НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК
NANOSTRUCTURED COAT FOR SURFACE MODIFICATION OF FOUNDRY GOODS

Изобретение относится к литейному производству, а именно к получению чугунных отливок с модифицированным поверхностным слоем.
Известно противопригарное покрытие, включающее 45-55% терморасширяющегося графита и до 100% воду [патент РФ №1822355 A3, кл. В22С 3/00, 1993]. Однако при использовании данного покрытия размер включений графита по всему сечению отливки остается неизменным.
Известно покрытие [патент РФ №2368450, кл. В22С 3/00. Противопригарное покрытие для литейных форм и стержней, 2009], содержащее, мас.%:
- скрытокристаллический графит - 29-56;
- связующее - 5,0-9,5;
- бентонит - 1,7-3,3%;
- вода - остальное.
Однако при использовании данного покрытия наблюдается ярко выраженная зона перехода от мелких к крупным включениям графита от поверхности к середине отливки.
Задачей изобретения является получение покрытия, улучшающего микроструктуру поверхностного слоя отливок из чугуна.
Поставленная задача достигается двумя вариантами:
1. Наноструктурированное покрытие для поверхностного модифицирования чугунных отливок, содержащее наполнитель, связующее, бентонит и воду, согласно изобретению, покрытие содержит в качестве наполнителя пылевидный кварц, или электрокорунд, или графит фракционного состава, мас.%: 1-100 нм - не менее 10; 101 нм - 1 мкм - 20-50; 1,5-10 мкм - 20-60; 11-20 мкм - 5-15; более 20 мкм - остальное, в качестве связующего крахмалит или лигносульфонат технический при следующем соотношении компонентов, мас.%:
наполнитель - 50-85;
связующее - 1,5-10;
бентонит - 1,0-3,5;
вода - до 100.
2. Наноструктурированное покрытие для поверхностного модифицирования чугунных отливок, содержащее наполнитель, связующее и воду, согласно изобретению, в качестве наполнителя покрытие содержит пылевидный кварц, или электрокорунд, или графит фракционного состава, мас.%: 1-100 нм - не менее 10; 101 нм - 1 мкм - 20-50; 1,5-10 мкм - 20-60; 11-20 мкм - 5-15; более 20 мкм - остальное, в качестве связующего жидкое стекло, дополнительно феррохромовый шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:
наполнитель - 50-85;
жидкое стекло - 1,5-10;
феррохромовый шлак - 1,0-3,5;
вода - до 100.
При использовании в составе покрытия наноструктурированного наполнителя менее 50 мас.% не наблюдается изменения микроструктуры отливки на ее поверхности. Увеличение содержания наноструктурированного наполнителя более 85 мас.% нецелесообразно с экономической точки зрения, т.к. не приводит к дальнейшему изменению микроструктуры поверхности отливок.
Использование наполнителя указанного фракционного состава позволяет добиться наибольшего эффекта поверхностного модифицирования чугунных отливок, т.к. обеспечивает покрытию хорошие технологические свойства, а отливкам улучшение микроструктуры поверхности. Испытания по оптимальному и запредельному составам, отражены в таблице. Из результатов испытаний видно, что уменьшение содержания фракций 1-100 нм и 100 нм - 1 мкм приводит к снижению эффекта поверхностного модифицирования, а также к увеличению размер графитовых включений в чугуне.
В качестве связующего использовано жидкое стекло, лигносульфонат технический или крахмалит. При введении в состав покрытия связующего в указанных количествах покрытию обеспечиваются хорошие технологические свойства: высокая прочность сцепления с формой, седиментационная устойчивость, низкая вязкость.
Выбор добавок зависит от типа используемого в составе покрытия связующего. При использовании в качестве связующего лигносульфоната технического или крахмалита используют бентонит, а при использовании жидкого стекла - феррохромовый шлак.
Приготовление покрытия осуществляют следующим образом. Смешивают механоактивированный наноструктурированный наполнитель следующего фракционного состава, мас.%: 1-100 нм - не менее 10; 101 нм - 1 мкм - 20-50; 1,5-10 мкм - 20-60; 11-20 мкм - 5-15; более 20 мкм - остальное, с добавкой, выбранной в зависимости от типа связующего. В краскомешалку заливают жидкие компоненты покрытия (лигносульфонат технический или жидкое стекло, смешанные с водой), перемешивают их в течение 3-5 мин, после чего перемешивают с сухими компонентами (наполнитель и бентонит по первому варианту и наполнитель и феррохромовый шлак по второму варианту). Перемешивание продолжают до получения однородной пастообразной массы. Для приготовления суспензии пасту перемешивают с водой до получения заданной плотности.
Способ нанесения покрытия и его сушки определяется технологией изготовления формы или стержня.
Для испытаний разработанных покрытий была выбрана отливка «Хвостовик» весом 3,5 кг с габаритными размерами 0420×45 мм. Отливка изготавливалась из серого чугуна марки СЧ25 следующего химического состава, %: 3,21 С; 1,86 Si; 0,66 Mn; 0,015 S и 0,01 Р. Температура заливки чугуна 1400-1450°С.
В ходе испытаний окрашивалась нижняя часть формы, выполненная из песчано-глинистой смеси, как наиболее ответственная. Окрашивание осуществлялось кистью, после окрашивания форма сушилась в печи.
В таблице приведены примеры составов и свойства покрытий.
Номер состава
Состав покрытия, мас.%
Свойства покрытия
Размер графитовых включений в чугуне, мм
наименование
содержание
вязкость, с
прочность, кг/мм
седиментационная устойчивость, %
край отливки
сердцевина отливки
1
2
3
4
5
6
7
8
Прототип
1
Скрытокристаллический графит расширенный (состав не контролировался)
29,0-56,0
7
4
90
92,1
92,1
Связующее
5,0-9,5
Бентонит
1,7-3,3
Вода
До 100,0
Предлагаемое
2
Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
35,0
8
1,5
75
91,2
91,6
Крахмалит
11,0
Бентонит
17,0
Вода
До 100,0
3
Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
67,0
10
Более 5
95
81,8
82,7
Крахмалит
1,6
Бентонит
2,5
Вода
До 100,0
4
Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
90,0
16
2,5
85
90,1
91,1
Крахмалит
0,9
Бентонит
0,9
Вода
До 100,0
5
Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
45,0
10
1,8
78
90,1
90,1
Лигносульфонат технический
11
Бентонит
5,5
Вода
До 100,0
6
Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
55,0
14
Более 5
95
81,8
89,7
Лигносульфонат технический
7,0
Бентонит
3,0
Вода
До 100,0
7
Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм-35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
90,0
20
3,0
83
89,8
90,0
Лигносульфонат технический
0,9
Бентонит
0,5
Вода
До 100,0
8
Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
35,0
10
1,7
80
90,5
91,1
Крахмалит
11,0
Бентонит
17,0
Вода
До 100,0
9
Механоактивированный наноструктури-рованный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
67,0
13
Более 5
95
81,8
86,0
Крахмалит
1,6
Бентонит
2,5
Вода
До 100,0
10
Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
90,0
15
2,3
89
88,5
90,1
Крахмалит
0,9
Бентонит
0,9
Вода
До 100,0
11
Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
45,0
13
2,6
83
90,5
91,1
Лигносульфонат технический
11,0
Бентонит
5,5
Вода
До 100,0
12
Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
55,0
19
Более 5
95
79,5
81,8
Лигносульфонат технический
7,0
Бентонит
3,0
Вода
До 100,0
13
Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
90,0
25
3,7
90
87,5
90,1
Лигносульфонат технический
0,9
Бентонит
0,5
Вода
До 100,0
14
Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм-10; >20 мкм - остальное
35,0
10
2,5
89
90,5
91,1
Крахмалит
11,0
Бентонит
17,0
Вода
До 100,0
15
Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
67,0
15
5,5
95
79,8
80,0
Крахмалит
1,6
Бентонит
2,5
Вода
До 100,0
16
Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
90,0
23
4,0
93
87,5
88,1
Крахмалит
0,9
Бентонит
0,9
Вода
До 100,0
17
Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
45,0
10
2,5
89
90,5
91,1
Лигносульфонат технический
11,0
Бентонит
5,5
Вода
До 100,0
18
Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
55,0
15
5,5
95
63,7
66,8
Лигносульфонат технический
7,0
Бентонит
3,0
Вода
До 100,0
19
Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
90,0
23
4,0
93
87,5
88,1
Лигносульфонат технический
0,9
Бентонит
0,5
Вода
До 100,0
20
Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
45,0
13
Более 5
85
92,1
92,9
Жидкое стекло
3,2
Феррохромовый шлак
3,0
Вода
До 100,0
21
Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
65,0
15
Более 5
97
83,5
85,6
Жидкое стекло
3,2
Феррохромовый шлак
3,0
Вода
До 100,0
22
Механоактивированный наноструктурированный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
45,0
20
Более 5
98
92,1
92,1
Жидкое стекло
3,2
Феррохромовый шлак
3,0
Вода
До 100,0
23
Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
65,0
15
Более 5
90
90,9
91,9
Жидкое стекло
3,2
Феррохромовый шлак
3,0
Вода
До 100,0
24
Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
45,0
20
Более 5
96
86,8
89,6
Жидкое стекло
3,2
Феррохромовый шлак
3,0
Вода
До 100,0
25
Механоактивированный наноструктурированный электрокорунд состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
90,0
23
Более 5
97
87,0
90,0
Жидкое стекло
3,2
Феррохромовый шлак
3,0
Вода
До 100,0
26
Механоактивированный наноструктури-рованный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
45,0
15
Более 5
93
90,1
91,0
Жидкое стекло
3,2
Феррохромовый шлак
3,0
Вода
До 100,0
27
Механоактивированный наноструктури-рованный кварц состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
65,0
18
Более 5
97
82,5
82,6
Жидкое стекло
3,2
Феррохромовый шлак
3,0
Вода
До 100,0
28
Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 15; 101 нм - 1 мкм - 35; 1,5-10 мкм - 35; 11-20 мкм - 10; >20 мкм - остальное
90,0
20
Более 5
96
86,8
89,6
Жидкое стекло
3,2
Феррохромовый шлак
3,0
Вода
До 100,0
29
Механоактивированный наноструктурированный графит состава, %: 1-100 нм - 5; 101 нм - 1 мкм - 5; 1,5-10 мкм - 65; 11-20 мкм - 20; >20 мкм - остальное
55,0
15
5,5
95
95,3
97,3
Лигносульфонат технический
7,0
Бентонит
3,0
Вода
До 100,0