КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫПЛАВЛЯЕМЫХ МОДЕЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК B22C7/02 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к литью по выплавляемым моделям.

При изготовлении и разработке новых композиционных выплавляемых моделей для литья точных и сложных по форме деталей в освоенном производстве наиболее важным является сохранение преемственности композиций по величинам линейной усадки и теплостойкости при одновременном улучшении других параметров: трещиноустойчивость, возвратность масс, исключение из состава дефицитных материалов, жесткость модельной композиции, производительность.

Наиболее широкое распространение в настоящее время приобрели композиции В-1, ВИАМ-102 /1,2/ ИПЛ, Р-3 /2/, МВС-3А, МВС-15, МВС-19 /3,4/, ППК-1, ППк-2 /4/ ПВКБ /5/. Каждая из этих композиций имеет свои достоинства и недостатки, рассматриваемые ниже.

Модельные композиции В-1 и ВИАМ-102 /1,2/ на протяжении нескольких десятилетий являлись основными композициями, используемыми в авиационной промышленности, где практически все пресс-формы для точного литья и вся технология были рассчитаны именно на использование этих композиций.

Применение указанных модельных композиций в производстве более 30 лет показало, что они имеют ряд существенных недостатков. К ним относятся: нестабильная линейная усадка (0,9 1,4); низкая трещиноустойчивость, что приводит к трещинам моделей при их изготовлении (особенно с водорастворимыми вставками) и нанесении керамического покрытия на модельные блоки (из-за охлаждения моделей при испарении растворителя при сушке I и II слоев покрытия); обязательная корректировка состава возврата модельных композиций по триэтаноламину после выплавления моделей в воде или в бойлерклавах, так как он вымывается из состава; недостаточная теплостойкость (34 36^oC); применение в составах торфяного воска (25 35%), выпуск которого прекращен и в ближайшие годы возобновлен не будет, что практически полностью исключает дальнейшее производство модельных композиций В-1 и ВИАМ-102 из местного сырья и требует закупки торфяного воска за рубежом.

Близкими по свойствам, в первую очередь, по величине линейной усадки и теплостойкости, к модельным композициям В-1 и ВИАМ-102 относятся модельные композиции ППК-1, ППК-2 /4/ и ПВКВ /5/. Однако при их применении производительность изготовления мелких и средних моделей падает в 2 3 раза из-за медленного твердения моделей в пресс-форме, что связано со значительным содержанием (40 50% ) в этих композициях канифоли, обладающей большой теплоемкостью.

Модельные композиции типа МВС /3, 4/ без замешивания в них воздуха имеют значительно большую линейную усадку (1,5 1,75%), чем В-1 и ВИАМ-102, что потребует изготовления всего нового парка пресс-форм взамен существующего.

Модельные составы типов ИПЛ 8и Р-3 /2/ имеют низкую теплостойкость и большую усадку (1,5%).

Известен принятый за прототип модельный состав /6/, условно названный в производстве ОН-4, парафин 25% буроугольный воск 45% битум БНК 45/180 - 26% триэтаноламин 4% который по своим свойствам очень близок к В-1 и ВИАМ-102.

Промышленное применение данной модельной композиции выявило ряд таких существенных недостатков, как неудовлетворительная теплостойкость; трещины в моделях стояков, изготавливаемых свободной заливкой с охлаждением в воде; недостаточная твердость моделей, что затрудняет их отделку; неприятный запах из-за значительного содержания битума БНК 45/180. Из-за указанных недостатков данная модельная композиция не нашла широкого распространения.

Целью изобретения является повышение качества моделей за счет повышения трещиноустойчивости, сохранения свойств возврата, повышения теплостойкости модельной композиции.

Цель достигается тем, что модельная композиция для изготовления выплавляемых моделей, включающая парафин, буроугольный воск, битум нефтяной БНК 45/190 дополнительно содержит полиэтилен и канифоль при следующем содержании ингредиентов, мас.

Парафин 55,5 56,5
Буроугольный воск 20 22
Битум нефтяной БНК 45/180 6 7
Полиэтилен 3,5 4,5
Канифоль 10 15
Цель достигается также тем, что для уменьшения утяжин за счет регулирования реологических свойств массы композиция дополнительно содержит полиэтиленовый воск ПВ-300 в количество 5 7 мас.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что состав предлагаемой модельной композиции отличается от известного введением новых компонентов, а именно полиэтилена, канифоли, а также полиэтиленового воска ПВ-300. Известны технические решения, в которых используются полиэтилен, канифоль, полиэтиленовый воск, /2, 4, 6/ в качестве ингредиентов модельных композиций. При этом при использовании хотя бы одного из указанных ингредиентов один или два других в рецептурах отсутствуют. Использование указанных ингредиентов одновременно в одной рецептуре выявлено не было. Это обеспечивает предлагаемому техническому решению соответствие критерию "новизна".

Анализ известных модельных композиций /1 5/ для изготовления выплавляемых моделей и практики заводов показал, что введенные в предлагаемую композицию вещества известны. Например, известно, что делались неоднократные попытки ввести полиэтилен с битумом в состав модельных композиций В-1 и ВИАМ-102 для повышения их трещиноустойчивости. Однако положительных результатов не было получено, так как при известных их соотношениях полиэтилен не совмещался с битумом и находился в расплаве в виде хлопьев. В предлагаемой композиции эти вещества в сочетании с другими ингредиентами и при выбранном их соотношении растворяются в расплаве полностью и проявляют, кроме вышеуказанного, такие свойства, которые не проявляются при другом соотношении ингредиентов, а именно повышенную трещиноустойчивость, повышенную теплостойкость, возврат после удаления моделей в горячей воде может использоваться многократно, так как в композиции не используются водорастворимые пластификаторы типа триэтаноламина, вымываемые водой при удалении моделей из керамических оболочек.

Введение в состав модельной композиции полиэтиленового воска ПВ-200 практически не влияет на основные технологические свойства модельной композиции, но оказывает влияние на реологические свойства и, в первую очередь, на повышение жесткости модельной композиции (повышение напряжения сдвига в потоке массы) при технологических температурах прессования, что позволяет оптимизировать время заполнения пресс-формы модельной композицией, провести более полное вытеснение воздуха из полости пресс-формы и, как следствие, уменьшить "утяжины" на поверхности моделей.

Таким образом, новый состав ингредиентов придает модельной композиции новые свойства, не следующие явным образом из известного уровня техники в данной области, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию" изобретательский уровень".

Для экспериментальной проверки предлагаемой модельной композиции были приготовлены 12 составов, рецептура которых приведена в табл. 1.

Для приготовления модельных композиций использовали термостаты с масляными рубашками и механическими мешалками. В термостат загружали парафин, доводили его температуру до 170-190^oC, небольшими порциями вводили полиэтилен при постоянном перемешивании и полностью его растворяли. В сплав парафина с полиэтиленом поочередно вводили канифоль, полиэтиленовый воск ПВ-300, битум БНК 45/190 и буроугольный воск. При этом поддерживали температуру 170-190^oC и расплав постоянно перемешивали. После введения и расплавления буроугольного воска расплав перемешивали в течение 30 мин, охлаждали до температуры 120-130^oC, процеживали через металлическую сетку 014-016 и разливали в изложницы или рабочие термостаты для получения пастообразной массы с температурой 50-55^oC.

Изготовление образцов и моделей производилось при следующих технологических параметрах:
Температура массы, ^oC 50-55
Давление в пресс-форме, МПа 0,5 1,5
Температура пресс-формы, ^oC 30 35
Минимальное время выдержки модели под давлением, с 30
Выдержка модели в пресс-форме, с 30 60
Охлаждение модели в пресс-форме на воздухе; под водяным душем; погружением в воду.

Определение основных свойств модельных композиций производилось по общепринятым методикам. Трещиноустойчивость определялась на стояках размерами 40 x 40 и длиной 450 мм, имеющих приливы и изготавливаемых свободной заливкой расплава модельной массы с температурой 100 105^oC в алюминиевые холодные пресс-формы с последующим погружением в воду с температурой 16-18^oC после образования корочки модельной массы в заливочном отверстии. Твердость модельной композиции определялась на литом образце толщиной не менее 10 мм путем вдавливания металлического шарика диаметром 10 мм в течение 1 мин при усилии в 10 кг и температуре испытуемого образца 20±2^oC.

В табл. 2 приведены результаты исследований. Из табл. 1 и 2 следует, что предпосылка по выбору ингредиентов и их взаимодействию подтвердилась и на этой основе предлагается новая модельная композиция, которая отвечает поставленной цели.

Анализ данных табл. 1 и 2 показывает, что введение в составы дефицитного буроугольного воска в количестве 20 22% обеспечивает достаточное его влияние как кристаллообразователя для повышения скорости отверждения модельного состава в пресс-форме (составы 1-10 против 11) и связанных с ней уменьшением и стабилизацией величины линейной усадки (состав 11 содержит ингредиенты среднего состава предлагаемой модельной композиции с равнораспределенным содержанием буроугольного воска по другим ингредиентам).

Повышение содержания полиэтилена выше 4,5% ведет к повышению линейной усадки массы (состава 1, 2) и при содержании выше 6% происходит его выделение из состава в расплаве (состав 1). Этот же эффект наблюдается и при суммарном увеличении полиэтилена (4,5%) и полиэтиленового воска (10%) выше 14% (состав 10). При содержании в составе около 4% полиэтилен гарантирует высокую трещиноустойчивость и теплостойкость модельной композиции при сохранении однородности модельной массы.

Увеличение содержания канифоли сдерживает рост величины линейной усадки модельной композиции при увеличении содержания полиэтилена (составы 1, 2), но резко увеличивает время затвердевания моделей в пресс-форме (составы 1, 2, 11). Уменьшение содержания канифоли, являющейся хорошим растворителем полиэтилена и полиэтиленового воска, нежелательно, так как это приведет к ослаблению пластификации буроугольного воска и выделению полиэтилена в расплаве из массы (состав 5).

Увеличение содержания битума БНК 45/190 выше 6-7% нежелательно, так как ведет к понижению твердости модельного состава даже при высоком содержании полиэтилена (состав 2 против состава 3, массы OH-4 и состава 12). Кроме того, с увеличением содержания битума выше 8% (состав 11) возникает неприятный запах. Уменьшение содержания битума менее 5-6% ведет к возрастанию линейной усадки модельной массы (состав 12).

Введение полиэтиленового воска ПВ-200 положительно влияет на скорость отверждения моделей в пресс-форме. Однако его содержание в составе выше 7% ведет к повышению линейной усадки, а при 10% ведет к выделению полиэтилена (или и полиэтиленового воска) из расплава. Поэтому содержание полиэтиленового воска в модельной композиции следует ограничить 7% Следует отметить, что полиэтиленовый воск повышает "жесткость" пастообразной массы при технологических температурах (повышение напряжения сдвига в потоке массы), что ведет к более медленному заполнению полости пресс-формы массой. Уменьшение скорости потока массы обеспечивает более полное удаление воздуха из полости пресс-формы, что уменьшает образование таких дефектов моделей, как "утяжины". Однако в ряде случаев для сложных, протяженных, тонкостенных моделей необходимы значительные скорости модельной массы для качественного оформления модели. Поэтому предлагаемая модельная композиция обеспечивает возможность регулирования (при необходимости) реологических свойств массы, не оказывая при этом практического влияния на величину линейной усадки модельной композиции.

В результате разработки, исследования и опробования модельной композиции установлено, что предлагаемая модельная композиция обеспечивает изготовление качественных моделей без снижения производительности труда по пресс-формам, предназначенным для модельных композиций В-1 и ВИАМ-102, и имеет промышленную применимость.

Использование предлагаемой модель композиции обеспечивает по сравнению с модельными композициями В-1 и ВИАМ-102 следующие преимущества:
уменьшение брака пот геометрии за счет увеличения прочности и теплоустойчивости моделей;
уменьшение брака моделей по трещинам за счет повышения трещиноустойчивости;
увеличение стабильности процесса изготовления моделей за счет сохранения постоянства свойств возврата модельной композиции, так как отсутствуют в составе вымываемые в воде ингредиенты.

Провести расчет экономической эффективности в настоящее время не представляется возможным из-за постоянного изменения цен на составляющие модельных композиций, энергоносители и расценки на изготовление моделей, литейных форм, отливок и пресс-форм.

Основываясь на результатах опробования предлагаемой модельной композиции, расчет экономической эффективности следует производить по следующим показателям:
снижение стоимости материалов модельной композиции;
снижение брака моделей по геометрии на 10 12%
снижение брака моделей по трещинам на 80 90%
снижение затрат на применение дополнительного триэтаноламина, расходуемого для восстановления свойств возврата массы после регенерации;
снижение затрат не теплоносители (электроэнергию) для регенерации возврата массы в 2-3 раза.

Экономический эффект от снижения стоимости материалов модельной композиции выполнен в ценах 1990 г. с коэффициентом увеличения цен на октябрь 1992 г. K 50.

Стоимость материалов за 1 кг в 1990 г. руб.

Полиэтилен 1,59
Парафин 0,21
Буроугольный воск 2,20
Торфяной воск 3,50
Канифоль 2,47
Битум БНК 45/190 0,06
Полиэтиленовый воск ПВ-300 1,60
Триэтаноламин 0,86
Стоимость материалов 1 кг массы БИАМ-102 составляет:
C_ВИАМ= (0,21 • 0,25) + (2,2 • 0,35) + (3,5 • 0,35) + (0,86 • 0,05) 2,1 руб.

Стоимость материалов 1 кг предлагаемой массы составит:
C_предл.= (0,21 • 0,55) + (1,59 • 0,04) + (2,2 • 0,2) + (2,47 • 0,15) + (0,06 • 0,06) 0,9 руб.

Годовой выпуск модельных композиций В-1 и ВИАМ-102 составляет порядка 600 т/г.

Годовой экономический эффект составит:
Э_год.90г=(C_ВИАМ C_предл.) • 600000 720000 руб./г.

С учетом повышения цен экономический эффект на сентябрь 1992 г. составит:
Э_год.92г.=720000 • 50 36000000 руб./г.

Использование: в литье по выплавляемым моделям. Сущность изобретения: модельная композиция для выплавления моделей на основе парафина, буроугольного воска, битума нефтяного и дополнительного содержания полиэтилен и канифоль, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: парафин 55,5 - 56,5; буроугольный воск 20 - 22; битум нефтяной 6 - 7; полиэтилен 3,5 - 4,5; канифоль 10 - 15. Кроме того, для уменьшения утяжин в модельную композицию может быть дополнительно введен полиэтиленовый воск ПВ-300 в количестве 5 - 7 мас.% 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Композиция для изготовления выплавляемых моделей, включающая парафин, буроугольный воск и битум нефтяной, отличающаяся тем, что дополнительно содержит полиэтилен и канифоль при следующем содержании ингредиентов, мас.

Парафин 55,5 56,5
Буроугольный воск 20 22
Битум нефтяной 6 7
Полиэтилен 3,5 4,5
Канифоль 10 15
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит 5 7 мас. полиэтиленового воска.