смесь для изготовления литейных керамических стержней

Формула изобретения

Смесь для изготовления литейных керамических стержней, преимущественно для отливок из жаропрочных сплавов, получаемых методом направленной кристаллизации, включающая электрокорунд, пылевидный материал на основе диоксида кремния, пластификатор на основе парафина, спекающую добавку, отличающийся тем, что в качестве пылевидного материала на основе диоксида кремния она содержит порошок электродинаса, а в качестве спекающей добавки - пылевидный возгон циркониевого электрокорунда при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Порошок электродинаса - 43,5 - 55,0

Пылевидный возгон циркониевого электрокорунда - 0,01 - 0,03

Пластификатор на основе парафина - 13,0 - 15,0

Электрокорунд зернистостью 5 - 120 мкм - Остальноер

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении керамических стержней, применяемых при производстве полых отливок из жаропрочных сплавов, в том числе и методом направленной кристаллизации, преимущественно лопаток для газотурбинных двигателей.

При изготовлении отливок методом направленной кристаллизации керамические стержни, оформляющие внутренние полости отливок, подвергаются сильному нагреву, так как находятся в контакте с жаропрочным сплавом при 1400-1550^oC от 0,3 до 6 ч. Это обуславливает высокие требования, предъявляемые к термомеханическим свойствам стержней.

В настоящее время керамические стержни для лопаток со сложной конструкцией внутренней полости, имеющие толщину 0,8-5,0 мм, изготавливаются методом твердофазного спекания из электрокорундовых составов [1, 2].

Корундовые керамические стержни выгодно отличают высокая прочность, геометрическая точность, термохимическая устойчивость при высокотемпературной заливке в вакууме отливок из жаропрочных сплавов, в том числе турбинных лопаток.

Существенными недостатками таких стержней являются повышенная трудоемкость и вредные условия труда при удалении их из полостей отливок механическим способом или в агрессивных средах: плавиковой кислоте, расплаве бифторида калия.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является смесь для изготовления литейных керамических стержней, включающая электрокорунд, пластификатор на основе парафина, молотый пылевидный кварц, предварительно прокаленный при 1300-1350^oC в течение 16-24 ч до содержания в нем 40-50 мас.% кристобалита, а в качестве спекающей добавки карбонат кальция при следующем соотношении ингредиентов, мас.% [3]:

Электрокорунд зернистостью 50-100 мкм - 10-35

Карбонат кальция - 0,1-0,2

Пластификатор на основе парафина с 10 мас.% полиэтилена - 19-22

Пылевидный кварц - Остальное

Известное техническое решение обеспечивает удаление керамических кварцекорундовых стержней методом выщелачивания, являющимся менее трудоемким и экологически более безопасным, чем растворение корундовых стержней в бифториде калия или других агрессивных средах, а также их механическое удаление.

Вместе с тем прототип имеет следующие недостатки:

1. Недостаточная прочность стержней как на этапе их обжига, так и в период заливки форм металлом вследствие сетки микротрещин, появляющейся из-за того, что даже прокаленный при 1300-1350^oC пылевидный кварц содержит не менее 50% структурной составляющей --кварц, который при нагреве претерпевает ряд полиморфных превращений.

2. Большой расход пластификатора в стержневой смеси (не менее 19 мас.%) из-за высокой дисперсности и удельной поверхности (500-600 м²/кг) пылевидного кварца. Это приводит к уменьшению площади контактов между частичками огнеупорного наполнителя и, следовательно, недостаточной прочности стержней после твердофазного спекания в процессе обжига.

3. Повышенный брак отливок из-за частичной или полной поломки стержней вследствие их недостаточной прочности.

4. Высокая дефектность литых лопаток из-за разностенности, несоответствия геометрических размеров и конфигурации внутренней полости вследствие объемного расширения стержней и их недостаточной термостойкости.

5. Высокая трудоемкость и энергоемкость подготовки пылевидного кварца, заключающаяся в предварительном прокаливании его до 1300-1350^oC в течение 16-24 ч.

В основу изобретения положена задача создать такую смесь для изготовления литейных керамических стержней, которая обеспечивала бы улучшение качества отливок из жаропрочных сплавов, получаемых методом направленной кристаллизации, за счет повышения прочности, термостойкости, геометрической точности и сохранения выщелачиваемости керамических стержней, а также снижение трудоемкости и энергоемкости подготовки исходных материалов.

Указанная задача решается тем, что смесь для изготовления литейных керамических стержней, преимущественно для отливок из жаропрочных сплавов, получаемых методом направленной кристаллизации, включающая электрокорунд, пылевидный материал на основе диоксида кремния, пластификатор на основе парафина, спекающую добавку, согласно изобретению в качестве пылевидного материала на основе диоксида кремния содержит порошок электродинаса, а в качестве спекающей добавки - пылевидный возгон циркониевого электрокорунда (ПВЦЭ) при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Порошок электродинаса - 43,5-55,0

Пылевидный возгон циркониевого электрокорунда - 0,01-0,03

Пластификатор на основе парафина - 13,0-15,0

Электрокорунд зернистостью 5-120 мкм - Остальное

Использование в качестве пылевидного материала на основе SiO₂ порошка электродинаса, имеющего стабилизированную тридимитную структуру и практически не претерпевающего никаких фазовых превращений до температуры 1600^oC, позволяет получать точные, термостойкие стержни, обладающие достаточной прочностью и удаляемые из внутренних полостей лопаток в растворах щелочей.

Порошок электродинаса получается помолом динасового кирпича марки ЭД, и последующим просевом. Целесообразно применение фракций от 5 до 100 мкм.

В зависимости от интенсивности помола и последующего просева материала через калиброванные сита можно подбирать оптимальный зерновой состав кремнеземистой составляющей смеси. Это позволяет снизить содержание пластификатора, что положительно сказывается на процессе твердофазного спекания и повышении прочности стержней.

Введение в смесь в качестве спекающей добавки пылевидного возгона циркониевого электрокорунда, обладающего высокими значениями дисперсности и удельной поверхности, обеспечивает стабильность процесса спекания и требуемый уровень прочности.

ПВЦЭ является отходом производства абразивного шлифзерна циркониевого электрокорунда, когда на различных технологических переделах (при плавке, дроблении, помоле, рассеве и др.) образуется значительное (до 10-20 мас.%) количество мелкодисперсных пылевидных частиц, которые вытяжной вентиляцией удаляются из рабочих зон, улавливаются фильтрами и оседают в циклонах. Данные по химическому и зерновому составу ПВЦЭ приведены в табл. 1 (см. табл. 1-3 в конце описания).

Высокая дисперсность и удельная поверхность ПВЦЭ, а также наличие в нем оксидов циркония, титана, способствует интенсификации твердофазного спекания огнеупорных оксидов наполнителя смеси, а также их частичной муллитизации, благодаря чему достигается необходимая прочность после обжига при температурах 1390-1430^oC в пределах 17-21 МПа.

Таким образом, использование пылевидного возгона циркониевого электрокорунда создает условия для формирования после обжига структуры керамики, включающей корундо-муллитовый каркас и тридимитную основу стержня, способную растворяться в водных растворах щелочей. В результате достигается, наряду с высокими прочностными свойствами, возможность удаления стержней в растворах щелочей.

Содержание в смеси порошка электродинаса менее 43,5 мас.% ухудшает выщелачиваемость стержней, особенно из сложнопрофильных полостей малого сечения. Содержание более 55,0 мас.% снижает прочность смеси после обжига, вследствие чего возможна поломка стержня при заливке формы металлом, приводящая к окончательному браку отливки.

Содержание в предлагаемой смеси пылевидного возгона циркониевого электрокорунда менее 0,01 мас. % не обеспечивает требуемые термомеханические свойства керамических стержней. Количество указанной спекающей добавки больше, чем 0,03 мас.% вызывает повышенный расход пластификатора вследствие высокой дисперсности и удельной поверхности ПВЦЭ и не приводит к дальнейшему повышению прочности, а при достижении расхода пластификатора более 20% происходит снижение прочности из-за уменьшения площади контакта между зернами наполнителя при спекании.

Подготовку смеси для изготовления литейных керамических стержней осуществляют следующим образом. Динас дробят на щековых дробилках, размалывают на шаровых мельницах, просеивают через набор сит для разделения по фракциям. Оптимальный фракционный состав порошка динаса следующий: до 50 мкм - 10-30 мас.%; 50-63 мкм - 40-60 мас.%; 63-100 мкм - 10-40 мас.%.

Рекомендуемый фракционный состав порошков электрокорунда (ГОСТ 3647-80) следующий: шлифпорошок NN 10, 12 - 20-40 мас.%; микропорошок М40, М50, М63 - 25-50 мас.%; микропорошок М5, М7, М10 - 5-20 мас.%.

Расчетные количества порошка динаса, ПВЦЭ, электрокорунда загружают в конвертор и перемешивают в течение 1,0-1,5 ч. Затем загружают расчетное количество пластификатора ПП-10 или ПП-5, конвертор нагревают до 130-150^oC, перемешивают стержневую смесь при данной температуре в течение 2-3 ч до однородной массы, которую затем разливают в противни и используют для изготовления стержней.

Для иллюстрации изобретения готовили три состава разработанной смеси и смесь прототипа. Соотношения ингредиентов даны в табл. 2.

Стержни из подготовленных смесей изготавливали способом горячего прессования при температуре 90 10^oC с последующим их обжигом (1410 20^oC, 12 ч) в засыпке из глинозема.

Для получения количественных сравнительных данных параллельно изготавливали стержни согласно прототипу.

Показателями для сравнения служили: прочность образцов при изгибе в холодном состоянии после спекания, отклонение размеров образцов от номинальных, характеризующее геометрическую точность стержней, продолжительность их полного разрушения в кипящем 40-45%-ном водном растворе щелочи (КОН).

Стержни использовали для изготовления турбинных лопаток, получаемых методом направленной (в плавильно-заливочных установках ПМП-2) и равноосной (в УППФ-З) кристаллизацией из жаропрочных никелевых сплавов: соответственно ЖС30-ВИ и ЖС6У-ВИ.

Также оценивалась продолжительность полного удаления стержня из полости отливки в кипящем 40-45%-ном растворе КОН. При этом минимальный поперечный размер внутреннего канала отливки, сформированного стержнем, составлял 0,4 мм, его максимальная длина 100 мм. Доступ щелочи во внутреннюю полость отливки осуществлялся через знак стержня прямоугольного сечения 1х15 мм.

Результаты испытаний (табл. 3) показывают, что предлагаемая смесь для изготовления литейных керамических стержней позволяет при сохранении выщелачиваемости стержней на основе SiO₂ добиться повышения их прочности, геометрической точности, снизить энергоемкость и трудоемкость подготовительных операций.

Заявляемая стержневая смесь опробована на Казанском моторостроительном производственном объединении (КМПО) при производстве турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов методом направленной кристаллизации, показав высокое качество и улучшение удаляемости стержней за счет их выщелачивания.

Предлагаемая смесь для изготовления литейных керамических стержней, учитывая ее повышенные технологические возможности, может быть с успехом применена для получения полых, сложнопрофильных отливок ответственного назначения из жаропрочных сплавов, эксплуатирующихся в самолетостроении, ракетостроении, судостроении, химической промышленности, машиностроении.

Источники информации

1. Литье по выплавляемым моделям. /Под общ. ред. Я.И.Шкленника. -М.: Машиностроение, 1984. - С. 239-244.

2. Специальные способы литья: Справочник. /Под общ. ред. В.А.Ефимова. - М.: Машиностроение, 1991. - С. 140-148.

3. А. С. Т 1468639 (СССР). Смесь для изготовления литейных керамических стержней. /Козлов Г.Я., Алешкович С.Е., Демонис И.М. Кл В 22 С 1/22, 9/04, бюл. N 12, 1989 (прототип).