МАТЕРИАЛ ДЛЯ РЕМОНТА ЧУГУННЫХ И СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
MATERIAL FOR REPAIR OF CAST IRON AND STEEL PRODUCTS

Изобретение относится к машиностроению, в частности к газотурбинному, и может быть использовано для устранения дефектов в литых деталях, для ремонта трещин и выравнивания поверхности.
Известен материал для ремонта поверхностных дефектов изделий, используемых в газотурбинных двигателях, содержащий наполнитель в виде смеси гранул жаропрочного никелевого сплава, гранул интерметаллидного никель-алюминиевого сплава, порошка никеля и органического связующего. Этот материал наносят на дефектную поверхность изделия, производят спекание, после чего дополнительно наносят жаропрочный припой на никелевой основе и производят высокотемпературную вакуумную пайку (патент RU №2281845 С1, кл. В23Р 6/00, опубл. 20.08.2006). Ремонт изделия с использованием этого материала осуществляется при высоких температурах, требует специального оборудования, технология нанесения материала сложна.
Наиболее близким к заявленному является известный материал для ремонта сталеразливочного оборудования, содержащий основу в виде стекла натриевого жидкого и наполнитель, включающий металлические частицы в виде чугунной стружки и огнеупорный цемент (а.с. SU №1754395 А1, кл. В23Р 6/00, опубл. 15.08.1992). Материал содержит крупные металлические частицы и не может быть использован для ремонта дефектов сложной геометрии.
Техническим результатом изобретения является создание материала для ремонта изделий с дефектами сложной геометрии в условиях эксплуатации изделий без использования сложного оборудования, обеспечивающего высокие эксплуатационные качества изделия после ремонта.
Технический результат достигается в материале для ремонта чугунных и стальных изделий, содержащем основу в виде стекла натриевого жидкого и наполнитель, включающий металлические частицы, при этом стекло натриевое жидкое модифицировано соединениями алюминия, а количество металлических частиц в материале составляет от 55 до 92 мас.%.
В качестве наполнителя могут быть использованы частицы меди с размерами до 20 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
38-42
частицы меди
62-58
что обеспечивает возможность шлифования изделия после ремонта.
В качестве наполнителя могут быть использованы частицы чугуна с размерами от 0,5 до 2,0 мм и кварцевый песок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
18,7-21,8
частицы чугуна
59,3-69,4
кварцевый песок
22,0-8,8
что обеспечивает безусадочность материала и его эксплуатационную надежность в диапазоне температур до 1100°С.
В качестве наполнителя могут быть использованы частицы чугуна с размерами до 0,5 мм и частицы никеля с размерами до 20 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
16-20
частицы чугуна
66-70
частицы никеля
12-16
что обеспечивает высокую прочность и эксплуатационную надежность материала в диапазоне температур до 900°С.
В качестве наполнителя могут быть использованы частицы чугуна с размерами до 40 мкм, частицы чугуна с размерами от 40 до 160 мкм, частицы никелевого сплава с размерами частиц до 200 мкм, частицы никеля с размерами до 20 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
8,56-8,76
частицы чугуна с размерами до 40 мкм
9,86-10,06
частицы чугуна с размерами от 40 до 160 мкм
34,5-34,7
частицы никелевого сплава с размерами
частиц до 200 мкм
41,6-41,8
частицы никеля с размерами до 20 мкм
4,9-5,1
что обеспечивает безусадочность материала и его газонепроницаемость.
В качестве наполнителя могут быть использованы частицы никеля с размерами до 20 мкм, частицы чугуна с размерами до 40 мкм и двуокись кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
14,40-14,60
частицы никеля с размерами до 20 мкм
31,73-31,93
частицы чугуна с размерами до 40 мкм
53,57-53,7
двуокись кремния
0,33-0,53
что обеспечивает газонепроницаемость материала.
Известен материал для ремонта поверхностных дефектов изделий, используемых в газотурбинных двигателях, содержащий наполнитель в виде смеси гранул жаропрочного никелевого сплава, гранул интерметаллидного никель-алюминиевого сплава, порошка никеля и органического связующего. Этот материал наносят на дефектную поверхность изделия, производят спекание, после чего дополнительно наносят жаропрочный припой на никелевой основе и производят высокотемпературную вакуумную пайку (патент RU №2281845 С1, кл. В23Р 6/00, опубл. 20.08.2006). Ремонт изделия с использованием этого материала осуществляется при высоких температурах, требует специального оборудования, технология нанесения материала сложна.
Наиболее близким к заявленному является известный материал для ремонта сталеразливочного оборудования, содержащий основу в виде стекла натриевого жидкого и наполнитель, включающий металлические частицы в виде чугунной стружки и огнеупорный цемент (а.с. SU №1754395 А1, кл. В23Р 6/00, опубл. 15.08.1992). Материал содержит крупные металлические частицы и не может быть использован для ремонта дефектов сложной геометрии.
Техническим результатом изобретения является создание материала для ремонта изделий с дефектами сложной геометрии в условиях эксплуатации изделий без использования сложного оборудования, обеспечивающего высокие эксплуатационные качества изделия после ремонта.
Технический результат достигается в материале для ремонта чугунных и стальных изделий, содержащем основу в виде стекла натриевого жидкого и наполнитель, включающий металлические частицы с размерами не более 200 мкм, количество которых в материале составляет от 49 до 92 мас.%, при этом количество частиц в материале с размерами до 20 мкм составляет не менее 5 мас.%.
В качестве наполнителя могут быть использованы металлические частицы с размерами до 20 мкм и с размерами от 20 до 40 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
11,82-12,02
металлические частицы с размерами
до 20 мкм
32,60-32,80
с размерами от 20 до 40 мкм
55,28-55,48
что обеспечивает эксплуатационную надежность материала.
В качестве наполнителя могут быть использованы металлические частицы с размерами до 20 мкм, от 20 до 40 мкм, от 40 до 160 мкм, от 160 до 200 мкм и двуокись кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
8,56-8,76
металлические частицы
с размерами до 20 мкм
5,04-5,24
с размерами от 20 до 40 мкм
10,08-10,28
с размерами от 40 до 160 мкм
35,24-35,44
с размерами от 160 до 200 мкм
42,49-42,69
двуокись кремния
0,02-0,04
что обеспечивает безусадочность материала и повышает его водостойкость.
В качестве наполнителя могут быть использованы металлические частицы с размерами до 20 мкм и от 20 до 40 мкм и кремнефтористый натрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
11,89-12,09
металлические частицы
с размерами до 20 мкм
31,09-31,29
с размерами от 20 до 40 мкм
52,32-52,52
кремнефтористый натрий
4,30-4,50
что повышает его водостойкость и прочность при воздействии высоких температур.
В основу может быть дополнительно введена вода, а в качестве наполнителя использованы частицы никеля с размерами до 20 мкм, кремнефтористый натрий и глинозем при следующем соотношении компонентов основы, мас.%:
стекло натриевое жидкое
72,0-78,0
вода
22,0-28,0
и при следующем соотношении компонентов материала, мас.%:
основа
18,15-18,35
частицы никеля
49,47-49,67
кремнефтористый натрий
1,30-1,50
глинозем
30,68-30,88
что повышает его водостойкость и прочность при воздействии высоких температур.
Сущность изобретения поясняется примерами и чертежами, где
на фиг.1 показана ремонтируемая пластина;
на фиг.2 - ремонтируемый чугунный блок.
Пример 1. Основа материала - стекло натриевое жидкое, модифицированное соединениями алюминия. Наполнитель - порошок меди в виде частиц сферической формы с размерами до 20 мкм. Соотношение компонентов, мас.%:
основа
40
частицы меди
60
Мягкая паста, хорошо наносится на чугунную поверхность слоем до 3 мм. Сушка при комнатной температуре 5 суток.
Получаемый материал твердый, прочный, не хрупкий, обладает высокой адгезией к поверхности изделия. Подвергается механической обработке, шлифуется. Получаемая после шлифовки поверхность аналогична медной. Материал выдерживает многократные циклические температурные воздействия в исследованном диапазоне температур от минус 20°С до 600°С. После прокаливания стоек в минеральных маслах и воде.
Пример 2. Основа материала - стекло натриевое жидкое модифицированное соединениями алюминия. Наполнитель - чугунная стружка после токарного станка с размером частиц до 2 мм, кварцевый песок с размерами частиц до 20 мкм. Соотношение компонентов, мас.%:
основа
18,7
частицы чугуна
59,34
кварцевый песок
21,96
Рыхлая прессующаяся шпателем масса хорошо напрессовывается на стенку отверстия в стальной пластине 1 (фиг.1) с послойным наращиванием слоя. Сформованный слой 2 массы в отверстии диаметром D, равным 20 мм, в пластине 1 толщиной t, равной 5 мм, удерживается в отверстии после заполнения в любом пространственном положении пластины 1 без деформации слоя.
Сушка слоя при комнатной температуре 5-6 суток без отслоения от стенок отверстия и растрескивания. Дополнительная сушка при 100°С в течение 2 часов и последующее многократное циклическое температурное нагружение в диапазоне температур от минус 20°С до 600°С не приводят к отслоению и растрескиванию материала в отверстии. Материал прочный, с высокой адгезией на сдвиг к стенке отверстия. После прокаливания устойчив в воде и минеральном масле, в том числе при кипячении. Поверхность материала шероховатая, что обусловлено большим размером частиц чугунной стружки. Безусадочность материала обусловлена крупной чугунной стружкой, соприкасающейся одна с другой и со стенкой отверстия.
Материал пригоден для заполнения поверхностных и сквозных раковин в случаях, когда не требуется шлифовка поверхности.
Пример 3. Основа материала - стекло натриевое жидкое, модифицированное соединениями алюминия. Наполнитель - чугунная крошка с размером частиц до 700 мкм, кварцевый песок с размером частиц до 20 мкм. Соотношение компонентов, мас.%:
основа
21,8
частицы чугуна
69,4
кварцевый песок
8,8
Плотная масса обеспечивает заполнение сквозных отверстий в пластине 1 (фиг.1) и модели поверхностных раковин в чугунном блоке 3 (фиг.2). Размеры углублений 4, 5 (раковин) - диаметры 12, 10 мм, глубина до 10 мм и сферическое углубление 6 диаметром 35 мм, глубиной 15 мм.
Масса в углублениях 4, 5, 6 и шпаклевочное пятно 7 не деформируются и не вытекают из углублений при установке блока в любое пространственное положение.
Сушка материала в углублении 6 глубиной 15 мм занимает 10 суток. Последующая сушка при 80°С в течение 4 часов и при 120°С в течение 2 часов привела к полному высыханию материала. Материал в углублениях 4, 5, 6 и шпаклевочном пятне 7 твердый, не гравируется, при ударах звук металлический. Произошло почернение открытых поверхностей. Причина - окисление чугуна кислородом воздуха. Отслоения материала от стенок углублений 4, 5, 6 и шпаклевочного пятна 7 от поверхности блока 3 не произошло, растрескивания нет.
Материал прочный, пилится, сверлится, обрабатывается наждачной бумагой, сохраняет свои свойства в диапазоне температур до 1000°С.
Пример 4. Основа материала - стекло натриевое жидкое, модифицированное соединениями алюминия. Наполнитель - чугунная крошка с размером частиц до 500 мкм и порошок никеля в виде частиц сферической формы с размерами до 20 мкм. Соотношение компонентов, мас.%:
основа
18,1
частицы чугуна
67,86
частицы никеля
14,04
Рыхлая, хорошо прессующаяся масса. Материал безусадочный при температурах сушки и эксплуатации, пригоден для заполнения сквозных и поверхностных раковин. При высокотемпературном воздействии происходит необратимое увеличение его объема, чем обеспечивается нахождение материала в раковине в поджатом состоянии и высокая прочность скрепления материала со стенками раковины. Температура эксплуатации отремонтированного изделия достигает 900°С.
Пример 5. Основа материала - стекло натриевое жидкое, модифицированное соединениями алюминия. Наполнитель - частицы чугуна с размерами до 40 мкм, частицы чугуна с размерами от 40 до 160 мкм, частицы никелевого сплава с размерами частиц до 200 мкм, частицы никеля с размерами до 20 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
8,66
частицы чугуна с размерами до 40 мкм
9,96
частицы чугуна с размерами от 40 до 160 мкм
34,6
частицы никелевого сплава с размерами
частиц до 200 мкм
41,7
частицы никеля с размерами до 20 мкм
5,0
Однородная рыхлая масса, хорошо прессуется, легко наносится на стенку и выглаживается стальным шпателем. Предназначена для заполнения поверхностных раковин. Материал хорошо прилипает к поверхности и заполняет раковины. Поверхность материала быстро высыхает, вследствие чего послойное заполнение отверстий должно осуществляться быстро.
Сушка и прокаливание производили ступенчато в диапазоне температур от 20°С до 900°С.
Прочностные характеристики материала представлены в таблице 1.
Таблица 1
Прочность на сжатие, кгс/ мм<sup>2</sup>, не менее
5±1
Твердость по Бринеллю, 10/250, НВ
16±1
Ударный изгиб,кгс/ см<sup>2</sup>, не менее
0,05
Прочность скрепления на сдвиг, кг/мм<sup>2</sup>, не менее
17,8±1
По керосиновой пробе материал газонепроницаем.
Пример 6. Основа материала - стекло натриевое жидкое, модифицированное соединениями алюминия. Наполнитель - частицы никеля с размерами до 20 мкм, частицы чугуна с размерами до 40 мкм и двуокись кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
14,5
частицы никеля с размерами до 20 мкм
31,83
частицы чугуна с размерами до 40 мкм
53,67
двуокись кремния (Аэросил А-380)
0,43
Плотная, тиксотропная, однородная пластичная паста, хорошо прилипает к поверхности с образованием тонкого слоя, хорошо заполняет небольшие углубления, удовлетворительно наносится послойно.
Материал пригоден для ремонта поверхности изделия с нанесением слоя до 3 мм, заполнения сквозных раковин диаметром до 10 мм с эксплуатацией отремонтированных изделий в диапазоне температур до 900°С.
Прочностные характеристики материала после сушки при комнатной температуре в течение 10 суток и одного часа при 120°С приведены в таблице 2.
Таблица 2
Твердость по Бринеллю, 10/250, НВ
41
Прочность на сжатие, кг/мм<sup>2</sup>
8,5
Прочность на изгиб, кг/мм<sup>2</sup>
3,7
Ударный изгиб, кгс/ см<sup>2</sup>
0,55
Прочность скрепления с чугунной стенкой на сдвиг, кг/мм<sup>2</sup>
1
Материал хрупкий, твердый, прочный, пилится, сверлится, шлифуется. Отшлифованная поверхность аналогична поверхности металла. По керосиновой пробе материал газонепроницаем.
3
2
3
2
3
Стекло натриевое жидкое модифицировано соединениями алюминия - означает, что в состав стекла натриевого жидкого введены соединения алюминия, такие, например, как гидраты, и/или силикаты, и/или окислы алюминия (Al(ОН), Al(SiO), AlО и др.) в виде тонкодисперсного порошка в количестве до 28 мас.% для улучшения скрепляющих свойств основы.
3
Пример 7. Основа материала - стекло натриевое жидкое (модуль - 2,86; плотность - 1,43 г/см, содержание воды - 59,8 мас.%). Наполнитель - металлические частицы с размерами до 20 мкм и с размерами от 20 до 40 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
11,92
металлические частицы
с размерами до 20 мкм
32,70;
с размерами от 20 до 40 мкм
55,38.
Металлические частицы - никель, железо, кобальт или их сплавы, смеси. Мягкая паста хорошо наносится и выглаживается сухим стальным шпателем. Пригодна для заполнения поверхностных раковин глубиной до 5 мм. Сушка при нормальной температуре до 5 суток в зависимости от размеров раковины. Теплостойкость материала до 900°С.
Пример 8. Основа материала - стекло натриевое жидкое. Наполнитель - металлические частицы с размерами до 20 мкм, от 20 до 40 мкм, от 40 до 160 мкм, от 160 до 200 мкм и двуокись кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
8,66
металлические частицы
с размерами до 20 мкм
5,202
с размерами от 20 до 40 мкм
10,18
с размерами от 40 до 160 мкм
34,34
с размерами от 160 до 200 мкм
41,59
двуокись кремния (Аэросил А-380)
0,028
Металлические частицы - никель, железо, кобальт или их сплавы, смеси. Однородная, рыхлая масса, хорошо прессуется и легко наносится на ремонтируемый участок. Геометрия раковин от прямой до сферической и зигзагообразной. Сушка при нормальной температуре от 3 до 15 суток в зависимости от размера раковины. Теплостойкость материала до 900°С.
Материалы для ремонта на основе жидкого стекла неустойчивы при длительном нахождении в воде. Водоустойчивость достигается прокаливанием материала при 300°С в течение 2 часов при нахождении материала в раковине или на поверхности изделия. Это не всегда приемлемо, поскольку изделия могут иметь большие размеры и не вмещаться в сушильный шкаф, а также возможна деформация самого изделия при прогреве и охлаждении.
Использование в составе наполнителя кремнефтористого натрия придает материалу водоустойчивость после отверждения при комнатной температуре.
3
Пример 9. Основа материала - стекло натриевое жидкое (модуль - 2,86; плотность - 1,43 г/см, содержание воды - 59,8 мас.%). Наполнитель - металлические частицы с размерами до 20 мкм и от 20 до 40 мкм и кремнефтористый натрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
основа
11,99
металлические частицы
с размерами до 20 мкм
31,19
с размерами от 20 до 40 мкм
52,42
кремнефтористый натрий
4,40
Металлические частицы - никель, железо, кобальт или их сплавы, смеси.
После смешения - плотная пластичная паста, хорошо прессующаяся, Жизнеспособность до 50 минут. Заполнение раковин пастой прессованием шпателем или гибким цилиндром. Сушка при комнатной температуре до 14 суток в зависимости от размеров раковины. После 14 суточной выдержки материал твердый, прочный, имеющий при ударе металлический звук. Геометрия раковин от прямой до сферической и зигзагообразной.
Устойчивость материала в пресной стоячей воде после сушки при комнатной температуре - не менее 30 суток. После выдержки в воде допускается нагрев изделия до 500°С сразу после извлечения из воды.
3
Пример 10. Основа материала - стекло натриевое жидкое с плотностью 1,12-1,30 г/см. Плотность исходного стандартного стекла снижена до необходимой разведением водой. Наполнитель - частицы никеля с размерами до 20 мкм, кремнефтористый натрий и глинозем. При этом соотношение компонентов основы составило, мас.%:
стекло натриевое жидкое
74,8
вода
25,2
а соотношение компонентов материала составило, мас.%:
основа
18,25
частицы никеля
49,57
кремнефтористый натрий
1,40
глинозем
30,78
Плотная пластичная масса, хорошо наносится на поверхность и заполняет раковины прессованием. Время высыхания слоя толщиной 5 мм при комнатной температуре - 3 суток. Водостойкость не менее 41 суток. Материал на поверхности и раковинах сразу после извлечения из воды можно использовать без предварительного прогрева. Теплостойкость 1000°С. Материал более прочный по сравнению с материалом на основе стекла со стандартной плотностью.
Изобретение может быть использовано в различных областях машиностроения, в том числе при ремонте деталей газотурбинных двигателей.