Клеящая и покрывающая теплостойкая композиция, покрытие для изложницы, полотно, способ нанесения покрытия и способ получения теплостойкого покрытия в виде полотна из этой композиции

 

Изобретение относится к клеящим и покрывающим композициям, обладающих хорошей теплостойкостью и превосходным сопротивлением износу, а также большим сроком службы после отверждения. Сущность изобретения: композицию изготавливают из двух компонентов: порошковой смеси, содержащей оксид циркония 20 - 70 мас. ч., алюминат натрия 1 - 10 мас. ч., оксид иттрия 0,4 - 10,5 мас. ч., диоксид кремния 9,5 - 78,6 мас. ч., и связующего - силиката натрия 12,36 - 84,55 мас. ч., в который добавлено 5 - 50,7 мас. ч. воды. Для использования в качестве покрытия для изложницы в композицию добавляют волокнистый теплостойкий материал в количестве 2 - 17 мас. ч. С помощью композиции может быть получено теплостойкое покрытие в виде полотна. 5 с.п. ф-лы.

Изобретение относится к клеющим и покрывающим композициям, обеспечивающим хорошую стойкость к тепловым ударам, прочность и износостойкость после сушки, а также к покрывающим материалам для изложниц, содержащим водную дисперсию, в которой имеется теплостойкий волокнистый материал, и к полотну, выполненному из покрывающей композиции и теплостойкого волокна.

В последние годы проявился интерес к клеящим веществам, содержащим неорганические компоненты. Например, в японском патенте N 50-33491 приведен способ получения высокотеплостойкой клеящей композиции, содержащей обжиг смеси, состоящей из частиц высокочистого оксида и коллоидного кремниевой кислоты, а также алюмината натрия в количестве 2 10% по массе от общего количества оксида циркония и кремниевой кислоты, причем обжиг проводят при температуре 1000^oC и выше, и после этого осуществляют тонкое напыление обожженного материала. Было указано, что клеящее вещество, полученное по этому способу, имеет низкую температуру твердения в диапазоне 250 350^oC.

Известен также способ увеличения срока службы изложниц путем закрепления или наложения теплостойкого волокнистого материала, такого как титанат калия (K₂Ti₆O₁₃), полититанокарбоксилсилан и углеродное волокно на внутреннюю поверхность изложницы или формы, используя такой неорганический клеящий состав. Также был изготовлен теплостойкий лист с использованием упомянутой клеящей композиции.

Однако, указанный выше клеящий состав имеет недостаток, связанный с его стабильностью после отверждения. После твердения наблюдалось шелушение покрывающей пленки. Вследствие этого в результате исследований, направленных на улучшение стабильности, было обнаружено, что добавление оксида иттрия позволяет получить клеящую пленку (или покрывающую пленку), которая обладает повышенной стабильностью по сравнению с клеящей композицией, описанной в японском патенте 5033491 обладает значительно более высоким сопротивлением износу, устойчивостью к шелушению и тепловым ударам после сушки.

Указанные выше недостатки можно преодолеть с помощью клеящих и покрывающих композиций, диспергированных в воде и теплостойких, содержащих порошковую смесь, состоящую из оксида циркония, алюмината натрия, оксида иттрия, остальное, кремнезем; также добавляют силикат натрия, содержащий небольшое количество воды.

Теплостойкая композиция по настоящему изобретению изготавливается путем добавления силиката натрия, содержащего небольшое количество воды, в порошковую смесь, состоящую из следующих компонентов, в мас.ч: оксида циркония 20 70, предпочтительно 25 70, алюмината натрия 1 10, предпочтительно 2 - 5, оксида натрия 0,4 10,5, предпочтительно 4 10% в расчете на количество оксида циркония, остальное кремнезем в количестве 12,36 84,55. Если количество оксида иттрия меньше 0,4 мас.ч. то достаточно стабилизирующего эффекта не наблюдается. Если содержание оксида иттрия больше 10,5 мас. ч. то дополнительный эффект также не наблюдается, и следовательно, использование повышенного количества оксида иттрия неэкономично, поскольку оксид иттрия имеет высокую стоимость Если содержание оксида циркония менее 20 мас.ч. то в результате будет иметь место недостаточное клеящее усилие, а также недостаточная допускающая градиент фиксирующая функция между керамическим слоем и подложкой (например, металлической подложкой). Необязательно композиция может также содержать теплостойкий пигмент, например, неорганические пигменты, такие как оксиды железа, диоксид титана, которые не должны сказывать вредного воздействия во время твердения и после него. Состав должен выдерживать температуру 1300^oC после отверждения.

В композиции по настоящему изобретению прочность покрывающей пленки может быть нарушена из-за резкого испарения воды, и поэтому для исключения такой возможности композицию следует высушить на воздухе или при температуре около 90^oC в течение от 20 мин до 3 часов. Обычно твердение проводят при температуре 200 350^oC в течение от 20 мин. до 3 часов. При более высокой температуре может иметь место неблагоприятное воздействие из-за наличия остаточной воды на поверхности покрывающей планки. При более низких температурах удовлетворительное отверждение оказывается невозможным.

Следовательно, настоящее изобретение также относится к способу применения теплостойкой композиции типа, описанного выше, включающего наложение композиции на подложку, а также извлечение воды при температуре в диапазоне от комнатной до 90^oC после наложения подложки на ответный элемент, если композиция используется в качестве клея, и после этого осуществление реакции отверждения при температуре 200 350^oC.

Покрывающий материал для изложницы выполнен диспергированием коротких теплостойких волокон, например, выбранных из группы, состоящей из волокон титаната калия (K₂Ti₆O₁₃), волокон полититанокарбоксилсилана, углеродных волокон (нитевидные кристаллы) диспергированных в воде в результате добавления ее, причем воду добавляют в количестве 5 50,73 мас.ч. в составе наложенного в результате диспергирования на внутреннюю поверхность изложницы и отвержденного, как это описано выше, обеспечивая очень хорошее сопротивление износу, а также теплостойкость, устойчивость от отшелушивания, высокий срок службы и помимо этого, хорошее отделение отливаемого изделия при использовании изложницы.

С точки зрения способности к диспергированию удобно, чтобы используемое теплостойкое волокно было коротким и способным к диспергированию в воде, например, короткое волокно длиной от 5 до 200 мкм и диаметром от 0,05 до 5 мкм.

Покрытие после наложения на внутреннюю поверхность изложницы, освобождается от воды при температуре в диапазоне от комнатной до 90^oC, а затем оно твердеет в результате реакции при температуре 200 350^oC.

Основной металл (подложка) для изложницы по настоящему изобретению может быть любым, например, медь, медные сплавы, стали, алюминий, алюминиевые сплавы, магний, магниевые сплавы. Неожиданно было получено, что композиция по настоящему изобретению позволяет использовать металлы с низкой точкой плавления, которые легко обрабатываются, или сплавы, не содержащие железо, например, медные сплавы, алюминий, алюминиевые сплавы, магний, магниевые сплавы.

Титанат калия, который можно использовать в виде теплостойких коротких волокон по настоящему изобретению, описан в "Исследовании синтеза волокон из титаната калия", научно-технический отчет N 34, 1982 г. с. 1 37, Институт по исследованиям неорганических материалов Агентства по исследованиям и технологии. Назначение этого волокна состоит в улучшении тепло- и износостойкости, а также в улучшении освобождения изложницы. Это волокно может быть тонким, имеющим длину 5 200 мкм, предпочтительно 10 50 мкм, а диаметр 0,05 5 мкм. Количество титаната калия, добавляемого при водном диспергировании теплостойкой композиции по настоящему изобретению, обычно составляет 2 17 мас. частей.

Настоящее изобретение также относится к листовому материалу в виде теплостойкого полотна, высушенное покрытие которого имеет толщину 50 400 мкм, предпочтительно 200 250 мкм, выполненное диспергированием теплостойких коротких волокон из материалов, например, по крайней мере, один из них выбран из группы, в которую входят титанат калия (K₂Ti₆O₁₃) в виде волокон, полититанокарбоксилсилановое волокно, углеродное волокно, керамическое волокно, а также другие нитевидные кристаллы, диспергированные в воде, которую добавляют в количестве до 50,73 мас. частей в покрывающую композицию по настоящему изобретению; также изобретение относится к материалу покрытия для изложницы, в которой лист крепится к внутренней поверхности изложницы с помощью клеящего состава по настоящему изобретению.

Теплостойкое тканое полотно, которое можно использовать по настоящему изобретению, может любым, на которое можно удовлетворительно накладывать покрывающую композицию водным диспергированием. Такие полотна могут быть выполнены из крученой или некрученой нити, они могут быть вязаными из углеродных, титановых, глиноземных или карбид кремниевых волокон. Хотя толщина такого полотна конкретно не лимитируется, предпочтительно, чтобы оно было относительно тонкое: 10 1000 мкм в тех случаях, когда требуется обеспечить повышенную точность.

Кроме этого, настоящее изобретение относится к способу покрытия изложницы, содержащему стадии: пропитывания теплостойкого полотна типа, описанного выше, покрывающей композицией, при необходимости добавляя воду в количестве до 50,73 мас. частей наложение или закрепление полученного полотна на внутренней поверхности изложницы с помощью теплостойкого клеящего вещества по настоящему изобретению, удаление воды при температуре в диапазоне от комнатной до 90^oC, осуществление реакции отверждения при температуре 200 - 300^oC, также изобретение относится к материалу покрытия, полученному данным способом.

Ниже будет описан пример реализации настоящего изобретения, в котором используется композиция для применения в изложнице.

Сначала в композицию по настоящему изобретению вводят воду в количестве до 50,73 мас. частей, а затем диспергируют короткие волокна титаната калия в количестве 2 17 мас. частей. Полученную дисперсию наносят на поверхность формы, подлежащую покрытию, далее производят сушку при температуре от комнатной до 90^oC в течение одного часа и более, а затем осуществляют отверждение при температуре 200 350^oC. Покрывают литник, выпор, питатель, а также корпус формы.

Форма, имеющая покрытие, изготовленное указанным способом, в состав которого входит волокно из титаната калия, обладает удовлетворительной теплостойкостью, необходимой при литье, а также превосходной износостойкостью, причем отлитое изделие легко вынимается из изложницы после ее заполнения металлом. Помимо этого, даже после 10000 отливок, проведенных без повторного наложения материала покрытия на форму, не было отмечено отклонения формы поверхности отлитых изделий, т.е. изложницы оказались достаточно надежной в работе.

Кроме этого, настоящее изобретение относится к теплостойкому полотну, изготовленному наложением покрывающей композиции по настоящему изобретению на теплостойкую ткань типа, описанного вые, причем толщина сухой пленки составила 50 400 мкм. Добавлялось при необходимости небольшое количество воды.

Также, настоящее изобретение относится к способу получения теплостойкого покрытия, представляющего собой полотно, выполненное разливкой водной дисперсии, содержащей состав типа, описанного выше, вместе, по крайней мере, с одним из описанных теплостойких коротких волокон, на отслаиваемую водопроницаемую подложку, например, проволочную сетку и т.п. После чего удаляют воду при температуре от комнатной до 90^oC, а затем поднимают слой полученного материала. Этот лист после этого можно сушить во время его использования.

Толщина такого полотна не имеет значения, она зависит от области применения. Например, если это полотно накладывается на внутреннюю поверхность изложницы, то обычно эта толщина составляет около 50 1000 мкм. Однако, если точности размеров не требуется, то толщина полотна может быть еще больше.

Далее будет приведено описание двух предпочтительных вариантов реализации изобретения, в которых композиция по данному изобретению используется для производства полотна.

Сначала в композицию по настоящему изобретению, содержащую воду, добавляют воду в количестве до 50,73 мас. частей, диспергируют в ней 2 17 мас. частей короткого волокна из титаната калия, а также 2 17 мас. частей другого керамического волокна, например, глинозема. Полученный дисперсионный состав наливают в заданном количестве на фильтровальную бумагу, установленную в отсасывающем фильтре, в котором под действием отсоса удаляется основная часть воды. Полученный материал высушивают в течение 1 3 ч. при температуре от комнатной до 90^oC.

Толщина сухого полотна, полученного при одной разливке, составляет до приблизительно 600 мкм. Кроме этого, для получения более толстого полотна операции по разливке и удалению воды можно повторить, после чего можно провести реакцию отверждения.

Второй вариант включает диспергирование коротких волокон из титаната калия и других керамических волокон, например, из глинозема в воде. Затем полученную дисперсию наливают в определенном количестве на фильтрованную бумагу, установленную в отсасывающем фильтре, в котором основное количество воды извлекается отсосом, получая при этом материал в виде полотна. Определенное количество водной дисперсии композиции по настоящему изобретению распыливают на листовой материал. Полученный материал слегка подсушивают при комнатной температуре, после чего производят повторное распыливание и сушку в течение 1 3 ч. при температуре от комнатной до 90^oC. Эти полотна отверждают в течение 1 3 ч. при температуре 200 350^oC. Затем их можно использовать, например, для закрепления или наложения.

Полученное полотно можно соответствующим образом прикрепить к заданному элементу, выдерживая температуру до приблизительно 1300^oC.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно на примерах.

Примеры производства композиции Пример 1.

23 г силиката натрия, содержащего 5 мл воды, добавили к 50 г порошковой смеси, содержащей 60 частей по массе оксида циркония, 40 частей по массе кремнезема, 5 частей по массе алюмината натрия и 4,8 частей по массе оксида иттрия, затем состав перемешали до вязкого пастообразного состояния.

Пример 2.

20 г силиката натрия, содержащего 5 мл воды, добавили к 50 г порошковой смеси, содержащей 50 частей по массе оксида циркония, 55 частей по массе кремнезема, 5 частей по массе алюмината натрия и 2 части по массе оксида иттрия, затем состав перемещали до вязкого пастообразного состояния.

Пример 3.

24 г силиката натрия, содержащего 4 мл воды, добавили к 50 г порошковой смеси, содержащей 40 частей по массе оксида циркония, 65 частей по массе кремнезема, 5 частей по массе алюмината натрия и 2 части по массе оксида иттрия, затем состав перемешали до вязкого пастообразного состояния.

Пример 4.

22 г силиката натрия, содержащего 4 мл воды, добавили к 50 г порошковой смеси, содержащей 30 частей по массе оксида циркония, 65 частей по массе кремнезема, 5 частей по массе алюмината натрия и 1,5 частей по массе оксида иттрия, затем состав перемешали до вязкого пастообразного состояния.

Примеры использования композиции.

Пример 5.

10 г титаната калия в виде волокна, имеющего среднюю длину 20 мкм и средний диаметр 0,9 мкм, диспергировали в водную дисперсию в количестве 50 г пастообразного материала, описанного в примере 1, содержащего 5 мл воды. Полученную дисперсию наложили на тканое полотно из углеродных волокон, имеющее толщину 500 мкм, с получением влажной пленки толщиной 300 мкм (толщина сухой пленки около 215 мкм). Полученный материал просушили при температуре 90^oC в течение 1 часа, а затем подвергли отверждению при температуре 250^oC в течение 2 часов.

Затем, используя 50 г композиции, описанной в примере 1, вышеописанную отвержденную ткань из углеродного волокна закрепили на внутренней поверхности и на поверхности литника изложницы из медного сплава, предназначенной для отливки картера автомобильного двигателя. Полученную ткань аналогичным образом сушили при температуре 90^oC в течение 1 часа, а затем подвергли отверждению при температуре 250^oC в течение 2 часов.

При использовании изложницы, изготовленной данным способом, для отливки картеров автомобильных двигателей, охлаждаемых в форме до 350 400^oC, было обнаружено, что после проведения 10000 отливок форма поверхности изложницы не изменилась, а состояние поверхности отлитых изделий было удовлетворительное. Изделие легко вынималось из литейной формы.

Пример 6.

Используя 50 г состава, описанного в примере 2, ткань из углеродного волокна толщиной 500 мкм закрепили на внутренней поверхности, на поверхности литника и т. п. изложницы из медного сплава, предназначенной для отливки картера автомобильного двигателя. Полученную ткань аналогичным образом сушили при температуре 90^oC в течение 1 часа, а затем подвергли отверждению при температуре 250^oC в течение 2 часов.

При использовании изложницы, изготовленной данным способом, было обнаружено, что при отливке картеров автомобильных двигателей, охлаждаемых в форме до температуры 350 400^oC, после выполнения 10000 отливок форма поверхности изложницы не изменилась, состояние поверхности изделий было удовлетворительное. Изделие легко вынималось из литейной формы.

Пример 7.

6 г волокна из титаната калия и 4 г волокна из глинозема средней длины 20 мкм и среднего диаметра 0,9 мкм ввели в водную дисперсию из 50 г композиции, описанной в примере 2, содержащей 4 мол воды.

Полученную дисперсию наложили на внутреннюю поверхность стальной изложницы и просушили при температуре 90^oC в течение 1 часа, а затем подвергли ее отверждению в течение 2 часов, получив при этом покрывающую пленку, толщина которой в сухом виде составила около 230 мкм.

Затем таким образом выполненная форма была использована для отливки картеров автомобильного двигателя. И даже после отливки 10000 картеров форма поверхности изложницы не изменилась, состояние поверхности изделий было удовлетворительное. Изделие легко вынималось из изложницы.

Производство полотна Пример 8.

6 г волокна из титаната калия и 4 г волокна из глинозема средней длины 20 мкм и среднего диаметра 0,9 мкм ввели в водную дисперсию, полученную в результате добавления 5 мл воды к 50 г дисперсии по примеру 3. Фильтровальную бумагу наложили на нутч-фильт, имеющий внутренний диаметр 100 мм. Дисперсию по примеру 1 напылили на фильтровальную бумагу и основное количество воды извлекли отсосом с получением полотна толщиной около 1 мм. Полотно или лист извлекли вместе с фильтровальной бумагой, а затем поместили его на неиспользованную фильтровальную бумагу и просушили воздухом при комнатной температуре в течение 1 часа. Полученное полотно имело толщину около 0,6 мм.

Пример 9.

50 г дисперсии по примеру 1 напылили на тканое полотно из полититанокарбоксилсиланового волокна, получив толщину влажной пленки 300 мкм, а затем провели сушку при 90^oC в течение 1 часа, получив полотно, имеющее покрывающий слой из сухой пленки толщиной 265 мкм.

После отверждения полотна при температуре 300^oC было получено, что теплостойкость его сравнялась до температуры 1300^oC.

Пример 10.

6 г волокна из титаната калия и 4 г волокна из глинозема средней длины 20 мкм и среднего диаметра 0,9 мкм ввели в водную дисперсию, полученную в результате добавления 5 мл воды к 50 г дисперсии по примеру 4 и перемешали полученную дисперсию. Смесь налили на проволочную очень мелкую сетку и просушили при температуре 90^oC в течение 1 часа. После этого отслоили полученную пленку от сетки, получив полотно.

Примеры использования полотна Пример 11.

Полотно, выполненное по примеру 8, прикрепили или наложили на внутреннюю поверхность и аналогичные поверхности изложницы из медного сплава для отливки картера автомобильного двигателя с помощью дисперсии, описанной в примере 4, изложница имела три слоя: слой никеля, нанесенный гальваническим способом, покрывающий слой из сплава кобальта, молибдена и хрома, используемый в качестве промежуточного, а также покрывающий слой из пористой керамики Al₂O₃/ZrO₃, используемый в качестве наружного, за исключением того, что указанное полотно крепили или наложили вместо керамического слоя.

Закрепленное полотно сушили при температуре 90^oC в течение 1 часа, а затем отверждали при температуре 250^oC в сушильной камере.

При использовании изложницы, изготовленной данным способом, было обнаружено, что при отливке картеров автомобильных двигателей охлаждаемых в форме до температуры 350 400^oC, после выполнения 10000 отливок форма поверхности изложницы не изменилась, состояние поверхности изделий было удовлетворительное. Изделие легко вынималось из изложницы.

Теплостойкая композиция по настоящему изобретению не только обладает превосходной тепло- и износостойкостью и расцепляющей способностью, помимо этого, она имеет высокий срок службы. Также после твердения эта пленка оказывается более стабильной по сравнению с клеящей композицией, описанной в японском патенте 5033491. Теплостойкая композиция по настоящему изобретению обеспечивает существенный экономический эффект от внедрения в промышленность в качестве клеящего вещества и (или) покрытия в тех ее областях, где требуется тепло- и износостойкость, а также хорошая расцепляющая способность.

Формула изобретения

1. Клеящая и покрывающая теплостойкая композиция, диспергированная в воде, содержащая диоксид циркония, алюминат натрия и кремнеземсодержащий материал, отличающаяся тем, что она содержит дополнительно оксид иттрия, диоксид кремния и воду, а в качестве кремнеземсодержащего материала силикат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.ч.

Оксид циpкония 20 70 Алюминат натpия 1 10 Оксид иттpия 0,4 10,5 Диоксид кpемния 9,5 78,6 Силикат натpия 12,36 84,55 Вода 5,00 50,73
2. Покрытие из клеящей и покрывающей теплостойкой композиции для изложницы, содержащее порошковый материал, кремнеземсодержащий материал и воду, отличающееся тем, что в качестве порошкового материала оно содержит оксид циркония, алюминат натрия, диоксид кремния, оксид иттрия, в качестве кремнеземсодержащего материала жидкое стекло и дополнительно содержит по крайней мере одного вида теплостойкое волокно, имеющее длину 5 200 мм и диаметр 0,05 5,0 мкм, выбранное из группы, состоящей из волокна титаната калия (К₂Тi₆O₁₅), полититанокарбоксилсиланового волокна, углеродного волокна, керамического волокна при следующем соотношении компонентов, мас.ч.

Оксид циркония 20 70
Алюминат натрия 1 10
Оксид иттрия 0,4 10,5
Диоксид кремния 9,5 78,6
Силикат натрия 12,36 84,55
Волокно 2 17
Вода 5,00 50,73
3. Полотно, содержащее теплостойкую ткань с нанесенным на нее покрытием, отличающееся тем, что покрытие имеет состав по п.2, при этом толщина сухой пленки покрытия составляет 50 400 мкм.

4. Способ нанесения покрытия на изложницу, включающий крепление на внутренней поверхности изложницы полотна из теплостойкой ткани, отличающийся тем, что используют полотно по п.3, а крепление его осуществляют посредством клеящей композиции, имеющей состав по п.1, сушат при температуре от комнатной до 90^oС и отверждают при 200 350^oС.

5. Способ получения теплостойкого покрытия в виде полотна, включающий наливку на подложку клеящей композиции, отделение полотна от подложки, отличающийся тем, что наливку клеящей композиции осуществляют на водопроницаемую подложку, при этом клеящая композиция имеет состав покрытия по п.2, перед отделением полотна от подложки осуществляют сушку его при температуре от комнатной до 90^oС.