Наноструктурированное покрытие для поверхностного модифицирования чугунных отливок

Наноструктурированное покрытие для поверхностного модифицирования чугунных отливок

Реферат

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

1. Наноструктурированное покрытие для поверхностного модифицирования чугунных отливок, содержащее наполнитель, связующее и воду, отличающееся тем, что оно 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, и дополнительно содержит бентонит 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, отличающееся тем, что оно 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 - жидкое стекло, и дополнительно содержит феррохромовый шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:

наполнитель	50-85
связующее	1,5-10
феррохромовый шлак	1,0-3,5
вода	до 100