RU2713049C1 - Method of making ceramic melting crucibles - Google Patents

Method of making ceramic melting crucibles Download PDF

Info

Publication number
RU2713049C1
RU2713049C1 RU2018144664A RU2018144664A RU2713049C1 RU 2713049 C1 RU2713049 C1 RU 2713049C1 RU 2018144664 A RU2018144664 A RU 2018144664A RU 2018144664 A RU2018144664 A RU 2018144664A RU 2713049 C1 RU2713049 C1 RU 2713049C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
paraffin
crucible
ceramic
mixture
ceramic mass
Prior art date
Application number
RU2018144664A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Дмитриевич Белов
Андрей Вадимович Колтыгин
Алексей Владимирович Фадеев
Юрий Иванович Фоломейкин
Максим Геннадиевич Клевченков
Артур Валерьевич Ильюшин
Павел Николаевич Никифоров
Павел Владимирович Аликин
Вячеслав Евгеньевич Баженов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority to RU2018144664A priority Critical patent/RU2713049C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2713049C1 publication Critical patent/RU2713049C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/107Refractories by fusion casting
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/63Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
    • C04B35/638Removal thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to production of melting crucibles and can be used in operation with heat-resistant and chemically active alloys. Refractory charge materials are mixed with a paraffin-containing binder and a crucible is moulded from the obtained mass in a metal meld. According to the disclosed method, the moulding cavity is filled with a paraffin-containing ceramic mixture in a vibrocompression mode under conditions of radial temperature gradient at hardening front of paraffin-containing ceramic mass directed from inner shaping surface to outer shaping surface. Further, partial removal of paraffin-containing thermoplastic binder in backfill with alumina and further impregnation of the crucible from inside with an alcohol solution of salt containing ions of Al, Mg, Zr, Hf or REM or their mixture. Products are annealed at temperature of 1350–1550 °C for 6–8 hours.
EFFECT: technical result of invention is improvement of operating characteristics of crucibles produced by more economical method.
1 cl, 1 ex, 5 dwg

Description

Изобретение относится к производству керамических плавильных тиглей повышенной металлоемкости, применяемых при литье лопаток из жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей на вакуумных индукционных плавильных установках.The invention relates to the production of ceramic melting crucibles of increased metal consumption, used in casting blades made of heat-resistant alloys for gas turbine engines on vacuum induction melting plants.

Известно, что керамический тигель в процессе эксплуатации подвергается физико-химическому воздействию со стороны расплавляемых высоколегированных жаропрочных сплавов при высоких температурах, что может приводить к загрязнению сплава неметаллическими включениями, изменению химического состава. Наряду с этим, в стенках керамического тигля возникают значительные знакопеременные термические напряжения, что может приводить к быстрому образованию недопустимых сквозных трещин.It is known that the ceramic crucible during operation is subjected to physicochemical effects from the molten high-alloy heat-resistant alloys at high temperatures, which can lead to contamination of the alloy with non-metallic inclusions, a change in chemical composition. Along with this, significant alternating thermal stresses arise in the walls of the ceramic crucible, which can lead to the rapid formation of unacceptable through cracks.

В случае керамических тиглей повышенной металлоемкости, требования к сопротивлению эрозии, коррозии и термической стойкости возрастают из-за увеличения времени контакта с расплавленным металлом и повышения металлостатического давления.In the case of ceramic crucibles with increased metal consumption, the requirements for resistance to erosion, corrosion and thermal resistance increase due to an increase in contact time with molten metal and an increase in metallostatic pressure.

Известен способ получения керамических изделий, который может быть использован для изготовления тиглей для плавления высокочистых черных, цветных и редких металлов (Патент РФ №2 342 344. Опубликован 27.12.2008 г).A known method of producing ceramic products, which can be used for the manufacture of crucibles for melting high-purity ferrous, non-ferrous and rare metals (RF Patent No. 2 342 344. Published December 27, 2008).

Заявленный способ реализуется следующим образом: исходный оксид магния подвергают измельчению до получения порошка с размером частиц 0,05-0,1 мкм; к порошку оксида магния добавляют безводный дигидроортофосфат магния в качестве связующего в соотношении 5-15 мас. % связующего и 85-95 мас. % MgO; смесь перемешивают до однородного состояния, добавляют также при перемешивании 2-7 мас. % воды по отношению к массе связующего; приготовленную таким образом формовочную массу выдерживают при температуре 10-30°С в течение 5-10 часов; полученную формовочную массу отформовывают и подвергают термообработке при температуре 150-300°С в течение 3-24 часов. Формование осуществляют путем прессования с усилием 700-1200 кг/см3.The claimed method is implemented as follows: the initial magnesium oxide is subjected to grinding to obtain a powder with a particle size of 0.05-0.1 microns; anhydrous magnesium dihydroorthophosphate is added to the magnesium oxide powder as a binder in a ratio of 5-15 wt. % binder and 85-95 wt. % MgO; the mixture is stirred until homogeneous, 2-7 wt. % water in relation to the weight of the binder; the molding mass thus prepared is held at a temperature of 10-30 ° C. for 5-10 hours; the resulting molding material is molded and subjected to heat treatment at a temperature of 150-300 ° C for 3-24 hours. The molding is carried out by pressing with a force of 700-1200 kg / cm 3 .

К недостаткам способа следует отнести наличие в составе тигля дигидроортофосфата магния, что может приводить к загрязнению фосфором расплава высокочистых металлов, в частности жаропрочных сплавов. Вызывает технологические трудности прессование крупногабаритных тиглей.The disadvantages of the method include the presence of magnesium dihydroorthophosphate in the crucible, which can lead to phosphorus contamination of the melt of high-purity metals, in particular heat-resistant alloys. Pressing of large-sized crucibles causes technological difficulties.

Известен способ изготовления тиглей для плавки металлов и сплавов в печах с индукционным нагревом (Патент РФ №2 323 195. Опубликован 27.04.2007 г)A known method of manufacturing crucibles for melting metals and alloys in furnaces with induction heating (RF Patent No. 2 323 195. Published on April 27, 2007)

Формование тиглей осуществляют методом литья высококонцентрированной кварцсодержащей суспензии с заполнителем из кварцевого стекла в гипсовой пористой форме сливным способом. Время набора массы, в зависимости от конструкции тигля, составляет 15-20 мин. Отлитое изделие после выемки из формы подвергают сушке при температуре более 100°С до достижения остаточной влажности не более 0,3%. После сушки при необходимости осуществляют устранение возможных поверхностных дефектов отливки.The formation of crucibles is carried out by casting a highly concentrated quartz-containing suspension with a filler of quartz glass in a gypsum porous form by a drain method. The time of mass gain, depending on the design of the crucible, is 15-20 minutes. After removal from the mold, the molded product is dried at a temperature of more than 100 ° C until a residual moisture content of not more than 0.3% is reached. After drying, if necessary, eliminate possible surface defects of the casting.

Недостатком известного способа является то, что кварц термо динамически неустойчив в контакте с расплавленным жаропрочным сплавом и может восстанавливаться, загрязняя сплав кремнием.The disadvantage of this method is that quartz is thermally dynamically unstable in contact with the molten heat-resistant alloy and can be restored by contaminating the alloy with silicon.

Известен способ изготовления огнеупорных изделий, включающий смешивание всех компонентов огнеупорной шихты (муллит плавленый или бой муллитокорундовых изделий, электрокорунд, глинозем, карбид кремния, дисперсный алюминий) в сухом виде в лопастном смесителе. Затем в приготовленную смесь добавляют воду в количестве 6,5-9 мас. %, сверх 100% и дополнительно перемешивают. Изделия формуют на вибростенде. После затвердевания массы формы разбирают, а заготовки сушат и обжигают (Патент РФ №2191 167. Опубликован 16.04.2001 г).A known method of manufacturing refractory products, including mixing all the components of the refractory mixture (mullite processed or mullite-corundum products, electrocorundum, alumina, silicon carbide, dispersed aluminum) in a dry form in a paddle mixer. Then in the prepared mixture add water in the amount of 6.5-9 wt. %, in excess of 100% and further mixed. Products are molded on a vibrating stand. After hardening, the masses of the mold are disassembled, and the preforms are dried and fired (RF Patent No. 2191 167. Published on April 16, 2001).

Недостатком известного способа является высокая продолжительность процесса твердения изделия, потребность в большом количестве технологической оснастки.The disadvantage of this method is the high duration of the hardening process of the product, the need for a large number of technological equipment.

Известен способ изготовления керамических тиглей, включающий смешивание заявляемой шихты (муллит плавленый, бой муллитокорундовых изделий и глинозем) в сухом виде в лопастном смесителе, затем добавляют воду и продолжают смешение компонентов с водой, формование методом вибролитья, сушку и обжиг (Патент РФ №2412133 Опубликован 07.07.2009 г)A known method of manufacturing ceramic crucibles, including mixing the inventive mixture (mullite processed, mullite-corundum products and alumina) dry in a paddle mixer, then add water and continue mixing the components with water, molding by vibration casting, drying and firing (RF Patent No. 2412133 Published 07/07/2009 g)

Недостатком известного способа является высокая продолжительность процесса твердения изделия, потребность в большом количестве технологической оснастки.The disadvantage of this method is the high duration of the hardening process of the product, the need for a large number of technological equipment.

Известен способ изготовления огнеупорных изделий из нано структурированной корундовой керамики (Патент РФ №2341493. Опубликован 20.12.2008 г), включающий приготовление формовочной смеси, содержащей фракционированный электрокорунд, реактивный глинозем, гидравлически твердеющую добавку и кремнезоль. Производят сухое перемешивание фракционированного электрокорунда, реактивного глинозема с гидравлически твердеющей добавкой, полученную смесь гомогенизируют и увлажняют кремне-золем. Формование осуществляют в формы под воздействием виброколебаний с последующими естественной сушкой, сушкой в печи и обжигом.A known method of manufacturing refractory products from nano-structured corundum ceramics (RF Patent No. 2341493. Published December 20, 2008), comprising preparing a molding mixture containing fractionated electrocorundum, reactive alumina, hydraulically hardening additive and silica fume. Dry mixing of fractionated electrocorundum, reactive alumina with a hydraulically hardening additive is carried out, the resulting mixture is homogenized and moistened with silica. The molding is carried out in the form under the influence of vibration, followed by natural drying, drying in the oven and firing.

Недостатком известного является высокая продолжительность естественной сушки изделия, потребность в большом количестве технологической оснастки, а также содержание дорогостоящие добавки компании «Almatis» Alphabond-300 и реактивный глинозем CL 370.A disadvantage of the known is the high duration of natural drying of the product, the need for a large number of technological equipment, as well as the content of expensive additives of the company "Almatis" Alphabond-300 and reactive alumina CL 370.

Известен способ изготовления огнеупорных изделий из корундовой керамики (Патент РФ №2 637 264. Опубликован), включающий, сухое перемешивание фракций электрокорунда, отдельное перемешивание ГРТ с нано дисперсным технологическим связующим на основе оксида алюминия, затем добавляют в полученную смесь фракционированный электрокорунд, полученную смесь увлажняют водой и гомогенизируют при непрерывном перемешивании, формование осуществляют в формы методом вибролитья с приложением виброколебаний по вертикальным и горизонтальным осям пресс-формы. Полученную заготовку подвергают воздушному твердению, сушат в сушильной камере и обжигают при температурах 1500-1550°С.A known method of manufacturing refractory products from corundum ceramics (RF Patent No. 2 637 264. Published), including dry mixing of electrocorundum fractions, separate mixing of GDT with nano-dispersed technological binder based on alumina, then fractionated electrocorundum is added to the resulting mixture, the resulting mixture is moistened water and homogenized with continuous stirring, molding is carried out in the form of a method of vibrocasting with the application of vibrations along the vertical and horizontal axes of the press rmy. The resulting preform is subjected to air hardening, dried in a drying chamber and fired at temperatures of 1500-1550 ° C.

Недостатком известного способа является его повышенная пожарная опасность, связанная с выделением водорода при приготовлении нано дисперсного технологического связующего, высокая продолжительность воздушного твердения изделия, потребность в большом количестве технологической оснастки.The disadvantage of this method is its increased fire hazard associated with the release of hydrogen in the preparation of nano-dispersed technological binder, the high duration of air hardening of the product, the need for a large number of technological equipment.

Известен высокопроизводительный способ литья крупногабаритных керамических изделий преимущественно из шликера на термопластичной связке используемый для литья изделий типа тел вращения (А.С. №1752560. Опубликован 07.-08.1992 г), включающий заполнение под давлением литьевой формы шликером из шликерного бака, отсечение литьевой формы от шликерного бака, повышение давления в форме и выдержку под давлением за счет приложения центробежного прессущего давления.There is a known high-performance method for casting large-sized ceramic products mainly from a slip on a thermoplastic bond used for casting products such as bodies of revolution (AS No. 1752560. Published 07.-08.1992 g), including filling under pressure of the injection mold with a slip from a slip tank, cutting-off of the injection mold from a slip tank, increasing the pressure in the mold and holding it under pressure due to the application of centrifugal pressing pressure.

Недостатком известного способа является невозможность использования в составе термопластичного шликера крупнозернистых огнеупорных частиц с размером более 1-5 мм, обеспечивающих служебные характеристики керамических тиглей после их высокотемпературного обжига. Крупные частицы огнеупорного материала, обладая высокой твердостью, вызывают повышенный износ поверхности формообразующей полости литьевой формы и питателя, а также нарушают нормальную работу отсекающего клапана.The disadvantage of this method is the impossibility of using coarse-grained refractory particles with a size of more than 1-5 mm in the composition of the thermoplastic slip, providing service characteristics of ceramic crucibles after their high-temperature firing. Large particles of refractory material, having high hardness, cause increased wear on the surface of the mold cavity and the feeder, and also disrupt the normal operation of the shut-off valve.

Недостатком известного способа является то, что крупные частицы огнеупорного материала, обладая высокой твердостью, вызывают повышенный износ поверхности формообразующей полости литьевой формы и питателя, а также нарушают нормальную работу отсекающего клапана. Кроме этого в шликерном баке происходит быстрое расслаивание шликера, что отрицательно сказывается на однородности стенок тигля по плотности и вещественному составу.The disadvantage of this method is that large particles of refractory material, having high hardness, cause increased wear on the surface of the mold cavity of the injection mold and feeder, and also disrupt the normal operation of the shut-off valve. In addition, in the slip tank there is a rapid stratification of the slip, which negatively affects the uniformity of the crucible walls in density and material composition.

Наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является способ изготовления огнеупорных изделий (Патент РФ №2 278 090. Опубликован 20.06.2006 г).The closest to the claimed object in terms of the essential features and the technical result achieved is a method of manufacturing refractory products (RF Patent No. 2278 090. Published on June 20, 2006).

Способ включает подготовку порошковых, поли фракционных керамических смесей, включающих электрокорунд и добавки термопластичного связующего, изготовление термопластичного шликера, литье под давлением в металлическую форму, удаление связующего и окончательный обжиг при 1650°С в течение 4-5 часов. В сфероподобные порошки электрокорунда вводят 15-20% мелкодисперсной смеси каолина и глины при соотношении в мелкодисперсной смеси компонентов 1:1, причем соотношение удельных поверхностей порошка электрокорунда и мелкодисперсной смеси составляет от 0,05 до 0,07. Термопластичное связующее содержит парафин, воск и микрокристаллический парафин при соотношении компонентов в мас. %: парафин - 75-82; микрокристаллический парафин - 15-20; воск - 3-5. Удаление термопластичного связующего ведут на подложке из капиллярно-пористого проницаемого материала в три этапа с выдержкой в течение 1-2 часов при температурах ликвидуса воска, парафина и микрокристаллического парафина.The method includes preparing powdery, multifractional ceramic mixtures, including electrocorundum and additives of a thermoplastic binder, manufacturing a thermoplastic slip, injection molding into a metal mold, removing the binder and final firing at 1650 ° C for 4-5 hours. 15-20% of a finely dispersed mixture of kaolin and clay is introduced into sphere-like powders of electrocorundum with a ratio of 1: 1 in the finely dispersed mixture of components, and the ratio of specific surfaces of electrocorundum powder and finely dispersed mixture is from 0.05 to 0.07. Thermoplastic binder contains paraffin, wax and microcrystalline paraffin in a ratio of components in wt. %: paraffin - 75-82; microcrystalline paraffin - 15-20; wax - 3-5. The thermoplastic binder is removed on a substrate from a capillary-porous permeable material in three stages with exposure for 1-2 hours at liquidus temperatures of wax, paraffin and microcrystalline paraffin.

Описанный способ имеет ряд существенных технологических недостатков, не позволяющих его реализовать в промышленном производстве керамических плавильных тиглей повышенной металлоемкости.The described method has a number of significant technological disadvantages that do not allow it to be implemented in the industrial production of ceramic melting crucibles of increased metal consumption.

Во-первых, данный способ предполагает использование смеси каолина и глины в количестве 15-20%, содержащих нежелательные примеси оксидов щелочных металлов и железа.Firstly, this method involves the use of a mixture of kaolin and clay in an amount of 15-20% containing undesirable impurities of alkali metal oxides and iron.

Во-вторых, описанный способ предполагает использование специально приготовленных дорогостоящих сфероподобных частиц электрокорунда.Secondly, the described method involves the use of specially prepared expensive sphere-like particles of electrocorundum.

В-третьих, при приготовлении керамического шликера дозированно вводят порошковую поли фракционную смесь при постоянном перемешивании с одновременным воздействием ультразвуковых колебаний, что усложняет этот процесс и исключает его эффективность в случае использования высоковязких керамических масс.Thirdly, in the preparation of a ceramic slurry, a powdered polyfraction mixture is dosed with constant stirring with simultaneous exposure to ultrasonic vibrations, which complicates this process and excludes its effectiveness in the case of using highly viscous ceramic masses.

В-четвертых, описанный способ практически нереализуем в случае использования малоподвижной парафинсодержащей керамической массы, в составе которой присутствуют крупнозернистые огнеупорные частицы с размером 1-5 мм, обеспечивающие служебные характеристики керамических тиглей после их высокотемпературного обжига. Наряду с этим, крупные частицы огнеупорного материала в составе термопластичной керамической массы, обладая высокой твердостью, вызывают повышенный износ поверхности формообразующей полости литьевой формы и питателя как при ее заполнении, так в режиме изобарной выдержки под первоначальным удельным давлением ≈ 50-8МПаFourth, the described method is practically not feasible in the case of using a slow-moving paraffin-containing ceramic mass, which contains coarse-grained refractory particles with a size of 1-5 mm, which provide service characteristics of ceramic crucibles after their high-temperature firing. Along with this, large particles of refractory material in the composition of the thermoplastic ceramic mass, having high hardness, cause increased wear on the surface of the mold cavity of the injection mold and the feeder both when it is filled and in the isobaric exposure mode at an initial specific pressure of ≈ 50-8MPa

В-пятых, данный способ предполагает использование специально изготовленной подложки из капиллярно пористого проницаемого материала находящегося в контакте со свободными поверхностями полуфабриката.Fifth, this method involves the use of a specially made substrate of capillary-porous permeable material in contact with the free surfaces of the semi-finished product.

Техническим результатом данного изобретения является разработка надежного и экономичного промышленного способа получения керамических плавильных тиглей имеющих повышенные эксплуатационные характеристики.The technical result of this invention is the development of a reliable and economical industrial method for producing ceramic melting crucibles having high performance.

Технический результат достигается следующим образом.The technical result is achieved as follows.

Способ изготовления плавильного керамического тигля, включающий смешивание огнеупорных шихтовых материалов, приготовление парафинсодержащей керамической массы, формование тигля из керамической массы в металлической форме, удаление парафинсодержащего термопластичного связующего и высокотемпературный обжиг, отличающийся тем, что заполнение формообразующей полости парафинсодержащей керамической массой проводится в режиме виброформования в условиях радиального температурного градиента на фронте затвердевания парафинсодержащей керамической массы, направленного от внутренней формообразующей поверхности к наружной формообразующей поверхности, частичное удаление парафинсодержащего термопластичного связующего проводится в засыпке глиноземом, а последующая пропитка тигля изнутри спиртовым раствором соли, содержащими ионы Al, Mg, Zr, Hf, РЗМ или их смесью, далее осуществляют высокотемпературный обжиг при температуре 1350-1550°С в течении 6-8 часов.A method of manufacturing a melting ceramic crucible, including mixing refractory charge materials, preparing a paraffin-containing ceramic mass, forming a crucible from a ceramic mass in a metal mold, removing paraffin-containing thermoplastic binder and high-temperature firing, characterized in that the molding cavity of the paraffin-containing ceramic mass is filled under conditions of radial temperature gradient at the front of solidification of paraffin-containing ceramic mass directed from the inner forming surface to the outer forming surface, partial removal of the paraffin-containing thermoplastic binder is carried out in a bed with alumina, and the subsequent impregnation of the crucible from the inside with an alcohol solution of salt containing Al, Mg, Zr, Hf, REM ions or their mixture, then carry out high-temperature firing at a temperature of 1350-1550 ° C for 6-8 hours.

Изобретение поясняется чертежами: где на фиг. 1 - конвертор с подогревом, на фиг. 2 - вибростол с пресс-формой, на фиг. 3 - низкотемпературная обработка в сушильном шкафу, на фиг. 4 - пропитка, на фиг. 5 - двух стадийный высокотемпературный отжиг.The invention is illustrated by drawings: where in FIG. 1 - heated converter, in FIG. 2 - a vibrating table with a mold, in FIG. 3 - low-temperature processing in an oven; FIG. 4 - impregnation, in FIG. 5 - two stage high-temperature annealing.

Сущность заявляемого технического решения состоит в комплексе операций и последовательности их выполнения, которые позволяют осуществить технологический процесс получения керамических плавильных тиглей с заданной структурой материала в изделиях, являющихся основополагающим фактором для достижения цели изобретения.The essence of the proposed technical solution consists in a complex of operations and a sequence of their implementation, which allow the technological process to obtain ceramic melting crucibles with a given material structure in products, which are a fundamental factor to achieve the objective of the invention.

При приложении вибрации к малоподвижной парафинсодержащей керамической массе уменьшается трение и сцепление между частицами огнеупорного заполнителя. Вследствие этого такая керамическая масса переходит в хорошо текучее состояние и заполняет формообразующую полость без приложения внешнего давления. В этом случае наряду с упрощением способа заполнения формообразующей полости (свободная заливка) резко снижается абразивное воздействие керамической массы на материал технологической оснастки.When vibration is applied to a slow-moving paraffin-containing ceramic mass, friction and adhesion between the particles of the refractory aggregate are reduced. As a result of this, such a ceramic mass goes into a well-flowing state and fills the forming cavity without applying external pressure. In this case, along with the simplification of the method of filling the forming cavity (free pouring), the abrasive effect of the ceramic mass on the material of the tooling is sharply reduced.

Заполнение формообразующей полости парафинсодержащей керамической массой в режиме виброформования в условиях радиального температурного градиента на фронте затвердевания парафинсодержащей керамической массы направленного от внутренней формообразующей поверхности к наружной формообразующей поверхности позволяет вытеснить поры к наружной поверхности дна и стенки тигля.Filling the forming cavity with paraffin-containing ceramic mass in the mode of vibroforming under conditions of a radial temperature gradient at the solidification front of the paraffin-containing ceramic mass directed from the internal forming surface to the external forming surface allows the pores to be displaced to the outer surface of the bottom and the crucible wall.

Существуют три источника макропор пор в заготовках из парафинсодержащей керамической массы:There are three sources of pore macropores in preforms made of paraffin-containing ceramic mass:

- воздухововлечение потоками парафинсодержащей керамической массой в процессе заполнения формообразующей полости, а также затрудненное объемное вытеснение воздуха из формообразующей полости;- air entrainment by paraffin-containing ceramic streams during filling of the forming cavity, as well as difficult volumetric displacement of air from the forming cavity;

- различие молекулярных объемов жидкой и твердых фаз при затвердевании парафинсодержащей керамической массы;- the difference in the molecular volumes of the liquid and solid phases during the solidification of the paraffin-containing ceramic mass;

- меньшая растворимость газов в твердой фазе, чем в жидкой.- less solubility of gases in the solid phase than in the liquid.

Необходимо отметить, что пористость материала керамических тиглей, формируемая микропорами (пустотами между зернами) равномерно по всему объему, как правило, определяется зерновым составом, поли фракционных керамических смесей и ее наличие является необходимым условием для обеспечения работы тигля в режиме термоциклирования.It should be noted that the porosity of the material of ceramic crucibles, formed by micropores (voids between grains) uniformly throughout the volume, as a rule, is determined by the grain composition of polyfraction ceramic mixtures and its presence is a necessary condition for ensuring the operation of the crucible in the thermal cycling mode.

При использовании парафинсодержащей керамической массы, в составе которой присутствуют крупнозернистые огнеупорные частицы с размером 1-5 мм однородность по плотности и вещественному составу материала тигля достигается в случае применения малоподвижных керамических масс.When using a paraffin-containing ceramic mass, in the composition of which coarse-grained refractory particles with a size of 1-5 mm are present, uniformity in density and material composition of the crucible material is achieved in the case of using inactive ceramic masses.

При направленном затвердевании создаются условия для постоянного питания расплавленной керамической массой поверхности раздела расплав - твердая фаза и тем самым исключают образования заметной величины усадочной пористости.With directed solidification, conditions are created for the constant supply of molten ceramic mass to the melt-solid interface and thereby exclude the formation of a noticeable amount of shrinkage porosity.

Перед фронтом затвердевания присутствуют воздушные включения вовлеченные потоками парафинсодержащей керамической массы.In front of the solidification front, there are air inclusions involved in the flows of paraffin-containing ceramic mass.

Также вблизи границы расплав - твердая фаза выделяется, растворенный в термопластичном связующем газ. По мере того, как фронт затвердевания продвигается в сторону расплава, вблизи него в тонком слое скапливается все большее количество газа.Also, near the boundary, the melt - solid phase is released, dissolved in a thermoplastic binder gas. As the solidification front moves toward the melt, an increasing amount of gas accumulates in the thin layer near it.

Виброформование в условиях радиального температурного градиента на фронте затвердевания парафинсодержащей керамической массы направленного от внутренней формообразующей поверхности к наружной формообразующей поверхности позволяет вытеснить поры к наружной поверхности дна и стенки тигля т.к. скопившиеся газовые включения перед фронтом затвердевания смываются с движущегося фронта затвердевания и распределяются в расплаве, накапливаясь в нем. При этом избыточные газовые включения захватываются фронтом затвердевания только вблизи наружной поверхности отформованного тигля, образуя закрытые и открытые макропоры различных размеров. Структура стенок сформованного тигля сохраняется после высокотемпературного обжига.Vibroforming under conditions of a radial temperature gradient at the solidification front of a paraffin-containing ceramic mass directed from the inner forming surface to the outer forming surface allows the pores to be displaced to the outer surface of the bottom and the crucible wall since accumulated gas inclusions in front of the solidification front are washed off from the moving solidification front and are distributed in the melt, accumulating in it. In this case, excess gas inclusions are captured by the solidification front only near the outer surface of the molded crucible, forming closed and open macropores of various sizes. The structure of the walls of the molded crucible is maintained after high-temperature firing.

Наличие пор на наружной поверхности стенок керамического тигля снижает его теплопроводность, уменьшая потери тепла, более плотная внутренняя поверхность обеспечивает снижение физико-химического взаимодействия с расплавленным металлом.The presence of pores on the outer surface of the walls of the ceramic crucible reduces its thermal conductivity, reducing heat loss, a denser inner surface provides a decrease in physicochemical interaction with molten metal.

Особо жесткие требования предъявляются к качеству поверхности находящейся в контакте с расплавленным металлом.Particularly stringent requirements are placed on the quality of the surface in contact with the molten metal.

Пропитка спирторастворимыми солями содержащими ионы Al, Mg, Zr, Hf, РЗМ или их смесью внутренней поверхности тигля повышает термодинамическую устойчивость материала тигля к расплавам высоколегированных сплавов и повышает его коррозионную устойчивость.Impregnation with alcohol-soluble salts containing Al, Mg, Zr, Hf, REM ions or their mixture of the inner surface of the crucible increases the thermodynamic stability of the crucible material to melts of high alloys and increases its corrosion resistance.

Пропитка тигля проводится с внутренней стороны после частичного удаления пластификатора при температуре от 240°С до 290°С. Частичное удаление термопластичного связующего на основе парафина проводится в засыпке глиноземом в металлическом контейнере. После частичного удаления пластификатора формируется проницаемый приповерхностный слой за счет возникновения открытой пористости. Пропитка спирторастворимыми солями содержащими ионы Al, Mg, Zr, Hf, РЗМ или их смесью проводится на небольшую глубину и в этом случае расход матерала пропитки оптимален, время сушки технологически премлемо. При последующем высокотемпературном обжиге происходит выгорание остатков парафинсодержащего термопластичного связующего и разложение солей содержащих ионы Al, Mg, Zr, Hf, РЗМ с образованием оксидов в активной форме и синтезом сложных оксидных соединений с огнеупорной основой плавильного керамического тигля. Сложные оксидные соединения обладают повышенной термодинамической устойчивостью и частично заполняют пустоты между огнеупорными частицами, что в совокупности повышает качество поверхности находящейся в контакте с расплавленным металлом.The crucible is impregnated from the inside after partial removal of the plasticizer at a temperature of 240 ° C to 290 ° C. Partial removal of a paraffin-based thermoplastic binder is carried out backfilled with alumina in a metal container. After partial removal of the plasticizer, a permeable near-surface layer is formed due to the occurrence of open porosity. Impregnation with alcohol-soluble salts containing Al, Mg, Zr, Hf, REM ions or their mixture is carried out to a shallow depth and in this case the consumption of the impregnation material is optimal, the drying time is technologically acceptable. Subsequent high-temperature firing results in the burning of residues of a paraffin-containing thermoplastic binder and the decomposition of salts containing Al, Mg, Zr, Hf, REM ions with the formation of oxides in the active form and the synthesis of complex oxide compounds with a refractory base of the melting ceramic crucible. Complex oxide compounds have increased thermodynamic stability and partially fill the voids between the refractory particles, which together increases the quality of the surface in contact with the molten metal.

Пример осуществления.An example implementation.

Предлагаемый способ был осуществлен при изготовлении керамических плавильных тиглей повышенной металлоемкости (до 100 кг). На наружной поверхности обнаружены открытые макропоры, а на внутренней поверхности они практически отсутствуют, что является следствием вытеснения пор к наружной поверхности тигля.The proposed method was carried out in the manufacture of ceramic melting crucibles of increased metal consumption (up to 100 kg). Open macropores were found on the outer surface, and they are practically absent on the inner surface, which is a consequence of the displacement of pores to the outer surface of the crucible.

На первоначальной стадии готовили керамическую массу на основе смеси фракционированного электрокорунда и муллита с максимальным размером зерен 5 мм и парафинсодержащего термопластичного связующего в электрообогреваемом конверторе при температуре 75-80°С.At the initial stage, a ceramic mass was prepared based on a mixture of fractionated electrocorundum and mullite with a maximum grain size of 5 mm and a paraffin-containing thermoplastic binder in an electrically heated converter at a temperature of 75-80 ° С.

Полученную малоподвижную парафинсодержащую керамическую массу помещали в формообразующую полость алюминиевой оснастки при вибрации (частота 20 Гц и амплитуда колебаний 1,5 мм) до полного ее заполнения. Вибрацию продолжали до полного затвердевания полуфабриката, что составляло 10-15 минут. Для создания условий радиального температурного градиента на фронте затвердевания парафинсодержащей керамической массы, направленного от внутренней формообразующей поверхности к наружной формообразующей поверхности, первая формообразующая поверхность принудительно охлаждалась изнутри проточной водой, а на второй формообразующей поверхности устанавливали теплоизолирующий вкладыш из фторопласта или электрокартона.The obtained inactive paraffin-containing ceramic mass was placed in the forming cavity of an aluminum tool under vibration (frequency of 20 Hz and vibration amplitude of 1.5 mm) until it was completely filled. Vibration was continued until the semi-finished product completely hardened, which was 10-15 minutes. To create conditions for a radial temperature gradient at the solidification front of a paraffin-containing ceramic mass directed from the internal forming surface to the external forming surface, the first forming surface was forcibly cooled from the inside by running water, and a heat-insulating insert made of fluoroplastic or electrical cardboard was installed on the second forming surface.

Отформованный полуфабрикат извлекали из технологической оснастки, загружали в металлический контейнер, засыпали глиноземом и проводили частичное удаление термопластичного связующего на основе парафина при температуре от 270°С. Затем проводили зачистку полуфабриката от глинозема и его пропитку с внутренней стороны спиртовым раствором соли Mg(NO3)2. Высокотемпературный обжиг проводили в газовой печи при температуре 1350-1550°С в течении 6-8 часов форме при этом в приповерхностных слоях с внутренней стороны формировалась алюмомагнезиальная шпинель MgO⋅Al2O3. Открытая пористость керамического тигля составила 19%, что соответствует общепринятым требованиям, предъявляемым к материалу тигля.The molded semi-finished product was removed from the technological equipment, loaded into a metal container, filled with alumina, and the thermoplastic binder based on paraffin was partially removed at a temperature of 270 ° C. Then, the semi-finished product was cleaned from alumina and impregnated on the inside with an alcohol solution of Mg (NO 3 ) 2 salt. High-temperature firing was carried out in a gas furnace at a temperature of 1350–1550 ° C for 6–8 hours in the form of MgO⋅Al 2 O 3 spin-alumina spinel formed on the inner side from the inner side. The open porosity of the ceramic crucible was 19%, which corresponds to the generally accepted requirements for the material of the crucible.

Изготовленные керамические тигли опробованы на установке ALD (Германия) при литье лопаток из жаропрочного никелевого сплава с положительным результатом.The manufactured ceramic crucibles were tested on an ALD installation (Germany) when casting blades made of heat-resistant nickel alloy with a positive result.

Claims (1)

Способ изготовления плавильного керамического тигля, включающий смешивание огнеупорных шихтовых материалов, приготовление парафинсодержащей керамической массы, формование тигля из керамической массы в металлической форме, удаление парафинсодержащего термопластичного связующего и высокотемпературный обжиг, отличающийся тем, что заполнение формообразующей полости парафинсодержащей керамической массой проводится в режиме виброформования в условиях радиального температурного градиента на фронте затвердевания парафинсодержащей керамической массы, направленного от внутренней формообразующей поверхности к наружной формообразующей поверхности, частичное удаление парафинсодержащего термопластичного связующего проводится в засыпке глиноземом с последующей пропиткой тигля изнутри спиртовым раствором соли, содержащим ионы Al, Mg, Zr, Hf, РЗМ или их смесью, далее осуществляют высокотемпературный обжиг при температуре 1350-1550°С в течение 6-8 часов.A method of manufacturing a melting ceramic crucible, including mixing refractory charge materials, preparing a paraffin-containing ceramic mass, forming a crucible from a ceramic mass in a metal mold, removing paraffin-containing thermoplastic binder and high-temperature firing, characterized in that the molding cavity of the paraffin-containing ceramic mass is filled in the conditions radial temperature gradient at the front of solidification of paraffin-containing ceramic mass directed from the inner forming surface to the outer forming surface, partial removal of the paraffin-containing thermoplastic binder is carried out in a bed with alumina followed by impregnation of the crucible from the inside with an alcohol solution of salt containing Al, Mg, Zr, Hf, rare-earth metals or their mixture, then high-temperature firing is carried out at a temperature of 1350-1550 ° C for 6-8 hours.
RU2018144664A 2018-12-17 2018-12-17 Method of making ceramic melting crucibles RU2713049C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018144664A RU2713049C1 (en) 2018-12-17 2018-12-17 Method of making ceramic melting crucibles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018144664A RU2713049C1 (en) 2018-12-17 2018-12-17 Method of making ceramic melting crucibles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2713049C1 true RU2713049C1 (en) 2020-02-03

Family

ID=69625246

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018144664A RU2713049C1 (en) 2018-12-17 2018-12-17 Method of making ceramic melting crucibles

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2713049C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU990733A1 (en) * 1981-03-18 1983-01-23 Богдановичский Огнеупорный Завод Binder for making products from oxide compositions
US5385700A (en) * 1991-05-03 1995-01-31 Programme 3 Patent Holdings Method of making a holder of ceramic material
US5611848A (en) * 1993-12-28 1997-03-18 Cadic Corporation Process for preparing refractory molded articles and binders therefor
RU2278090C1 (en) * 2004-12-03 2006-06-20 Закрытое акционерное общество Научно-технический центр "Бакор" Method for production of refractory articles
RU2470896C1 (en) * 2011-06-14 2012-12-27 Холдинговая компания "Новосибирский Электровакуумный Завод-Союз" в форме открытого акционерного общества Method of making corundum articles
CN108997001A (en) * 2018-08-05 2018-12-14 洛阳科创新材料股份有限公司 A kind of preparation method of air brick micropore ceramics stick

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU990733A1 (en) * 1981-03-18 1983-01-23 Богдановичский Огнеупорный Завод Binder for making products from oxide compositions
US5385700A (en) * 1991-05-03 1995-01-31 Programme 3 Patent Holdings Method of making a holder of ceramic material
US5611848A (en) * 1993-12-28 1997-03-18 Cadic Corporation Process for preparing refractory molded articles and binders therefor
RU2278090C1 (en) * 2004-12-03 2006-06-20 Закрытое акционерное общество Научно-технический центр "Бакор" Method for production of refractory articles
RU2470896C1 (en) * 2011-06-14 2012-12-27 Холдинговая компания "Новосибирский Электровакуумный Завод-Союз" в форме открытого акционерного общества Method of making corundum articles
CN108997001A (en) * 2018-08-05 2018-12-14 洛阳科创新材料股份有限公司 A kind of preparation method of air brick micropore ceramics stick

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4011291A (en) Apparatus and method of manufacture of articles containing controlled amounts of binder
US9803923B2 (en) Crucible and extrinsic facecoat compositions and methods for melting titanium and titanium aluminide alloys
EP2950943B1 (en) Calcium hexaluminate-containing mold and facecoat compositions and methods for casting titanium and titanium aluminide alloys
US3852099A (en) Dense silicon carbide ceramic and method of making same
JPH11165309A (en) Manufacture of ceramics using binder solidification
WO2014035602A1 (en) Calcium titanate containing mold compositions and methods for casting titanium and titanium aluminide alloys
EP3074363A2 (en) Silicon carbide-containing mold and facecoat compositions and methods for casting titanium and titanium aluminide alloys
US8906292B2 (en) Crucible and facecoat compositions
CN111496185A (en) Production process of lost foam casting
CA2893052A1 (en) Casting mold with grading of silicon carbide
CN108793911B (en) Method for preparing magnesium lightweight aggregate by foaming method
WO2015112232A2 (en) Silicon carbide-containing mold and facecoat compositions and methods for casting titanium and titanium aluminide alloys
RU2713049C1 (en) Method of making ceramic melting crucibles
JP2019508662A (en) Method of manufacturing latent heat storage and latent heat storage
US5039629A (en) Hybrid ceramic composition and process for its manufacture
CN110028313B (en) Corundum crucible and preparation method thereof
CN102060536A (en) Method for producing large ultra-thick irregularly-shaped nitride bonded silicon carbide product
RU2809398C1 (en) Method for manufacturing ceramic melting crucibles
JPH0663684A (en) Production of ceramic core for casting
RU2284974C1 (en) Method of manufacturing mullite-corundum refractory articles
RU2754333C1 (en) Method for manufacturing ceramic shell molds for casting according to smelted models of turbine blades with a directional and single-crystal structure
JPH10279357A (en) Lining material for induction furnace
CN106001426A (en) Link plate casting technique
RU2524724C1 (en) Method of producing wollastonite-based ceramic articles
RU2172727C2 (en) Method of preparing ceramic backing refractories