, оно дополнительно содержит бактерицид - водный раствор формалина, кремнезоль с размером частиц 8-10 нм, содержанием SiO₂ 25-31%, смачивающий компонент - алкилбензолсульфокислоту, антивспенивающий компонент - смесь пента-475 с лапрол 6003 с при следующем соотношении компонентов, масс. %:

кремнезоль не менее 95 алкилбензолсульфокислота не менее 0,01 пента-475 не менее 0,001 лапрол-6003 0,015-0,0225 формалин не более 3,0 поливиниловый спирт 0,003-0,005 обессоленная вода остальное

Введение в состав связующего кремнезоля с размером частиц 8-10 нм, содержанием SiO₂ 25-31%, в количестве не менее 95%, позволяет обеспечить нанесение методом окунания на роботизированной линии ровных второго и последующих слоев керамических оболочек и получить оптимальные значения у литейных форм открытой пористости 20-30%, прочности на изгиб непрокаленной керамики не менее 50 кг/см² и прокаленной керамики - не менее 40 кг/см².

Введение в состав связующего бактерицидной добавки водного раствора формалина не более 3,0% в пересчете на 100%-ный формалин, позволяет предотвратить развитие колоний бактерий, разрушающих органические компоненты связующего и не приводит к повышению зольности модельной массы. Использование в качестве смачивающего компонента алкил-бензолсульфокислоты в количестве не менее 0,01% способствует повышению смачиваемости поверхности предыдущих слоев формы суспензией связующего.

Введение в качестве антивспенивающего компонента смеси пента-475 в количестве не менее 0,001% с лапролом 6003 в количестве 0,015-0,0225% приводит к подавлению пенообразования в связующем. Кроме того, лапрол 6003 оказывает положительное влияние на образование пор в керамической оболочке, что способствует отводу газов при литье жаропрочных авиационных сплавов и упрощает процесс отделения керамической формы после кристаллизации отливки. Использование поливинилового спирта в составе связующего в количестве 0,003-0,005% способствует стабилизации связующего, упрочнению непрокаленных керамических литейных форм без ухудшения других характеристик связующего (смачиваемости, вспенивания, развития бактерий).

Для приготовления связующего используют следующие вещества: кремнезоль с размером частиц 8-10 нм с массовой долей диоксида кремния 25,0-31,0%, массовой долей оксида натрия 0,40%, рН=9,5-10,5, плотностью при 20°C 1,17-1,21 г/см³, содержанием бактерий, 10³-10⁵ КОЕ/мл;

вода дистиллированная, ГОСТ 6709;

смачивающий агент: алкилбензолсульфокислота (АБСК), ТУ 2481-015-71150986;

пеногаситель: лапрол 6003-2Б-18, ТУ 2226-020-10488057;

пеногаситель: пента-475, ТУ 2229-095-40245042;

стабилизатор: поливиниловый спирт (ПВС), ГОСТ 10779;

бактерицид: водный раствор формалина, ГОСТ 1625.

Приготовление термостойкого связующего производится в реакторе с перемешивающим устройством, предварительно обработанной раствором бактерицида (формалином), при скорости перемешивания не менее 40 об/мин. В реактор с перемешиванием с помощью насоса закачивают заранее взвешенный объем кремнезоля. Далее в реактор при температуре 22-26°C и перемешивании вводятся расчетные количества добавок, в следующей последовательности: смачиватель (АБСК), пеногаситель (лапрол 6003 и пента-475), рабочий раствор полимера (ПВС), бактерицид - раствор формалина. По окончанию загрузки, перемешивание продолжают в течение 4 часов. После перемешивания производят контроль водно-коллоидного связующего на соответствие следующих показателей: массовая доля диоксида кремния, % масс; смачиваемость восковой модели (угол смачивания), испытание на пенообразование, с; содержание бактерий, КОЕ/мл. Определение зараженности материала различными бактериальными культурами производили с помощью погружных слайдов Easicult. Одна сторона слайд-теста покрыта агаром ТТС (желтого цвета), другая сторона слайда агаром Розовый Бенгальский (розового цвета, поддерживает рост грибов и дрожжей). Практически все аэробные бактерии растут на среде ТТС и дают красные колонии. Изготовление керамических форм для равноосного высокоточного литья жаропрочных сплавов по выплавляемым моделям проводили на предприятии по технологии, включающей очистку поверхности модельного блока от смазок и загрязнителей методом распыления на модельный блок водного раствора моющего средства, нанесение манипулятором керамической суспензии на линии «Shell-O-Matic» лицевого слоя на модельный блок методом окунания. Осуществляли сушку лицевого слоя. Далее проводили повторные циклы нанесения слоя керамической суспензии, обсыпки огнеупорным материалом в пескосыпе дождевального типа, с последующей сушкой каждого из нанесенных слоев в потоке осушенного воздуха. Всего наносили 9 слоев керамической суспензии. Последующую вытопку модельной массы из керамической формы проводили в бойлер-клаве с парами воды при температуре ~170°C. Далее осуществляли термическую обработку керамической формы при температуре 1000°C в течение 4 часов. У полученных образцов керамических литейных форм испытывали технологические характеристики: прочность непрокаленной формы, кгс/см²; прочность прокаленной формы, кгс/см²; открытая пористость, %; растрескивание и отслоение лицевого слоя. Нормативные требования к характеристикам связующих в таблице 1.

Примеры конкретного осуществления.

Пример 1. Готовят связующее на основе кремнезоля с размером частиц 8-10 нм, включающее, масс. %:

кремнезоль 97,3 смачиватель АБСК 0,010 антивспениватель лапрол 6003 0,015 пента-475 0,001 бактерицид формалин 0,05 стабилизатор ПВС 0,005 вода обессоленная остальное

Пример 2. Готовят связующее с кремнезолем с размером частиц 8-10 нм, включающее, масс. %:

кремнезоль 95,0 смачиватель АБСК 0,015 антивспениватель лапрол 6003 0,0225 пента-475 0,001 бактерицид формалин 3,0 стабилизатор ПВС 0,003 вода обессоленная остальное

Пример 3. Готовят связующее (согласно прототипу) с кремнезолем с размером частиц 13-15 нм, включающее, масс. %:

кремнезоль 87,0 поверхностно-активное вещество: 0,5 сульфонол стабилизатор ПВС 0,4 вода обессоленная остальное

Пример 4. Готовят связующее с кремнезолем с размером частиц 8-10 нм, включающее, масс. %:

кремнезоль 95,0 смачиватель АБСК 0,005 антивспениватель лапрол-6003 0,010 бактерицид формалин 0,01 стабилизатор ПВС 0,001 вода обессоленная остальное

Пример 5. Готовят связующее с кремнезолем с размером частиц 8-10 нм, включающее, масс. %:

Результаты измерений характеристик, полученных связующих и

кремнезоль 95,0 смачиватель АБСК 0,005 антивспениватель лапрол-6003 0,01 бактерицид формалин 0,02 стабилизатор ПВС 0,01 вода обессоленная остальное

Согласно примерам №1-2 использование в составе связующего кремнезоля с размером частиц 8-10 нм, содержанием SiO₂ 25-31%, в количестве не менее 95%, бактерицидной добавки - водного раствора формалина в количестве 0,05-3,0% в пересчете на 100%-ный формалин, смачивающего компонента - алкилбензолсульфокислоты в количестве не менее 0,01%, антивспенивающего компонента - смеси лапрол 6003 в количестве 0,015-0,0225% и пента-475 в количестве не менее 0,001%, стабилизатора поливинилового спирта в количестве 0,003-0,005% позволяет получить малопенящееся связующее, хорошо смачивающее последующие слои формы, с низким уровнем содержания бактерий, что соответствует нормам, предъявляемым к связующим. Изготовление из такого связующего керамических литейных форм для равноосного литья по выплавляемым моделям позволяет получать огнеупорные литейные формы (≥1600°C) с заданным уровнем прочности (в непрокаленном виде 115-135 кгс/см² и в обожженном виде 85-91 кгс/см²), с оптимальными значениями у литейных форм открытой пористости в пределах 20-30%, без брака и трещин, с упрощенным процессом отделения керамической формы путем выбивки, в которых можно проводить прецизионное литье жаропрочных никелевых сплавов.

По сравнению с прототипом в связующем снижается уровень содержания бактерий, улучшается смачиваемость материала выплавляемых моделей, снижается длительность распада пены, а также исключается растрескивание готовых керамических форм, повышается их механическая прочность в непрокаленном и прокаленном виде.

Таким образом, предлагаемое связующее для второго и последующих слоев керамических форм, используемое для равноосного литья по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов, обеспечивает хорошую смачиваемость предыдущих слоев керамической формы, оптимальные значения открытой пористости, высокую прочность при повышенных температурах, бактерицидные свойства, предотвращающие развитие колоний бактерий в связующем, низкую длительность распада пены.

Изобретение относится к литейному производству. Связующее содержит, мас. %: кремнезоль с размером частиц 8-10 нм, содержанием SiO₂ 25-31% не менее 95, поливиниловый спирт 0,003-0,005, алкилбензолсульфокислота не менее 0,01, смесь пента-475 не менее 0,001 с лапролом 6003 0,015-0,0225, бактерицид - водный раствор формалина не более 3,0, обессоленную воду. Обеспечивается хорошая смачиваемость предыдущих слоев керамической формы, оптимальные значения открытой пористости, высокая прочность при повышенных температурах. 2 табл., 5 пр.

Связующее для изготовления керамических форм, используемых для равноосного литья по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов, содержащее водно-коллоидный кремнезоль, стабилизатор - поливиниловый спирт, смачивающий и антивспенивающий компоненты, обессоленную воду, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит бактерицид - водный раствор формалина, кремнезоль с размером частиц 8-10 нм и содержанием SiO₂ 25-31%, причем в качестве смачивающего компонента оно содержит алкилбензолсульфокислоту, а в качестве антивспенивающего компонента - пента-475 с лапролом-6003 при следующем соотношении компонентов, мас. %:

кремнезоль не менее 95 алкилбензолсульфокислота не менее 0,01 пента-475 не менее 0,001 лапрол-6003 0,015-0,0225 формалин не более 3,0 поливиниловый спирт 0,003-0,005 обессоленная вода остальное