Результат интеллектуальной деятельности: СУСПЕНЗИЯ ОГНЕУПОРНАЯ ДЛЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

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.%:

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.%:

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.%:

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.

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.