Способ получения литого оксидного материала

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения литого оксидного материала на основе оксида алюминия, который может быть использован в области авиационного двигателестроения для получения литейных форм, а также изготовления абразивных и жаростойких материалов. Предложен способ получения литого оксидного материала, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксиды хрома VI и III, алюминий и углерод, помещение смеси в графитовую форму, размещение ее в реакторе, локальное воспламенение смеси под давлением инертного газа, при этом в исходную смесь дополнительно вводят оксид никеля при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид хрома VI 25-28, оксид хрома III 27-29, алюминий 24-28, углерод 7-9, оксид никеля II 9-14, а между смесью и стенкой формы размещают функциональный слой толщиной 3-7 мм из смеси, содержащей 6-50 мас.% оксида хрома III и 50-94 мас.% оксида алюминия. Технический результат - снижение содержания примесей в целевом материале, повышение теплопроводности, что обеспечивает изготовление высококачественных литейных форм. 2 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения литого оксидного материала на основе оксида алюминия (корунда), который может быть использован в области авиационного двигателестроения для получения литейных форм, а также изготовления абразивных и жаростойких материалов.

Известен способ получения тугоплавких неорганических материалов, в частности оксидного материала из реакционной смеси оксида хрома VI, алюминия и углерода путем локального воспламенения указанной смеси под давлением газа 0,1 МПа (SU 617485, С 22 С 29/00. Бюл. № 28, 30.07.78).

В известном способе исходную смесь помещают в тугоплавкую цилиндрическую форму, размещают ее в реактор и воспламеняют смесь вольфрамовой электрической спиралью под давлением газа. После окончания процесса горения продукт синтеза охлаждают и извлекают. Продукт синтеза представляет собой литой образец, разделенный на два слоя: верхний - литой оксид алюминия (корунд), нижний - карбид хрома.

Недостатком известного способа является низкое качество получаемого оксидного материала, в котором содержание примеси свободного углерода, металлических включений и т.д. составляет не менее 3%.

Наиболее близким аналогом к заявляемому является изобретение (RU 2009019 С1, В 22 F 1/00, С 22 С 29/00. Бюл. № 5, 15.03.94), в котором описан способ получения литого оксидного материала. Способ включает приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксиды хрома VI и III, алюминий и углерод, помещение смеси в графитовую форму, размещение ее в реакторе, локальное воспламенение смеси под давлением инертного газа (азота) 4 МПа, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид хрома VI 32-40

Оксид хрома III 24-36

Алюминий 22-30

Углерод 6-10

Оксидный целевой продукт представляет собой твердый раствор Аl₂О₃-Cr₂О₃ с содержанием Сr₂О₃ от 3,0 до 5,0%.

Недостатком известного изобретения является низкое содержание Cr₂О₃ в целевом оксидном материале (Аl₂О₃-Cr₂О₃), не более 5%, что ведет к недостаточно высокой стойкости материала к агрессивным расплавам тугоплавких металлов и сплавов, используемого для изготовления литейных форм в авиационном двигателестроении. Другим недостатком известного способа является неполное разделение фаз в расплаве продуктов горения вследствие его быстрого охлаждения, а также высокое содержание примесей, например примесь углерода составляет более 0,5 мас.%.

Техническим результатом заявляемого изобретения является получение литого оксидного материала с высоким содержанием оксида хрома III и малым содержанием примесей, обеспечивающих изготовление высококачественных литейных форм, с высокой теплопроводностью и высокой стойкостью к высокотемпературным расплавам.

Технический результат достигается тем, что способ получения оксидного материала включает приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксиды хрома VI и III, алюминий, углерод, оксид никеля, помещение ее в форму, размещение формы в реакторе, локальное воспламенение смеси под давлением инертного газа, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид хрома VI 25-28

Оксид хрома III 27-29

Алюминий 24-28

Углерод 7-9

Оксид никеля 9-14,

при этом между исходной смесью и стенкой формы размещают функциональный слой толщиной 3-7 мм из смеси, содержащей оксида хрома III 6-50 мас.% и оксида алюминия 50-94 мас.%.

Химизм процесса получения оксидного материала можно представить в виде следующей реакции:

СrО₃+Сr₂O₃+Al+NiO+С=Аl₂О₃-Cr₃О₃+Сr-С-Ni

Продукт синтеза представляет собой слиток, который состоит из двух слоев: верхнего - литой оксидный материал Аl₂О₃-Cr₂О₃ и нижнего - Сr-С-Ni, которые отделяют и используют по назначению: литой оксидный материал Аl₂О₃-Cr₂О₃ для изготовления литьевых керамических форм, а Сr-С-Ni для изготовления наплавочного материала.

Термодинамический анализ показал, что температура горения (СrO₃+Сr₂О₃+Al) "хромовой" части смеси составляет 3020 К, а "никелевой" части (Al+NiO) - 3380 К. То есть введение NiO повышает температуру горения всей смеси СrО₃+Сr₂О₃+Al+NiO+С и одновременно снижает температуру плавления целевого продукта (температура плавления Сr₂О₃ равна 2538 К, температура плавления Аl₂O₃ равна 2303 К, температура плавления NiO равна 2223 К). В совокупности введение NiO приводит к увеличению времени "жизни" (времени нахождения продуктов синтеза в расплавленном состоянии) расплава и уменьшению содержания примесей в целевом оксидном материала.

Кроме того, оксид никеля является более легковосстанавливаемым оксидом по сравнению с оксидом хрома III, поэтому при введении его в исходную смесь часть оксида хрома недовосстанавливается и растворяется в оксиде алюминия, повышая его коэффициент теплопроводности.

Заявленное содержание оксида никеля в реакционной смеси в интервале 9-14 мас.% и алюминия в интервале 24-28 мас.%, приводит к содержанию оксида хрома в целевом продукте в интервале 6-50 мас.%, обеспечивая высокие значения коэффициента теплопроводности для формирования требуемой мелкокристаллической структуры изделий.

Размещаемый между исходной смесью и внутренней поверхностью графитовой формы функциональный слой толщиной 3-7 мм из смеси оксидов алюминия и хрома III исключает контакт расплава целевого продукта с материалом формы и снижает скорость охлаждения расплава, выполняя функцию теплоизоляционного слоя. В целом наличие функционального слоя приводит к увеличению времени “жизни” расплава и уменьшению содержания примесей в целевом оксидном материале (графит, включения металлической фазы в целевом продукте составляют не более 0,1%).

Соотношение между оксидом алюминия и оксидом хрома III в теплоизоляционном слое соответствует составу их в целевом продукте, что приводит в процессе осуществления способа к сохранению состава целевого продукта.

Заявляемая в формуле совокупность признаков позволяет получать литой оксидный материал на основе оксида алюминия высокой степени чистоты и электропроводности, который используется в авиационной промышленности для изготовления литьевых керамических форм. В результате материал литьевой керамической формы, изготовленной из получаемого материала, практически не взаимодействует с расплавами жаропрочных сплавов на никелевой основе (зона взаимодействия S составляет 0,003-0,005 мм).

Сущность способа подтверждается примерами.

Пример.

Готовят реакционную смесь исходных компонентов при следующем соотношении, мас.%: оксид хрома VI (СrО₃) 25; оксид хрома III (Сr₂О₃) 29; алюминий 28; углерод 9; оксид никеля (NiO) 9.

Предварительно в графитовую форму устанавливают тонкостенный цилиндр из цветного металла или плотной бумаги с зазором от его стенки до внутренней поверхности графитовой формы 3 мм. Готовую смесь засыпают в цилиндр, а смесь функционального слоя из Сr₂О₃ (6 мас.%) и Аl₂O₃ (94 мас.%) засыпают в зазор между цилиндром и формой. Цилиндр извлекают, а снаряженную форму из реакционной смеси и функционального слоя толщиной 3 мм помещают в реактор. В реакторе создают избыточное давление инертного газа (азота) 4,0 МПа, после чего реакционную смесь воспламеняют электрической спиралью.

После завершения процесса горения продукт синтеза охлаждают и извлекают из реактора. Продукт синтеза состоит из двух слоев (верхнего - литой оксидный целевой материал Аl₂О₃-Cr₂О₃ и нижнего - Сr-С-Ni, которые легко отделяются друг от друга. Содержание оксида хрома в целевом продукте составляет 6%, содержание примесей - 0,1%, коэффициент теплопроводности составляет 48 Вт/мК. Литьевая керамическая форма, изготовленная из полученного материала, практически не взаимодействует с расплавами жаростойких сплавов на основе никеля (например, с ЖС-6У зона взаимодействия (S) не превышает 0,005 мм).

Результаты примера, а также другие примеры осуществления способа представлены в таблице 1. Свойства целевого материала по примерам представлены в таблице 2.

Как видно из представленных данных, литой оксидный материал содержит не более 0,1% примесей, имеет коэффициент теплопроводности до 55 Вт/мК, а изготовленные из полученного материала литьевые керамические формы практически не взаимодействуют с расплавами жаропрочных сплавов на никелевой основе (S=0,003-0,005 мм) и имеют такую же теплопроводность (48-55 Вт/мК), что и литой оксидный материал.

Способ получения обладает высокой безопасностью, экологически чист, т.к. в продуктах синтеза отсутствуют газообразные продукты, технологичен, т.к. графитовая форма используется многократно.

S* определена для литьевых керамических форм, изготовленных из литого оксидного материала.

Формула изобретения

Способ получения литого оксидного материала, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксиды хрома VI и III, алюминий и углерод, помещение смеси в графитовую форму, размещение ее в реакторе, локальное воспламенение смеси под давлением инертного газа, отличающийся тем, что в исходную смесь дополнительно вводят оксид никеля при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид хрома VI 25-28

Оксид хрома III 27-29

Алюминий 24-28

Углерод 7-9

Оксид никеля II 9-14

а между смесью и стенкой формы размещают функциональный слой толщиной 3-7 мм из смеси, содержащей 6-50 мас.% оксида хрома III и 50-94 мас.% оксида алюминия.