Керамическая смесь для изготовления литейных стержней Советский патент 1986 года по МПК B22C1/16 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при производстве стержней по выплавляемым моделям из керамических смесей, применяемых для из- готовления преимущественно турбинных лопаток, как небольшой протяженности, так и крупногабаритных.

Цель изобретения - повьшение ме- ханической прочности и жаростойкости смеси после обжига.

В известную керамическую смесь .дополнительно вводят окись титана и кремнийорганический лак КО-991-5.

Окись титана марки Р-1-рутил соответ ствует ГОСТ 9808-75.

Кремнийорганический лак КО-991-5- кремнийорганическое соединение на основе полизтилсилоксана со структурной формулой (CjHsSiO) CCg,HsSii,5) представляющий собой бесцветную жидкость с характерным запахом (ТУ 6-02-753-73), средняя молекулярная масса 4-4,5 тысяч.

Помимо окиси титана и кремнийор- ганического лака смесь содержит электрокорунд, карбид кремния и легкоплавкий пластификатор на основе парафина.

Электрокорунд - порошок белого цвета, имеющий амфотерные свойства, получаемый в дуговых печах и содержащий минимальное количество вредных примесей (до 1,5%), химически стоек плавное термическое расширение (ГОСТ 3647-71).

По ГОСТ 3647-71 электрокорунд белый марки 24А имеет следующую величину зернистости: № 4 - 40-50 мкм, № 5 - 50-63 мкм, № 12 - 125-160 мкм.

Карбид кремния зеленый - это микропорошок с темно-зеленым оттенком с величиной зерна: М10 - 7-10 мкм, М14 - 10-14 мкм (ГОСТ 3647-71).

Легкоплавкий пластификатор пред- ставляет соединение 90% парафина и 10% полиэтилена (ПП-10).

Парафин C,Hг. - смесь твердых углеводородов предельного ряда. Используется парафин нефтяной, очищен- ный по. ГОСТ 16960-71.

Полиэтилен представляет собой пластмассу, получаемую полимеризацией полиэтилена под давлением 1200- 2500 кгс/см. Применяется полиэти- лен марки 15802-020 ГОСТ 16337-77. ,

Применение смеси, содержащей данные компоненты, позволяет получить высокую прочность образцов . (испытания проводились на изгиб при комнатной температуре на образцах прямоугольного сечения размерами 120i 20 40 мм), составляющую 270-350 кгс/см, высокие термомеханические свойства, стабильность керамических стержней во время работы

Приготовление смеси осуществляется следующим образом.

Порошки злектрокорунда, оксида титана и карбида кремния загружаютс в конверторный смеситель, в который одновременно помещают мелящие тела (по весу - половина от веса загруженых сыпучих материалов). После чего в течение получаса происходит перемешивание порошков во вращающемся конверторе. Затем в конверторе включается обогрев. При вращении происходит подогрев сыпучих. Одновременно разогревают требуемое количество пластификатора, который сливают в конвертовные смесители в разогретые порошки сыпучих материалов. Сьшу- чие материалы эффективно перемешиваются в пластификатором за счет ме лящих тел во вращающемся конверторе

Температура приготавливаемой смеси должна быть в пределах 110- 135 С. За 30 мин до слива в образовавшуюся массу вводится кремнийорганический лак. Общее время приготовления стержневой смеси составляет около 1,5 ч. Стержни формуются в огнеупорных коробах в засьтке обожженного глинозема. Температура спекания стержней около , а полное время обжига составляет около 65 ч.

За счет применения кремнийорга- нического лака у смеси повьш1ается пластичность. Смесь приобретает способность при прессовании заполнять оснастку со сложной конфигурацией и тонкими щелями. Взаимодействие лака с корундом происходит уже в период приготовления стержневой массы, когда активная силоксановая связь полимера вступает во взаимодействие с зернами окислов алюминия. Таким образом, создается прививка связующего в самой начальной стадии приготовления шликера. Активная силоксановая связь стягивает частицы огнеупорного порошка тончайшей пленкой-связкой. При термической обработке в результате термоокислительнйй деструкции

3

сложньш полимер превращается в оки- сел кремния, активно взаимодействующий с электрокорундовой основой,

В структуре лака КО-991-5 отсутствует алюминий, который входит в состав полиалюмоэтилсилоксанового лака КО-086. Алюминий в структуре лака КО-086 придает жесткость сило- ксановой связи , меньшую активность, благодаря этому лак от партии к партии имеет нестабильнрсть, отсюда и нестабильные свойства самих керамических стержней.

Совместное введение в смесь лака КО-991-5 и окиси титана способствует глубокому взаимодействию наполнителя и связующих, наблюдается эффект прорастания зерен электрокорунда друг в друга. Интенсивно протекащий процесс взаимодействия обеспечивает высокие технологические свойства стержней при более низких температурах обжига (по сравнению с прототипом).

Обожженные стержни имеют хорошее качество поверхности, высокую механическую прочность +10 270 - 350 кгс/см, незначительную усадку, высокую механическую жаросФойкость.

Примеры реализации предлагаемых составов керамических стержней. Содержание связующего лака КО-991-5 дается в пределах от 0,3

до 6,5%. Уменьшение процентного содержания лака ниже 0,5% приводит к снижению прочности стержня. Такой стержень испытывает деформации уже при низких температурах металла. Отливки, имеющие пониженную точность, бракуются. Увеличение содержания лака свыше 6,5% приводит к удорожанию стержневой смеси, увеличению усадки стержней, а следовательно, к уменьшению размерной точности стержней. Остальные компоненты в составе смеси также выбраны в результате проведенных исследований.

Пример 1. Смесь содержит, мае.ч.;

Электрокорунд зернистостью 40-50 мкм (№ 4)45

Электрокорунд зернистостью 50-63 мкм (№ 5)22,5

Электрокорунд зернистостью 125-160 мкм (№ 2)13

04

Окись титана2

Карбид кремния2

Лак КО-991-50,5

Легкоплавкий пласти- фикатор15

Введение в смесь лака в количестве 0,5 ч. и 2 ч окиси титана позволяет получить кера№1ческие стержни с прочностью около 270 кгс/см и снизить температуру обжига р,, Уменьшение лака приводит к снижению прочности стержней.

Пример 2. Смесь содержит, мае.4.:

Электрокорунд fC 4 43 Электрокорунд № 5 20 Злектрокорунд № 12 11 Окись титана1

Карбид кремния3,5

Лак КО-991-56,5

Легкоплавкий пластификатор15Введение в состав смеси 6,5 ч лака и 1 ч окиси титана позволяет полу- чить керамику с механической прочностью 330 кгс/см, высокой размерной точности. Обжиг стержней осуществляется при 1200°С. Увеличение содержания лака в смеси приводит к увеличению усадки стержневого состава и увеличению деформации стержней.

Пример 3. Смесь содержит, мае.ч.:.

Электрокорунд № 4 44 Электрокорунд № 5 12 Электрокорунд № 12 12 Окись титана1,5

Карбид кремния3

Лак КО-991-53,5

Легкоплавкий пластификатор 14Смесь позволяет получать керамические стержни с минимальным короблением, с высокой механической прочностью, составляющей порядка 350 кгс/см,.при этом спекание производится при температуре около 1200°С.

Оценка механической жаростойкости приводится не на маленьких образцах прямоугольного сечения, как это делается обычно, а для приближения условий к реальным, на стержнях

длиной около 400 мм, со сложньм профилем, с толщинами - минимальной 3 мм, максимальной - 18 мм. Натурные стержни укладываются на керанические опоры, имеющие форму треугольной призмы, на тонкую грань (высота опор - 60 мм) и помещаются в обжиговую печь, в которой температура поднимается от 20 до 1300°С и производится изотермическая выдержка при максимальной температуре 18 ч. Полное время пребывания стержней в печи около 5 сут. По замеру максимальной величины прогиба стержней оцениваются показатели механической жаростойкости.

Результаты проведенных исследований по предлагаемой смеси и смеси- прототипа (2) приведены в табл. 1. В табл. 2 представлены сопоставительные данные по энергостойкости процесса изготовления известных и предлагаемых стержней.

Испытаны также смеси, в которых окись титана и кремнийорганический лак КО-991-5 вводятся отдельно, а не их совокупности в указанном соотношении.

Пример 4. Состав смеси, мае.ч.:

Электрокорунд № 4 45 Электрокорунд № 5 23 Электрокорунд № 12 13 Окись титана2

Карбид кремния2

Легкоплавкий ппастифи- катор (Ш1-10)15

При температуре обжига 1200°С стержни обладают прочностью в среднем 160 кгс/см. Механическая жаростойкость при испытании натурных стержней составляет в среднем 1,5 мм.

П р и м е р - 5. Состав смеси, мае.ч.:

Электрокорунд 4 45 Электрокорунд № 5 23 Электрокорунд № 12 12,5 Окись титана1

Карбид кремния , 3,5 Легкоплавкий пластифи- катор (Ш1-10) 15 Стержни из этого состава облада прочностью более 200 кгс/см, меха ческая жаростойкость при испытании натурных стержней в среднем составляет около 1 см при испытании на 1300°С.

Пример 6. Состав смеси, мае.ч.:

Электрокорунд № 4 45 Электрокорунд № 5 23 Электрокорунд № 12 12,5 Окись титана1,5

Карбид кремния3

Легкоплавкий пластификатор (Ш1-10)15 Прочность таких стержней при ис- пытании на изгиб составляет порядка 170 кгс/см при обжиге 1200°С, коро Ъ- ление стержней при испытании натурных стержней от 20 до по режиму спекания стержней, при изотер- мической выдержке 18 ч, составляет около 1,5 мм.

Повышение температуры спекания до приводит к увеличению прочности (испытание на изгиб) примерно на 30-60 кгс/см, механическая жаро- ,стойкость стержней при этом практически остается неизменной.

Кремнийорганический лак КО-991-5 вводится в стержневую смесь в каче- стве 0,5-6,5 мае.ч. от общей маееы. Окись титана в емеси отсутствует.

Пример 7. Смесь содержит 0,5 мае.ч. лака КО-991-5 при темпе- ратуре спекания 1200°С. Прочность

образцов составляет около 160 кгс/ем Механичеекая жаропрочноеть етержней соетавляет около 1,3 мм.

Пример 8.В емееь введено 6,5 мае.ч. лака КО-991-5. При температуре обжига 1200°С прочноеть керамики возрастает до 245 кге/ем, однако при иепытании механической жаростойкости прогиб стержней составляет около 1,0 мм.

Пример 9.В смесь введено 3,|5 мае.ч. лака КО-991-5. При температуре обжига прочноеть керамики еоставляет около 200 кгс/см, прогиб при испытании натурных стерж- H&fi по принятой методике составляет около 1,1 мм.

Повышение температуры спекания до 1350 С увеличивает прочноеть для приведенных примеров соответственно до 200, 280 и 260 кгс/см. Механическая жаростойкость при этом возрастает незначительно.

Чистота поверхности стержней с добавками окиси титана и лака КО-991-5 соответствует 6 классу.

Приводится аналог следующего сое- тава, мае.ч.:

Маршалит8-10

Пластификатор 11П-15 17-19 Окись железа16-29

Электрокорунд 65

Обожженные при 1200°С керамические образцы имеют прочность около 150 кгс/см, имея в своем составе более высокое содержание керамического пластификатора. Этот состав имеет бывшую усадку (около 1,8%) и коробление, испытанное на натурных стержнях, около 3 мм.

Повышение температуры спекания до 1350°С приводит к увеличению прочности стержней порядка до 240 кгс/см, механическая жаростойкость при этом составляет около 2,5 мм, усадка становится равной 2%. Чистота поверхности керамических стержней указанного состава соответствует 5 классу.

Выбранный в качестве прототипа стержневой состав, который содержит в качестве связукнцего 0,5 мае.ч. полиалюмоэтилсилоксанового лака, обуславливает у стержневой керамики при спекании на 1200 С низкие показатели прочности около 95 кгс/см. Механическая жаростойкость стержней такого состава около 2,4 мм.

Увеличение температуры спекания до 1350 С ведет к повышению прочности на изгиб до 120-140 кгс/см. При

Состав

Прочность стержней на изгиб в холодном состоянии, кгс/см после обжига

130

270 330 350

217550

этом механическая жаростойкость уменьшается до 2,1 мм. Чистота поверхности стержня из этого состава находится между 5 и 6 классами.

5 Стержни из предлагаемого состава имеют чистоту поверхности, соответствующую 6 классу.

Таким образом, содержание в смеси лака полиэтилфенилсилоксана

10 КО-991-5 в количестве 0,5-6,5 мае.ч. является оптимальным для снижения температуры обжига стержней и только в совокупности с окисью титана 1-2 мае.ч. обеспечивает высокий

15 уровень прочности стержней при высокой механической жаростойкости.

Обладая высокой прочностью, минимальными деформациями во время эксплуатации, стержни обеспечивают

20 получение внутренней полости практически любой сложности и криволи- нейности при производстве пустотелых изделий, в частности, турбиниых лопаток.

25 Использование предлагаемой смеси в условиях производства позволяет Повысить ее механическую жаростойкость и прочность после обжига, а также сократить брак турбин30 ных лопаток по раэностенности в процессе их изготовления и сэкономить дорогостоящие и дефицитные огнеупорные материалы.

Таблица 1

Прогиб стержней под действием собственного веса, мм (длина 400 мм, максим, т )

Образцы стержней жали испытаний - их разрушение

1,0

0,75

0,35

Температура обжига .С

Время обжига, ч

Энергоемкость,

кВт/ч

Редактор И.Касарда

Составитель В.Шувалов

Техред М.Надь Корректор И. Эрдейи

1036/15Тираж 757 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ШШ Патент, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

1200 65

3250