СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ НА ГИПСОВОМ СВЯЗУЮЩЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК ИЗ ЦВЕТНЫХ И ДРАГОЦЕННЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2001 года по МПК B22C1/18 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении форм и стержней на гипсовом связующем, преимущественно в производстве тонкорельефных художественных и ювелирных отливок из цветных и драгоценных сплавов, получаемых литьем по выплавляемым моделям (ЛВМ).

В настоящее время в художественном и ювелирном литье наибольшее распространение получили смеси на гипсовом связующем импортные "К- 90", "Суперкаст", "Ультравест" [1, 2] , а также отечественные "Ювелирная-1" и "Ювелирная-2" [2]. Однако импортные смеси дороги, а отечественные имеют пониженный уровень текучести смеси, уменьшающий точность воспроизведения микрорельефа моделей. Кроме того, наблюдается снижение прочности форм из перечисленных смесей в горячем состоянии в результате разложения гипса - единственного связующего компонента.

Наиболее близкой по технической сущности является смесь для изготовления керамических форм и стержней при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов [3]. Смесь включает гипс, динасовый порошок, пылевидный возгон шамотного производства, алюмохромфосфатное связующее и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Гипс - 10...14
Динасовый порошок - 50...63
Пылевидный возгон шамотного производства - 3,7...7,0
Алюмохромфосфатное связующее - 0,003...0,020
Вода - Остальное
Известная смесь обеспечивает получение необходимого уровня реологических свойств (текучесть, продолжительность затвердевания) смеси для изготовления художественных и ювелирных отливок по выплавляемым моделям.

Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:
- повышенный коэффициент термического расширения смеси при нагреве до температур прокалки является причиной трещинообразования форм и стержней;
- низкая седиментационная устойчивость коллоидного водного раствора алюмохромфосфатного связующего в составе смеси прототипа не обеспечивает стабильность реологических свойств смеси и форм на гипсовом связующем;
- низкая смачиваемость водной гипсовой суспензией выплавляемых воскообразных моделей приводит к снижению воспроизводимости смесью их конфигурации и нарушению качества тонкорельефной поверхности отливок;
- неудовлетворительный комплекс прочностных характеристик форм и стержней, в особенности при изготовлении художественных и ювелирных отливок, отличающихся сложнопрофильностью и тонкорельефностью;
- недостаточные физико-механические свойства форм и стержней вызывают увеличение брака художественных и ювелирных отливок по засорам, наплывам и шероховатости поверхности.

Кроме того, при изготовлении смеси по прототипу удаление смеси из развитых полостей тонкорельефных отливок затруднено, что увеличивает трудоемкость зачистных работ и приводит к безвозвратным потерям драгоценных и цветных сплавов.

В основу изобретения положена задача создать такую смесь, которая обеспечила бы повышение физико-механических свойств форм и стержней на гипсовом связующем и стабильность технологического процесса их изготовления, а также улучшение качества поверхности ювелирных и художественных отливок, отличающихся тонкорельефностью.

Указанная задача решается таким образом, что смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем, используемая в производстве тонкорельефных художественных и ювелирных отливок из цветных и драгоценных сплавов, включающая гипс, динасовый порошок, фосфоросодержащую добавку и воду, согласно изобретению в качестве фосфоросодержащей добавки содержит алюмоборфосфатный концентрат, а также дополнительно отход производства оптических стекол и щавелевую кислоту при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Гипс - 12...15
Динасовый порошок - 24...30
Отход производства оптических стекол - 24...30
Алюмоборфосфатный концентрат - 0,02...0,04
Щавелевая кислота - 0,03...0,08
Вода - Остальное
Введение в смесь отхода производства оптических стекол (ОПОС) за счет дополнительной с гипсом компенсации расширения динаса при нагреве обеспечивает уменьшение коэффициента термического расширения (КТЛР) форм и стержней, повышение их точности и прочности вследствие значительного содержания указанной технологической добавки, имеющей высокие показатели дисперсности и удельной поверхности.

Уменьшение КТЛР позволяет увеличить интенсивность тепловой обработки форм и стержней на гипсовом связующем без их разрушения и трещинообразования. В результате появляется возможность снизить энергоемкость и себестоимость производства отливок.

Снижение КТЛР и улучшение за счет этого точности форм и стержней на гипсовом связующем во многом определяются фазовым составом ОПОС. По данным рентгенофазового анализа (ДРОН-4) указанная технологическая добавка содержит 40...50% кварца и 60...50% кристобалита.

ОПОС образуется в процессе изготовления стекол высокой чистоты. Его химический состав приведен в табл. 1.

Введение в состав смеси алюмоборфосфатного концентрата (АБФК), являющегося высокотемпературным связующим материалом, способствует повышению прочности форм и стержней на гипсовом связующем, в особенности при температурах прокалки и заливки цветных и драгоценных сплавов.

Высокая седиментационная устойчивость коллоидного водного раствора АБФК, используемого в качестве затворителя смеси, обеспечивает стабильность реологических свойств суспензии на гипсовом связующем.

Введение в состав смеси щавелевой кислоты, обладающей свойствами поверхностно-активного вещества, уменьшает поверхностное натяжение водного затворителя и обеспечивает требуемую смачиваемость гипсовой суспензией поверхности воскообразных выплавляемых моделей. Поэтому наблюдается высокая степень воспроизводимости формой особо сложной конфигурации моделей и достигается повышение качества тонкорельефной поверхности художественных и ювелирных отливок.

Подготовку заявленной смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов осуществляют следующим образом. Перемешивают расчетное количество АБФК (ТУ 113-08-606-87), щавелевой кислоты и воды и получают затворитель смеси. Затем готовят сухую смесь из гипса, динаса и отхода производства оптических стекол путем перемешивания указанных ингредиентов.

Перед непосредственным изготовлением форм и стержней сухую смесь засыпают в предварительно подготовленный затворитель из расчета 380...400 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих. Смесь перемешивают и подвергают вибровакуумной обработке в течение 3...4 мин. После чего смесь может быть использована для изготовления форм и стержней.

Содержание в предлагаемой смеси ОПОС меньше 24 мас.% оказывается недостаточным для существенного снижения КТЛР при нагреве до температур прокалки. Введение в состав смеси указанной добавки в количестве более 30% не обеспечивает требуемый уровень реологических свойств гипсовой суспензии (текучесть, продолжительность затвердевания).

Количество АБФК в составе смеси 0,02...0,04 мас.% является оптимальным с позиций получения требуемых прочностных характеристик форм и стержней на гипсовом связующем, в особенности при повышенных температурах, и обеспечения оптимальной продолжительности отверждения смеси.

Содержание в смеси щавелевой кислоты в количестве 0,03...0,08 мас.% вызывает явление смачиваемости суспензией поверхности воскообразных выплавляемых моделей. Введение щавелевой кислоты в количестве более 0,08% приводит к выделению газов при подготовке суспензии на гипсовом связующем.

В заявленном составе предпочтительнее использовать высокопрочный гипс марок Г-16 (ГОСТ 125-79) и выше Самарского гипсового комбината и динас марки ЭД (ГОСТ 1566-71) Первоуральского динасового завода. Кроме того, может быть применен раздробленный и просеянный бой динасового кирпича, являющегося отходом производства при замене футеровки металлургических печей.

Предлагаемый состав смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем иллюстрируется следующим примером.

Пример. Готовят сухую смесь из гипса марки Г-16 (ГОСТ 125-79), динасового порошка и отхода производства оптических стекол. Перед изготовлением форм и стержней сухую смесь вводят в затворитель - предварительно подготовленный водный раствор АБФК (ТУ 113-08-606-87) и щавелевой кислоты - в количестве 380 мл на 1 кг сухих составляющих с последующим перемешиванием и вибровакуумной обработкой в течение 3...4 минут. Применяют вибрацию с амплитудой 0,3. . .0,55 мм и частотой 50 Гц. Поддерживают разрежение в емкости с гипсовой суспензией с остаточным воздушным давлением 1400 Па [2].

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют приготовление смеси на гипсовом связующем согласно прототипу, соблюдая то же наполнение суспензии и указанные параметры вибровакуумной обработки смеси. Составы смесей приведены в табл. 2.

Подготовленные смеси используют для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем с фиксацией их физико-механических свойств.

Показателями для сравнения являются коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) смеси в интервале температур 20...800^oC, смачивающая способность и седиментационная устойчивость затворителя, прочность форм при сжатии после сушки и остаточная (характеризует выбиваемость смеси).

КТЛР определяли на дилатометре "PAULIK", используя образцы диаметром 5 мм и высотой 30 мм.

Смачивающую способность затворителя оценивали по известной методике капиллярной пропитки пористой среды. Для этого измеряли в трубке диаметром 5 мм и высотой 300 мм равновесную высоту пропитки затворителем предварительно подготовленной смеси из кварцевого песка 2K₁O₃03 (ГОСТ 2138-91) и пылевидного кварца марки А (ГОСТ 9077-82), взятых в соотношении 3:1 по массе. Чем больше равновесная высота пропитки затворителем пористой среды, тем лучше его смачивающая способность и выше степень воспроизведения смесью на гипсовом связующем тонкорельефной поверхности моделей.

Седиментацию затворителя оценивали по ГОСТ 80772-78.

Прочность форм определяли, испытывая на сжатие стандартные образцы диаметром и высотой 50 мм после сушки на воздухе и после прокалки (700^oC, 2 часа) и охлаждения до комнатной температуры.

Результаты испытаний смесей приведены в табл. 3.

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси позволяет более чем в 2 раза уменьшить КТЛР, обеспечить смачиваемость гипсовой суспензией тонкорельефной поверхности моделей, а также стабильность формирования реологических свойств смеси за счет значительного увеличения седиментационной устойчивости затворителя. Также создаются условия для повышения прочностных характеристик форм и стержней на 30...40% при улучшении их выбиваемости.

Смесь опробована в художественном и ювелирном литье по выплавляемым моделям на номенклатуре отливок, отличающихся тонкорельефностью и особо сложной конфигурацией, показав улучшение качества их производства.

Учитывая улучшенный комплекс технологических свойств смеси, заявленный состав может быть также использован при изготовлении сложной литейной оснастки, в зубопротезном деле, в точном литье сложнопрофильных машиностроительных заготовок ответственного назначения.

Список литературы
1. Урвачев В.П., Кочетков В.В., Горина Н.Б. Ювелирное и художественное литье по выплавляемым моделям сплавов меди. - Челябинск: Металлургия, 1991. - 168 с.

2. Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литье. - СПб.: Политехника, 1996. - 213 с.

3. Патент РФ N 2129932. Смесь для изготовления керамических форм и стержней при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов и способ ее приготовления. / Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Крымский В.В. и др. Бюл. N 13, 1999 (прототип).

Изобретение относится к литейному производству. Смесь содержит, мас.%: гипс 12 - 15, динасовый порошок 24 - 30, отход производства оптических стекол 24 - 30, алюмоборфосфатный концентрат 0,02 - 0,04, щавелевая кислота 0,03 - 0,08, вода - остальное. Введение в смесь отхода производства оптических стекол за счет компенсации расширения динаса при нагреве обеспечивает уменьшение коэффициента термического расширения форм и стержней. Повышается точность и прочность форм и стержней. Улучшается качество поверхности ювелирных и художественных отливок, отличающихся тонкорельефностью. 3 табл.

Смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов, включающая гипс, динасовый порошок, фосфоросодержащую добавку и воду, отличающаяся тем, что она в качестве фосфоросодержащей добавки содержит алюмоборфосфатный концентрат, а также дополнительно отход производства оптических стекол и щавелевую кислоту при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Гипс - 12 - 15
Динасовый порошок - 24 - 30
Отход производства оптических стекол - 24 - 30
Алюмоборфосфатный концентрат - 0,02 - 0,04
Щавелевая кислота - 0,03 - 0,08
Вода - Остальное