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

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

При разработке новых модельных составов для выплавляемых моделей точных и сложных по форме отливок деталей в освоенном и оснащенном пресс-формами производстве наиболее важным является сохранение преемственности модельным составом величины линейной усадки и теплостойкости при одновременном улучшении других параметров: уменьшение склонности модельного состава к образованию утяжин на поверхности моделей; увеличение производительности пресс-форм за счет сокращения времени выдержки моделей в пресс-форме и др.

Наиболее широкое распространение до недавнего времени имели модельные композиции В-1, ВИАМ-102 [1,2] Р-3 [2] МВС-3А, МВС-15, МВС-19 [3,4]
Модельные композиции Р-3 и МВС имеют низкую теплостойкость и значительную линейную усадку, превосходящую линейную усадку В-1 и ВИАМ-102.

Модельные композиции В-1 и ВИАМ-102 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.

Однако, в настоящее время производство масс В-1 И ВИАМ-102 практически прекращено из-за дефицитности торфяного воска, а поступающие партии этих масс на заводы (г. Омск, г. Уфа) на конец 1994 г. имели настолько низкое качество, что приводило к массовому браку моделей и отливок. Вопросы по производству торфяного воска возникали на заводе "Горный воск" (Беларусь) еще 12-15 лет назад, что заставило ВИАМ разработать модельные составы В5 и В5-К, не содержащие торфяного воска. Однако эти модельные составы не нашли применения из-за низкой трещиноустойчивости и значительной усадки (1,2-1,3%).

Известен модельный состав [5] условно названный в производстве ОН-4: парафин 22-25% буроугольный воск 45-47% битум нефтяной кровельный 26-27% триэтаноламин 3-5% который по линейной усадке и теплостойкости соответствует массам В-1 и ВИАМ-102.

Промышленное опробование данной модельной композиции на ряде заводов (г. Омск, г. Тюмень) выявило ряд недостатков: недостаточная теплостойкость; недостаточная твердость и выделение неприятного запаха битума при расплавлении массы; появление утяжин на массивных частях моделей, что требует увеличения времени прессования моделей.

Учитывая реальные условия производства по его оснащенности приборами регулирования температурных параметров модельных масс, оборудованием для подготовки масс и их запрессовке в пресс-формы, возможность регулирования временных параметров процесса (как правило нарушаются и температурные и временные параметры процесса), была проведена работа по разработке модельного состава с повышенными свойствами, обеспечивающими повышение качества моделей и увеличение производительности процесса изготовления моделей.

Целью изобретения является повышение качества моделей за счет уменьшения склонности модельного состава к образованию утяжин на поверхности моделей, при одновременном повышении производительности процесса изготовления моделей за счет сокращения времени выдержки моделей под давлением в пресс-форме.

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

Парафин 44-46
Буроугольный воск 17-18
Битум нефтяной 5-6
Полиэтилен 3-4
Канифоль 10-11
Полиэтиленовый воск 13-16
Триэтаноламин 3-4
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что состав заявляемой модельной композиции отличается от известного введением новых компонентов, а именно, полиэтилена, полиэтиленового воска и канифоли. Известны технические решения в которых используются полиэтилен, полиэтиленовый воск и канифоль в качестве ингредиентов модельного состава. Причем, при использовании в рецептурах буроугольного воска и триэтаноламина полиэтилен и полиэтиленовый воск отсутствуют. Использование указанных ингредиентов одновременно в одной рецептуре выявлено не было. Это обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию "новизна".

Анализ известных модельных композиций [1-5] для приготовления моделей и практика заводов показали, что введенные в заявляемую модельную композицию вещества известны. Например, известно, что при увеличении содержания в массе полиэтилена повышается трещиноустойчивость массы (ПП10), но увеличивается линейная усадка и склонность к образованию утяжин. Увеличение содержания в массах буроугольного воска увеличивает линейную усадку и снижает трещиноустойчивость масс. Увеличение содержания в массах канифоли снижает линейную усадку, но увеличивает время затвердевания моделей. Увеличение содержания полиэтиленового воска несколько увеличивает линейную усадку, но резко сокращает время затвердевания моделей. Одним из нерешенных вопросов до настоящего времени оставался вопрос получения однородного расплава при сочетании битумов с полиэтиленом и полиэтиленовым воском, так как последние при вводе в массы В-1 и ВИАМ-102 выделялись в виде хлопьев и не давали ожидаемого эффекта. В предлагаемой модельной композиции при значительном содержании полиэтилена и полиэтиленового воска в сочетании с другими ингредиентами и при выбранном их соотношении ингредиенты растворяются полностью и проявляют, кроме указанных, такие свойства, которые не проявляются при другом соотношении, а именно: пониженную склонность к образованию утяжин на поверхности моделей; повышенную скорость затвердевания моделей; стабилизацию линейной усадки при повышении гомогенности массы. Это достигается тем, что композиция содержит повышенное количество ингредиентов, хорошо растворяющихся, полиэтилен и полиэтиленовый воск, и пониженное содержание битумов.

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 заявляемой модельной композиции были приготовлены 35 составов, рецептуры которых приведены в табл.1, 3, 5, 6.

Для приготовления модельных композиций использовали термостаты с маслянными рубашками и механическими мешалками. Для приготовления базовой массы Г 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, битум и буроугольный воск. После расплавления буроугольного воска расплав перемешивали 30 мин, охлаждали до температуры 120-130^oC, процеживали через металлическую сетку 014-016 и разливали в изложницы или в рабочий термостат для получения пастообразной массы с температурой прессования.

Модельные составы с N 2 по N 27 готовились на основе заранее приготовленной базовой массы Г состава, мас. парафин 56,0, полиэтилен 4,0, канифоль 12,5, битум БНК 6,5, буроугольный воск 21.

Модельные составы N 28, 29, и 30 готовились самостоятельно.

Приготовление модельных составов производилось путем расплавления базового состава до температуры 150-160^oC, введения в расплав полиэтиленового воска, его расплавления и перемешивания расплава в течение 15 мин. Последним при температуре 150-160^oC вводился триэтаноламин и расплав перемешивался в течение 30 мин, охлаждался до температуры 120-130^oC, процеживался и сливался в изложницы или рабочий термостат для приготовления пастообразной массы.

Изготовление образцов и моделей производилось при следующих технических параметрах, представленных в табл. А.

Определение свойств модельных композиций в основном производилась по общепринятым методикам. Трещиноустойчивость определялась на стояках размерами 40х40 мм 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 12-18^oC после образования корочки модельной массы в заливочном отверстии. Твердость масс определялась на литом образце толщиной не менее 10 мм путем вдавливания металлического шарика ⊘ 10 мм в течение 1 мин при усилии в 10 кг и температуре испытуемого образца 20±2^oC. Оценка величины утяжин производилась как на прямоугольных образцах сечением 10х10 мм, так и на моделях с толщиной стенок 4 мм и бобышками o 20 мм и h 20 мм, крупинчатость масс определялась визуально при переходе расплава из жидкого состояния в пастообразное.

Поиск искомого решения задачи включал в себя следующие предпосылки: уменьшение склонности модельного состава к образованию утяжин на моделях происходит в том случае, когда разница между технологическими температурами прессования масс и температурой их плавления больше, так как жидкой фазы в пастообразном составе будет меньше, что и определяет уменьшение объемной усадки модели и повышение прочности первоначально образованной на поверхности раздела модель пресс-форма корочки; уменьшение содержания жидкой фазы в модельном составе, находящемся в пастообразном состоянии, приводит к более быстрому затвердеванию моделей и к возможности более быстро извлекать модель из пресс-формы; для предотвращения выделения в массе при ее охлаждении из расплава хлопьевидных агрегатов (крупинчатость массы) применяют диспергатор, например, применяемый в модельных массах триэтаноламин (применяется в В-1 и ВИАМ-102 как пластификатор буроугольный и торфяных восков для повышения трещиноустойчивости масс).

Из табл.1-7 следует, что предпосылка по выбору ингредиентов и их взаимодействию подтвердилась и на этой основе предлагается новая модельная композиция, которая отвечает цели поставленной задачи.

Анализ данных табл.3 и 4 показывает, что с повышением содержания в составе полиэтиленого воска (составы 1-9) склонность модельной композиции к образованию утяжин понижается, а скорость отверждения моделей в пресс-форме увеличивается. Эти показатели становятся стабильными при содержании полиэтиленового воска выше 15% Однако наряду с положительным эффектом (отсутствие утяжин, быстрое твердение моделей, повышение твердости моделей, повышение прочности, высокая теплостойкость, высокая трещиноустойчивость, малое содержание влаги в возврате) возникает и такой отрицательный эффект, как увеличение линейной усадки и крупинчатость массы (выделение из расплава хлопьевидных конгломератов), что затрудняет прессование моделей.

Для дальнейших исследований были приняты составы N 5 и N 6, имеющие незначительное увеличение линейной усадки и появление крупинчатости массы в начале стадии проявления данного эффекта.

Анализ результатов введения в состав масс триэтаноламина (диспергатора) установил, что введение триэтаноламина в количестве 1-2% при содержании полиэтиленового воска 15-20% (составы NN 10, 11, 18) существенного влияния на крупинчатость массы не оказывает, но уменьшает линейную усадку практически до величины линейной усадки базового состава (N 1, N 2). Оптимальное влияние триэтаноламин оказывает при содержании 3-5% При этом модельные составы NN 12, 13, 14, 19, 20, 21 имеют стабильную линейную усадку, однородность по внешнему виду при технологической температуре прессования (56-58^oC), отсутствие утяжин на моделях, быстрое отвердевание в пресс-форме, достаточно высокие показатели по прочности, трещиноустойчивости, твердости при малой зольности и малом влагосодержании, хотя последнее несколько и увеличивается по сравнению с составами, не содержащими триэтаноламина. При дальнейшем увеличении содержания триэтаноламина в массе излишне увеличивается пластичность массы, что затрудняет отделку моделей (составы NN 15, 16, 17, 22, 23, 27). При содержании полиэтиленового воска в составе менее 15% (составы NN 24, 25, 26) введение в массу 3-4% триэтаноламина не уменьшает возможность возникновения утяжин на массивных участках моделей. При содержании полиэтиленового воска выше 20% (состав N 27) введение в массу даже 6% триэтаноламина не приводит к снижению линейной усадки до уровня базового состава.

Исходя из полученных результатов экспериментов в качестве основных выбраны составы NN 12, 13, 14, 19, 20, 21. В табл. 5 приведены рецептуры модельных составов в пересчете на содержание ингредиентов, исходя из 100%
В табл.6 приведена рабочая рецептура предлагаемой новой модельной композиции (граничные составы N 28, 30 и средний состав N 29).

В табл.7 приведены свойства составов N 28 и 29, 30 после пятикратного и десятикратного переплава в горячей воде. Из данных табл.7 следует, что предлагаемый модельный состав стабилен по своим свойствам и превосходит прототип по склонности к образованию"утяжин и скорости отвердения моделей в пресс-форме.

Основываясь на данных табл.4 (п. 11), снижение склонности предлагаемой модельной композиции к утяжинам и увеличение скорости отверждения моделей в пресс-форме можно объяснить уменьшением жидкой фазы в модельном составе в момент запрессовки его в пресс-форму, так как с увеличением содержания полиэтиленового воска в массе ее температура плавления повысилась на 10^oC, а технологическая температура прессования только на 4^oC (t_пр базовой массы 53^oC, t_пр предлагаемой массы 57^oC). Таким образом, технологическая температура прессования предлагаемой массы на 6^oC ниже от начальной температуры образования жидкой фазы в массе, по сравнению с прототипом (предлагаемая масса t_пл. t_пр. 74^oC 57^oC 17^oC; прототип t_пл. t_пр. 64^oC 53^oC 11^oC).

Введение диспергатора (триэтаноламина) в составе массы способствует образованию более гомогенного состава по всему объему массы, что делает ее более однородной, со стабильными свойствами (выделение из расплава массы полиэтиленов в период охлаждения расплава до пастообразного состояния в мелкодисперсном виде). Удаление триэтаноламина из массы при выплавлении в горячей воде (что происходит в массе В-1 и ВИАМ-102) препятствуют такие гидрофобные вещества, как битум БНК, полиэтилен и полиэтиленовый воск, что позволяет использовать 100% возврата массы для изготовления моделей деталей, а не только элементов литнико-питающих систем.

В результате разработки, исследований и опробования модельной композиции установлено, что предлагаемая модельная композиция обеспечивает изготовление качественных моделей с увеличением производительности труда по пресс-формам, предназначенным для модельных композиций В-1; ВИАМ-102 и ОН-8, может использоваться как самостоятельно, так и в качестве пластификатора составов типа МВ и имеет промышленную применимость.

Использование предлагаемой модельной композимции обеспечивает по сравнению с модельными композициями В-1, ВИАМ-102 и ОН-4 [6] следующие преимущества:
уменьшение брака моделей по утяжинам;
уменьшение брака моделей по геометрии за счет повышенной жесткости моделей при извлечении из пресс-форм;
повышение производительности труда при изготовлении моделей за счет более быстрого твердения моделей в пресс-формах;
сокращение брака моделей по трещинам по сравнению с В-1 и ВИАМ-102.

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

Основываясь на результатах опробования предлагаемой модельной композиции на конкретном производстве, расчет экономичсекой эффективности следует производить по следующим показателям:
снижение брака моделей по утяжинам на 90-95%
снижение брака моделей по геометрии на 10-20%
увеличение производительности труда на 30-35%
Литература
1. Литье по выплавляемым моделям./ Под ред. Я.И. Шкленника и В.А Озерова. М. Машиностроение, 1971, с. 130-135.

2. Литье по выплавляемым моделям./ Под ред. Я.И. Шкленника и В.А. Озерова. М. Машиностроение, 1984, с. 114-132.

3. Н.Р. Рошан. Модельные составы, выпускаемые централизованно. Литейное производство. 1982, N 5, с. 36-37.

4. В.А. Ознров. Специальная технология литья в авиационной промышленности. Литье по выплавляемым моделям. Учебное пособие. Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР и МАТИ им. К.Э. Циолковского М. 1981, с. 14-29.

5. В. В. Аппилинский, О.М. Деуля, М.М. Дорошенко, И.М. Борко, В.И. Зайцев. Композиция для изготовления выплавляемых моделей, авт. св. N 1342583, 08.07.87.

Изобретение относится к литью по выплавляемым моделям. Сущность изобретения: в модельную композицию для выплавляемых моделей на основе парафина, буроугольного воска, битума нефтяного, триэтаноламина дополнительно вводят полиэтилен, полиэтиленовый воск, канифоль, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: парафин 44-46; буроугольный воск 17-18; битум нефтяной 5-6; триэтаноламин 3-4; полиэтилен 3-4; полиэтиленовый воск 13-16; канифоль 10-11. 8 табл.

Модельная композиция для выплавляемых моделей, включающая парафин, буроугольный воск, битум нефтяной, триэтаноламин, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит полиэтилен, полиэтиленовый воск и канифоль при следующем соотношении ингредиентов, мас.

Парафин 44 46
Буроугольный воск 17 18
Битум нефтяной 5 6
Триэтаноламин 3 4
Полиэтилен 3 4
Полиэтиленовый воск 13 16
Канифоль 10 11п