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

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к литью по выплавляемым моделям, и в частности к литью лопаток ГТУ.

При разработке новых модельных составов для литья точных и сложных по форме деталей в освоенном производстве наиболее важным является сохранение преемственности модельных составов по величине линейной усадки и теплостойкости при одновременном улучшении других параметров: возвратность масс, исключение из состава дефицитных материалов, снижение стоимости, повышение экономичности процесса применения модельных составов.

В настоящее время наиболее широкое распространение для изготовления моделей литых лопаток ГТУ получили модельные составы МВ и МПВС-2. На металлургическом заводе АО "Пермские моторы" ведется изготовление выплавляемых моделей из эмульсионного модельного состава.

Каждый из этих модельных составов имеет свои достоинства и недостатки. Однако общим недостатком этих модельных составов является присутствие в них технической мочевины, которая вызывает брак лопаток по капиллярной дефектоскопии, из-за взаимодействия щелочного материала (карбамида) с кислым материалом керамической формы (гидролизованного раствора этилсиликата), в результате чего идет разрушение поверхностного слоя литейной формы и образование дефектов на поверхности отливок. Кроме того, происходит отравление водоемов сбросом отработанной мочевины, которая регенерации не подлежит.

Учитывая первый указанный недостаток при применении карбамида, большинство заводов перешло с массы МПВС-2 на МОН-1ОК на массу типа МВ, применяя различные модельные составы в качестве пластификатора от ПС и Р-3 до В-1 и ВИАМ-102. При этом проектируемая оснастка (пресс-формы моделей) для лопаток ГТУ рассчитывается из условий свободной линейной усадки массы МВ в 0,6-0,65% при теплостойкости пластфикатора не ниже 36^oC. Указанные характеристики массы МВ являются основными сравнительными характеристиками предлагаемой модельной композиции.

Свойства модельной композиции типа МВ в первую очередь зависят от свойства пластификатора. В настоящее время наилучшим прастификатором для масс типа МВ является модельная композиция, условно названная ОН-4, которая обладает достаточной гидрофобностью и плакирующим порошок карбамида свойством.

Модельный состав МАИ-ЗШ (или МАИ-165), имеющий близкую линейную усадку составу МВ, не нашел широкого применения и был вытеснен с производства модельной композицией МВ на ряде заводов (например, ММЗ "Салют" г. Москва).

Поэтому в качестве прототипа выбрана известная модельная композиция ОН-4, содержащая, мас. парафин 22-25; буроугольный воск 45-47; битум нефтяной 26-27; триэтаноламин 3-5.

Недостатком данной модельной композиции являются: недостаточная теплостойкость; большая (0,8-0,9%) линейная усадка; неприятный запах битума при расплавлении массы. Первые два недостатка исключают ее применение для изготовления моделей лопаток без введения наполнителя.

Целью изобретения является повышение качества моделей и отливок, а также экологичности процесса изготовления выплавляемых моделей за счет исключения из модельной композиции карбамида (наполнителя), повышения теплостойкости и уменьшения величины свободной линейной усадки модельной композиции.

Цель достигается тем, что модельная композиция для выплавляемых моделей, включающая парафин, буроугольный воск, дополнительно содержит полипропилен, асфальт бутановой деасфальтизации и канифоль при следующем содержании ингредиентов, мас.

Парафин 45-47
Буроугольный воск 21-22
Полипропилен 0,8-1,5
Асфальт (АБД) 12-13
Канифоль 17,5-20,2
Сопоставимый анализ заявляемого решения с прототипом позволяет сделать вывод, что состав заявляемой модельной композиции отличается от известного введением новых компонентов, а именно: полипропилена, асфальта бутановой деасфальтизации (АБД) и канифоли. Применение в качестве ингредиента модельной комопзиции полипропилена заявителем в источниках информации обнаружено не было. Известны работы по применению АБД (Асфальт бутановой деасфальтизации (АБД) компонент модельного состава. Технические условия, ТУ 38.40121-85, на опытные партии, вводятся впервые, УДК, группа Б 48, утверждены директором БашНИИ НП) в качестве ингредиента модельной композиции в АО УМПО (г. Уфа), но конкретные сведения в литературе не обнаружены. Известны технические решения, в которых используются парафин, буроугольный воск, канифоль в качестве ингредиентов модельных составов. Использования указанных ингредиентов одновременно в одной рецептуре в сочетании с полипропиленом и АБД выявлено не было. Это обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию "новизна".

Введение в состав модельной композиции полипропилена обеспечивает значительное снижение величины линейной усадки (линейная усадка полипропилена 1% от температуры 225^oC, а, например, полиэтилена 4,5% от 170^oC), ее стабилизацию, высокую трещиноустойчивость и жесткость модельной массы. Введение АБД вместо нефтяного битума обеспечивает устранение неприятного запаха, снижение линейной усадки массы при ее одновременном повышении жесткости, так как битум БНК при температуре 20-25^oC находится в полужидком состоянии, а АБД в твердом. Введение канифоли в модельный состав способствует уменьшению линейной усадки и повышению пластичности массы в момент прессования моделей, что обеспечивает пропрессовку моделей со стенками до 0,8 мм и протяженностью до 250 мм. Введение в модельный состав полиэтиленового воска ПВ-300 не оказывает существенного влияния на свойства массы и поэтому в рецептуру полиэтиленовый воск не включен.

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 было приготовлено 35 составов, рецептура которых приведена в табл.1 и 3.

Для приготовления модельной композиции использовались термостаты с масляными рубашками и механическими мешалками. В термостат загружали парафин, доводили его температуру до 210-220^oC, небольшими порциями вводили полипропилен в виде гранул при постоянном перемешивании и полностью его растворяли. В сплав поочередно вводили канифоль, АБД, буроугольный воск, полиэтиленовый воск, поддерживая температуру в 150-160^oC и постоянно перемешивая расплав в течение 30 мин. Охлаждали расплав до 130-140^oC, процеживали через сетку 014-016 и разливали на металлическую водоохлаждаемую плиту слоем 3-5 мм. Перед прессованием моделей чешуйки закладывали в термостат и нагревали до температуры 52-56^oC.

Изготовление образцов и моделей производилось при следующих технологических параметрах, представленных в табл.4.

Определение основных свойств модельных композиций производилось 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 16-18^oC после образования корочки модельной массы в заливочном отверстии. Твердость определялась на литом образце толщиной не менее 10 мм путем вдавливания металлического шарика ⊘ 10 мм течение 1 мин при усилии 10 кг и температуре испытуемого образца 20±2^oC.

В табл.2 и 5 приведены результаты исследований. Из табл.1-5 следует, что предпосылка по выбору ингредиентов и их взаимодействию подтвердилась и на этой основе предлагается новая модельная композиция, которая по своим основным свойствам превосходит прототип и отвечает цели поставленной задачи, т. е. имеет характеристики модельной композиции МВ, но обладает более стабильной трещиноустойчивостью и не содержит карбамида в качестве наполнителя, отрицательно влияющего на качество отливок и экологию.

Анализ данных таблиц показывает, что введение в состав полипропилена снижает линейную усадку модельной композиции при достаточных прочности, жесткости, трещиноустойчивости и теплостойкости. Отсутствие полипропилена в составе (составы 10, 11) приводит к резкому увеличению величины линейной усадки. При содержании полипропилена 0,5% (состав 12) линейная усадка остаются достаточно большой. Необходимое влияние на линейную усадку полипропилен оказывает при содержании не менее 0,8% (составы 1-4, 13). При содержании полипропилена более 1,5% (составы 2-7, 8, 22) в составе ниже температуры 110^oC образуются хлопьевидные конгломераты ("крупинчатость"), что затрудняет изготовление моделей и выплавление массы из керамических оболочек. Следовательно, оптимальное содержание полипропилена в массе укладывается в 0,8-1,5% оказывая положительное влияние на свойства массы.

Введение в состав АБД положительно влияет на линейную усадку и трещиноустойчивость модельного состава. При содержании АБД менее 10% (состав 16) и оптимальном содержании полипропилена трещиноустойчивость массы значительно снижается. При увеличенном содержании полипропилена и уменьшенном содержании АБД (состав 7) при сохранении высокой трещиноустойчивости повышается линейная усадка. При увеличении содержания АБД уменьшается твердость и жесткость массы. Оптимальным следует считать содержание АБД в массе в пределах 12-13%
Увеличение в составе содержания буроугольного воска нежелательно из-за его дефицитности и возможности снижения трещиноустойчивости. Снижение же его в составе (состав 5) ведет к понижению твердости и жесткости модельной массы.

Снижение содержания канифоли (составы 1, 6) ведет к повышению содержания парафина или АБД, что отрицательно влияет на твердость, жесткость и теплостойкость массы. Увеличение содержания канифоли в составе приводит к увеличению времени твердения модели в пресс-форме из-за большой теплоемкости ингредиента.

Введение полиэтиленового воска оказывает незначительное положительное влияние на жесткость модельной композиции, но при содержании уже 6,5% приводит к повышению линейной усадки (составы 19, 20). Поэтому ввиду незначительности влияния на свойства предлагаемой модельной композиции полиэтиленовый воск в рецептуру не введен.

В результате разработки, исследований и опробования предлагаемой модельной композиции (работа проводилась в течение 3,5 лет и приготовлено было 120 различных составов) установлено, что предлагаемая модельная композиция обеспечивает изготовление качественных лопаток ГТУ по пресс-формам, предназначенным для использования модельных композиций типа МВ, многооборотна (опробована на АО МКБ г. Омска, ММЗ "Салют" г. Москва, АО "Пермские моторы" г. Пермь).

Использование предлагаемой модельной композиции обеспечивает по сравнению с модельной композицией типа МВ и эмульсионными массами следующие преимущества:
уменьшение брака отливок по капиллярной дефектоскопии на 50% (было 6-8% стало 3-4%);
ликвидируется загрязнение водного бассейна сбросами карбамида;
многоразовость использования модельного состава, так как он не изменяет технологических свойств и возврат используется как свежая масса для изготовления моделей деталей;
повышается размерная точность моделей, связанная с высокой стабильностью линейной усадки модельной массы;
повышается качество из-за практического отсутствия трещин на моделях.

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

Основываясь на результатах опробования предлагаемой модельной композиции расчет экономической эффективности следует производить по следующим показателям: ликвидация расхода карбамида 10 т/год для 1 зрвода; снижение брака отливок 2000 шт для 1 завода; потери массы В-1 (пластификатор) 8 т/год.

Использование: в литье по выплавляемым моделям лопаток ГТУ. Сущность изобретения: модельная композиция для выплавляемых моделей на основе парафина и буроугольного воска дополнительно содержит полипропилен, асфальт бутановой деасфальтизации и канифоль при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: парафин 45-47; буроугольный воск 21-22; полипропилен 0,8-1,5; асфальт бутановой деасфальтизации 12-13; канифоль 17,5-20,2. 5 табл.

Модельная композиция для выплавляемых моделей, включающая парафин, буроугольный воск, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит полипропилен, асфальт бутановой деасфальтизации и канифоль при следующем содержании ингредиентов, мас.

Парафин 45 47
Буроугольный воск 21 22
Полипропилен 0,8 1,5
Асфальт бутановой деасфальтизации 12 13
Канифоль 17,5 20,2и