СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF CERAMICS HARDENING

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано в технологии изготовления керамических изделий.
Известен способ пропитки пористых спеченных изделий (Патент РФ №2096132 С1, 20.11.1997, B22F 3/26) путем погружения их в раствор пропитывающего материала. В данном способе пропитку осуществляют кремнийорганическим лаком с последующей полимеризацией.
Недостатком указанного способа является то, что в нем используют двукратную пропитку изделий, которую осуществляют под давлением. Это требует наличия дополнительного оборудования и усложняет процесс изготовления керамических изделий.
Известен также способ упрочнения керамических изделий, включающий пропитку упрочняющим раствором, последующие сушку и прокалку керамических изделий (Патент РФ №2214314 С1, 20.10.2003, В22С 9/00) - прототип. В данном способе пропитку осуществляют раствором кремнийорганического лака при непрерывном воздействии ультразвукового поля заданной интенсивности.
Недостатком данного технического решения является то, что в данном способе пропитка осуществляется при обязательном воздействии ультразвукового поля, что усложняет процесс упрочнения керамических изделий. А также в указанном способе используется повышенная концентрация кремнийорганического лака (55%), что ухудшает податливость керамики, делает ее более твердой и соответственно хрупкой. При этом данный способ может быть применен только для изделий на гипсовом связующем.
Технический результат заявленного изобретения - повышение технологичности процесса упрочнения керамических изделий, а также повышение прочности керамических изделий и повышение качества получаемых отливок.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе упрочнения керамических изделий, включающем пропитку керамических изделий упрочняющим раствором, сушку и последующую прокалку керамических изделий, пропитку керамических изделий осуществляют упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%:
- кремнийорганический лак - 15-25,
- этиловый спирт - 75-85,
а прокалку керамических изделий осуществляют не менее 1 ч при температуре 180-250°С.
При этом в качестве кремнийорганического лака могут быть использованы соединения из группы полиорганосилоксанов.
В составе упрочняющего раствора в качестве кремнийорганического лака могут быть использованы полиметилсилоксановый лак, или полиметилфенилсилоксановый лак, или полиэтилфенилсилоксановый лак, или полифенилсилоксановый лак, или полиалюмоорганосилоксановый лак.
Пропитка керамических изделий может быть осуществлена путем погружения последних в упрочняющий раствор.
Пропитка керамических изделий упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%: кремнийорганический лак - 15-25, этиловый спирт - 75-85, и прокалка керамических изделий не менее 1 ч при температуре 180-250°С позволяют повысить технологичность процесса упрочнения керамических изделий за счет его упрощения и экономичности. Использование заявленного процентного соотношения компонентов пропитки и параметров прокалки керамических изделий позволяет получить достаточно прочную и в то же время пористую, податливой структуру, не препятствующую в дальнейшем усадке отливки.
Применение заявленного способа позволяет также расширить технологические возможности его использования, поскольку заявленный способ может быть осуществлен для упрочнения любых керамических изделий, в том числе, например, для керамических форм, стержней, тиглей и т.д.
Пропитка керамических изделий упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак и этиловый спирт, позволяет повысить прочность керамических изделий при использовании их в широком температурном диапазоне от 0 до 2000°С.
Пропитку керамических изделий можно осуществить любым из известных способов, например путем погружения керамических изделий в упрочняющий раствор или путем распыления упрочняющего раствора на керамическое изделие и т.д.
При этом включение в упрочняющий раствор кремнийорганического лака менее 15% не обеспечивает необходимую прочность керамических изделий.
При включении кремнийорганического лака более 25% керамические изделия становятся очень твердыми, т.е. неподатливыми и хрупкими, что может привести к разрушению изделий.
В качестве кремнийорганического лака может быть использовано любое соединение, например из группы полиорганосилоксанов, в том числе полиметилсилоксановый лак, или полиметилфенилсилоксановый лак, или полиэтилфенилсилоксановый лак, или полифенилсилоксановый лак, или полиалюмоорганосилоксановый лак.
Использование в составе упрочняющего раствора этилового спирта обеспечивает хорошую смачиваемость в процессе пропитки, а в процессе сушки - ускорение последней за счет летучести спирта.
В качестве растворителя могут быть использованы другие жидкости (например, вода, ацетон, толуол, ксилол и др.), однако при использовании воды форма начинает разбухать, что может привести к ее разупрочнению, а другие обозначенные жидкости являются экологически вредными и небезопасными для человека.
Сушку керамических изделий можно осуществить, например, на открытом воздухе, при этом, для получения максимальной степени отверждения упрочняющего раствора, оптимальной является сушка при температуре 20-22°С в течение 30-60 мин, что является достаточным для испарения растворителя (спирта и т.п.).
Большое влияние на качество керамических изделий оказывают параметры прокалки керамических изделий, такие как температура и время прокалки.
Осуществление низкотемпературной прокалки керамических изделий при температуре 180-250°С в течение 1 часа позволяет повысить прочность керамики.
Нижний предел низкотемпературной прокалки обусловлен тем, что при температуре менее 180°С прочность керамики не повышается или повышается незначительно, что в дальнейшем может привести к разрушению керамики. А верхний предел обусловлен тем, что прокалка при температуре более 250°С является нецелесообразной и приводит к усложнению процесса упрочнения.
Выбор времени осуществления низкотемпературной прокалки (180-250°С), а именно не менее 1 ч, обусловлен тем, что при прокалке менее 1 ч не достигается необходимая прочность керамических изделий из-за недостаточной степени отверждения раствора.
Предлагаемый способ изготовления керамических изделий иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Предлагаемое изобретение было отработано в условиях литейного цеха при изготовлении керамических изделий для производства отливок рабочих лопаток газотурбинного двигателя.
Керамические изделия были получены традиционным способом: нанесением многослойного керамического покрытия на модельный блок, последующими выплавлением модели и прокалкой керамического изделия. Далее для упрочнения керамических изделий осуществляли их пропитку упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%:
- кремнийорганический лак - 14,
- этиловый спирт - 86.
После пропитки упрочняющим раствором осуществляли сушку керамического изделия на воздухе в течение 30 мин и дальнейшую его прокалку при температуре 200°С в течение 1 ч.
В результате после заливки расплавом металла керамические изделия разрушились из-за недостаточной прочности материала керамики.
Пример 2.
Для изготовления керамических изделий были произведены те же технологические операции, которые приведены в примере 1. Далее для упрочнения керамических изделий осуществляли их пропитку упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%:
- кремнийорганический лак - 26,
- этиловый спирт - 74.
После пропитки упрочняющим раствором осуществляли сушку керамического изделия на воздухе в течение 30 мин и дальнейшую его прокалку при температуре 200°С в течение 1 ч.
В результате после заливки расплавом металла керамические изделия разрушились из-за повышенной хрупкости и твердости полученного материала керамики.
Пример 3.
Для изготовления керамических изделий были произведены те же технологические операции, которые приведены в примере 1. Далее для упрочнения керамических изделий осуществляли их пропитку упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%:
- кремнийорганический лак - 22,
- этиловый спирт - 78.
После пропитки упрочняющим раствором осуществляли сушку керамического изделия на воздухе в течение 30 мин и дальнейшую его прокалку при температуре 150°С в течение 30 мин.
В результате после заливки расплавом металла керамические изделия разрушились из-за недостаточной прочности материала керамики.
Пример 4.
Для изготовления керамического изделия были произведены те же технологические операции, которые приведены в примере 1. Далее для упрочнения керамических изделий осуществляли их пропитку упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак и этиловый спирт в следующем соотношении компонентов, мас.%:
- кремнийорганический лак - 20,
- этиловый спирт - 80.
После пропитки упрочняющим раствором осуществляли сушку керамического изделия на воздухе в течение 30 мин и дальнейшую его прокалку при температуре 200°С в течение 1 ч.
В результате получили керамические изделия, обладающие достаточно прочной и в то же время пористой, податливой структурой, не препятствующей в дальнейшем усадке отливки.
Из приведенных выше примеров следует, что для получения качественных отливок, необходимо при изготовлении керамических изделий использовать заявленное количественное соотношение используемых в упрочняющем растворе компонентов и указанные параметры прокалки керамических изделий.
Таким образом, предлагаемый способ упрочнения керамических изделий позволяет повысить технологичность процесса упрочнения, а также повысить прочность керамических изделий и качество получаемых отливок.