ВСТАВКА, СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УКАЗАННОЙ ВСТАВКИ Российский патент 2007 года по МПК B22D7/10 B22C9/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к экзотермическим вставкам для получения прибылей минимального объема, применяемым для получения отливок, в особенности из пластичного железа, к способу изготовления вставок посредством вдувания и отверждения, а также к смеси, которая образует указанную вставку.

Уровень техники

Производство литых металлических изделий включает заливку расплавленного металла в литейную форму, отверждение металла путем охлаждения и извлечение отливки из литейной формы путем удаления или разрушения формы.

Литейные формы могут быть выполнены из металла, или же они могут быть получены из агрегатов различных материалов (керамика, графит, а в основном песок). Необходимо, чтобы эти формы имели литниковые каналы или литниковые системы для сообщения внутренней полости с внешними объектами. С помощью литниковых систем расплавленный металл заливают на стадии разливки или литья в литейную форму. Из-за усадки металла в процессе его охлаждения в форме должно быть предусмотрено некоторое количество переливных трубок, которые наполняют расплавленным резервным металлом с целью формирования прибыли, предназначенной для компенсации усадок металла или образовавшихся в нем полостей. Задачей прибыли является подпитка отливки, когда расплавленный металл в ней дает усадку, и поэтому металл должен оставаться в прибыли в жидком состоянии на более продолжительный период времени, чем эта отливка. В связи с этим прибыли обычно закрывают снаружи некоторым количеством вставок, образованных из изолирующих и/или экзотермических материалов, которые замедляют охлаждение металла, находящегося в прибылях для того, чтобы гарантировать его текучесть, когда в литом металле образуются полости.

Использование экзотермических вставок, охватывающих прибыли снаружи, позволяет уменьшить проблемы усадки и улучшить качество литых изделий, что позволяет использовать прибыли меньшего объема (мини-прибыли). Такое решение улучшает процесс производства отливок и уменьшает контактную поверхность прибыли с отливкой, устранение которой после извлечения отливки требует затраты денежных средств.

Экзотермические прибыли, как известно, получают на основе волокон, изготовленных по технологии жидкостной обработки, начиная с волокнистых огнестойких материалов, объединенных со смесью веществ, способных к производству экзотермической реакции, составленной из окисляемого металла, в качестве которого наиболее часто используют алюминий, окислителя и флюса или инициатора экзотермической реакции, который обычно представляет собой фторированный компаунд. Окисляемый металл при его смешивании с окислителем и флюсом и нагреве до очень высокой температуры окисляется с освобождением теплоты, количество которой определяется реализуемой химической реакцией.

Известно также, что экзотермические вставки на основе песка высоко ценятся при производстве ковких пластичных отливок из железа. В состав этих высокоплотных вставок на основе песка входит большее количество алюминия, которое столь велико, что получают очень большое количество выделяемой теплоты. Эта теплота необходима для увеличения температуры вставки, полученной на основе песка, до температуры, положительно влияющей на температуру металла в прибыли.

В 1997 году была внедрена технология с использованием вставок без волокнистого материала, дающая новую альтернативу выполнения экзотермических вставок. В международной заявке №97/00172 раскрыт способ вдувания и отверждения в холодных ящиках, обеспечивающий изготовление точных по размерам экзотермических и/или изолирующих вставок, производимых из смеси, вдуваемой в литейную форму, при этом указанная смесь состоит из алюмосиликатных микросфер с массовым содержанием окиси алюминия менее 38%, связующего вещества, предназначенного для отверждения смеси в холодном ящике, и при необходимости некоторого количества неволокнистого наполнителя. Типичная композиция для изготовления экзотермических вставок содержит полые микросферы с содержанием окиси алюминия менее 38 мас.%, алюминиевый порошок, окись железа и криолит в качестве фторированного флюса.

В настоящее время литейная промышленность располагает вставками, обеспечивающими получение так называемых мини-прибылей, функция которых также заключается в подпитке отливок жидким металлом, когда эти отливки в процессе затвердевания дают усадку.

Основная отличительная особенность вышеупомянутых известных экзотермических вставок заключается в том, что при их использовании металл сохраняется в жидком состоянии в течение более длительного времени, вследствие чего для реализации одной и той же операции подпитки изделия жидким металлом необходим меньший объем металла, т.е. мини-прибыль.

Такой результат достигается за счет увеличения содержания экзотермических компонентов вставки. Однако повышенная экзотермичность вставки приводит к нежелательным побочным эффектам, таким как:

1. Избыток остаточного алюминия в прибыли, который позднее переливается заново, что обуславливает проблемы, связанные с наличием пор в расплавленных изделиях. Данный дефект, известный как "рыбий глаз", представляет собой поверхностную дефектную раковину в отливке, возникшую за счет аккумуляции материалов, полученных при регенерации загрязненного песка, главным образом, за счет алюминия, который находится в высоких пропорциях в экзотермических вставках. Этот дефект можно устранить путем использования, например, полых микросфер из силиката алюминия с низким содержанием окиси алюминия, так как это описано в международной заявке WO 97/00172.

2. Разрушение узлов (отливки) в пределах площади контакта вставки с отливкой, что приводит к отбраковке отливок ввиду несоответствия техническим характеристикам в части узлов, необходимым для потребителя. Данная вторая проблема обусловлена избытком фтора, находящегося во фторированных материалах, которые обычно используют при проведении экзотермической реакции в качестве инициирующего заряда. Для устранения этой проблемы делают так, чтобы вставка не контактировала с отливкой, что делает необходимым использовать больше металла, или же используют промежуточный, не содержащий фтор элемент - изделие бисквитного обжига, приваренный к устью вставки и имеющий эквивалентное центральное отверстие, который предотвращает контакт самой вставки с отливкой. Наличие такого промежуточного элемента, его изготовление и присоединение к вставке обуславливают существенные дополнительные расходы.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение возникает в связи с потребностью в обеспечении такой вставки для получения мини-прибылей, которая не требует использования промежуточного элемента, не содержащего фтор, или какого-либо другого элемента, позволяющего избежать контактирования вставки с отливкой, и которая, кроме того, формирует в прибыли выемку, облегчающую ее отделение от отливки, при этом вставку формируют на основе вдуваемой смеси, не содержащей фтор, способной производить экзотермическую реакцию с выделением требуемого количества теплоты.

Исходной стадией получения вставки, в первую очередь, является вдувание не содержащей фтор смеси, которая будет формировать вставку, в литейную форму, снабженную двумя литейными стержнями, которые, с одной стороны, будут обеспечивать возможность извлечения вставки сразу после ее отверждения и, с другой стороны, формирование двух проходных отверстий. Одно из них расположено в существующем устье вставки, и в этом отверстии выполнена двухсторонняя внутренняя окружная фаска, позволяющая при выполнении вставкой своей функции в процессе литья образовать эквивалентную соответствующую канавку в прибыли. Другое отверстие образовано в основании, противоположном устью, и после затвердения вставки оно будет закрыто с помощью дешевого материала, поскольку этот участок вставки в процессе литья не выполняет рабочую функцию, и необходимо только, чтобы оно было закрыто с целью предотвращения попадания внутрь прибыли песка или другого нежелательного вещества.

Такую экзотермическую вставку для получения мини-прибылей изготавливают путем вдувания в холодный ящик и последующего отверждения в нем смеси, не содержащей фтор, которая включает в себя (а) полые сферы из алюминиевого силиката; (b) экзотермическое вещество, состоящее из а) изолирующего/огнеупорного материала, b) окисляемого металла, с) окислителя, d) магния в качестве инициатора реакции, е) катализатора, очищенного в холодном ящике.

Полые микросферы из алюминиевого силиката используют в основном как изолирующий материал. С целью улучшения механических свойств вставки в ущерб изолирующим свойствам могут быть также использованы, когда это необходимо, смеси этих микросфер с песком.

В качестве окисляемых металлов могут быть использованы алюминий, кремний и другие вещества. Предпочтительно использование алюминия в виде смеси мелкозернистого и крупнозернистого порошка.

В качестве окислителей могут быть использованы нитраты, хлораты, соли марганцовой кислоты, окислы металлов, например окислы железа и магния и, конечно, комбинации этих веществ.

Использование этих вставок позволяет производить высококачественные литые изделия без разрушения графитовых узлов в зоне контакта вставки с отливкой с пониженной стоимостью, сравнительно меньшей, чем в случае применения других известных способов, в соответствии с которыми выпускают отливки подобного качества, используя размещенный между прибылью и отливкой промежуточный элемент.

Краткое описание чертежей.

Фиг.1 иллюстрирует стадии изготовления вставки с помощью известного из уровня техники способа, предусматривающего вдувание и отверждение в холодном ящике. В этом случае смесь для производства вставок вводят под давлением в литейную форму 3 с установленным в ней литейным стержнем 2 (фиг.1А); затем вставку 1 отверждают и извлекают из формы, оставляя в ней внутреннюю полость 4 для прибыли (фиг.1В); и, наконец, к вставке прикладывают промежуточный элемент 5 (элемент бисквитного обжига), выполненный с отверстием 6 для прохода расплава (фиг.1С).

На фиг.2 показаны стадии производства экзотермической вставки по способу, включающему вдувание и отверждение в холодном ящике, соответствующему настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

В одном из аспектов настоящее изобретение относится к способу производства экзотермической вставки для получения мини-прибылей, осуществляемому путем вдувания и отверждения в холодном ящике, который включает в себя:

(A) введение с помощью вдувания в литейную форму с отверждением в холодном ящике, а именно в пространство, образованное между формой и двумя литейными стержнями, конфигурация которых образует в устье вставки двухстороннюю фаску, вдуваемой смеси для получения неотвержденной вставки, открытой с обеих ее концов, при этом указанная смесь включает в себя а) композицию для производства вставок, не содержащую фтор, созданную из: а.1) изолирующего/огнеупорного вещества, а.2) экзотермической смеси, состоящей из окисляемого металла, окислителя, способного производить экзотермическую реакцию, и магния в качестве вещества, инициирующего реакцию, и b) связующего вещества для отверждения в холодном ящике;

(B) приведение неотвержденной вставки, приготовленной на стадии (А), в контакт с катализатором для отверждения, проводимого в холодном ящике; (С) предоставление вставке, полученной на стадии (В), возможности затвердевания; (D) удаление отвержденной вставки из литейной формы; и (Е) размещение пробки в отверстии, противоположном устью вставки.

Как видно из фиг.2, в противоположность известным из уровня техники способам (см. фиг.1) в соответствии с предложенным способом не содержащую фтор смесь для получения экзотермических вставок вдувают внутрь литейной формы в пространство, образованное между формой 3 и литейными стержнями 2, 2' (фиг.2А). Стержни 2, 2', обеспечивающие также последующее извлечение вставки, формируют в устье вставки двухстороннюю фаску 8. Когда вставка 1 отверждается, ее извлекают из формы, и в ней остается внутренняя полость для прибыли 4 (фиг.2В); и, наконец, в открытом конце вставки 1 размещают пробку 9 для того, чтобы при проведении процесса литья предотвратить попадание песка или других нежелательных элементов внутрь полости, предназначенной для прибыли (фиг.2С).

Двухсторонняя фаска 8 вставки будет производить в прибыли выемку или канавку, соответствующую форме фаски, которая облегчает отделение прибыли от изделия и определяет положение линии отсечения.

Изолирующее/огнеупорное вещество (а.1), входящее в композицию для изготовления вставок, не содержащую фтор, в основном состоит из полых микросфер, выполненных из алюминиевого силиката, хотя оно могло бы содержать также определенное количество песка, если предположить, что за счет ухудшения изолирующей способности желательно улучшить механические свойства полученной вставки.

Как правило, массовое содержание изолирующего/огнеупорного вещества (а.1) по отношению ко всей композиции, не содержащей фтор, составляет от 30 до 70%.

Экзотермическое вещество (а.2), входящее в состав композиции, не содержащей фтор, предназначенной для производства вставок, включает в себя окисляемый металл и окислитель, способный вызывать экзотермическую реакцию, при этом указанное экзотермическое вещество содержит:

(i) магний в качестве элемента, инициирующего экзотермическую реакцию, вместе с одним или более окисляемых металлов, предпочтительно со смесью порошкообразного и гранулированного алюминия.

(ii) окислитель, способный реагировать с окисляемым металлом и производить экзотермическую реакцию при температуре разливки металла, при этом указанный окислитель выбирают из группы веществ, в которую входят (а) соли щелочных металлов и щелочноземельных металлов, например, нитраты, хлораты и перманганаты щелочных и щелочноземельных металлов; (b) окислы металлов, например, окислы железа и марганца; и (с) смеси веществ (а) и (b). Указанное экзотермическое вещество (а.2) представляет собой вещество неволокнистого типа, которое можно вдувать в форму.

Характерная особенность композиции для производства экзотермических вкладышей, соответствующей настоящему изобретению, заключается в том, что указанная композиция не содержит неорганического фторированного флюса, используемого, как правило, в качестве инициатора экзотермической реакции. Вместо него используют магний, который реагирует при более низких температурах, за счет чего экзотермическая реакция, происходящая между окисляемым металлом и окислителем, начинается раньше.

Реакция, происходящая между окисляемым металлом и окислителем, является экзотермической реакцией, при которой выделяется теплота, что увеличивает нагревательные свойства экзотермических вставок. Степень снижения температуры уменьшается за счет расплавленного металла в литниковом канале, который поддерживается при более высокой температуре и в жидком состоянии в течение более длительного периода времени.

В зависимости от необходимого уровня экзотермических характеристик вставки количество окисляемого металла, находящегося в экзотермическом материале (а.2), будет составлять от 20 до 30 мас.% по отношению к массе всей композиции для производства вкладыша, не содержащего фтор.

Способ, обеспечиваемый данным изобретением, позволяет получить экзотермические вставки с необходимым балансом изолирующих и экзотермических свойств только за счет выбора соответствующего массового содержания количеств изолирующего материала (а.1) и экзотермического материала (а.2), входящих в состав компонент А. Известны связующие вещества для отверждения в холодном ящике, которые могут быть использованы в смеси для производства вставок согласно способу их изготовления, раскрытому посредством данного изобретения. В принципе для отверждения в холодном ящике можно использовать любое связующее вещество, которое способно фиксировать не содержащую фтор исходную смесь, предназначенную для производства вставок, в виде вставки и полимеризоваться в присутствии катализатора процесса отверждения. В качестве примера могут быть использованы фенольные смолы, фенол-уретановые смолы, эпоксидные акриловые смолы, щелочные фенольные смолы, смолы из силикатов, и т.п., активируемые с помощью соответствующего катализатора в газовой фазе. В частном случае воплощения это связующее вещество для процесса отверждения в холодном ящике выбирают из эпоксидных акриловых смол, активированных с помощью SO₂ (газ), и фенольных уретановых смол, активируемых амином (газ), известных как связующие вещества для процесса отверждения в холодном ящике под наименованием EXACTCAST^® (Ashland).

Необходимое количество связующего вещества для процесса отверждения в холодном ящике соответствует эффективному для сохранения полученной формы вставки и обеспечения эффективного затвердевания, а именно, это такое количество указанного вещества, которое позволяет изготовить вставку, с которой после затвердевания можно производить какие-либо манипуляции. В качестве примера количество связующего вещества для процесса отверждения в холодном ящике будет составлять от 1 до 10 мас.% по отношению ко всей композиции для производства вставки.

Катализатор для отверждения в холодном ящике применяют в газообразном виде и делают так, чтобы он проходил через вставку до тех пор, пока последняя не достигнет необходимой консистенции. Таким газообразным катализатором может быть амин, двуокись углерода, метилформиат, сернистый газ и т.п. в зависимости от вида связующего вещества, используемого для отверждения смеси в холодном ящике.

Действуя надлежащим образом и выбирая компоненты композиции для производства вставок, можно изготовить экзотермические вставки с точными внешними и внутренними геометрическими размерами, которые после их изготовления могут быть легко присоединены в литейном цехе к сборочной конструкции литейной формы при отсутствии необходимости проведения дополнительных манипуляций.

Экзотермическая вставка, получаемая согласно способу, раскрытому посредством данного изобретения, является еще одним объектом данного изобретения.

Как видно на фиг.2, вставка 1, обеспечиваемая согласно настоящему изобретению, включает: (i) тело, которое окружает внутреннюю полость, предназначенную для размещения прибыли 4, и которое в устье выполнено с двухсторонней внутренней фаской 8, и (ii) пробку 9 в основании, противоположном расположению устья.

Двухсторонняя фаска 8 во вставке, обеспечиваемая настоящим изобретением, образована при вдувании смеси с помощью двух литейных стержней 2, 2'. Двухсторонняя фаска 8 предназначена для формирования в прибыли канавки или выемки, наличие которой облегчает отделение прибыли от полученной отливки.

Благодаря способу изготовления вставки, соответствующему данному изобретению, включающему комбинированное действие двух литейных стержней, получают два открытых конца вставки. На одном из указанных концов выполнена двухсторонняя фаска 8, в то время как другой конец закрыт пробкой 9 с целью предотвращения прохождения во внутреннюю полость вкладыша песка или какого-либо другого нежелательного элемента во время установки вкладыша на литейной форме и, конечно, при проведении процесса литья. Поэтому пробка 9 не имеет конструктивной задачи, и не играет роли в формировании или воздействии прибыли, и по этой причине используемым материалом при изготовлении пробки практически может быть любое вещество, предпочтительно, дешевый материал, такой как пластмасса, дерево, опилки, бумага, песок и т.п. или даже тот же материал, из которого изготавливают вставку.

Для сравнения ниже приведена таблица с указанием вдуваемых смесей с одной и той же способностью экзотермического обогрева, из которых в соответствии с данным изобретением получают экзотермические вставки с фторированным и не содержащим фтор флюсом.

Таблица
Стоимость смесей при одной и той же степени экзотермичности Миниприбыли при использовании фтораМиниприбыли без использования фтораМиниприбыли при использовании песка %%%Микросферы
Алюминий, тонкий порошок56
2254
2222Алюминий гранулированный6,06,06,0Магнетит (Fe₃O₄)4,04,04,0Криолит4,0 4,0Нитрат калия (KNO₃)8,010,08,0Магний 4,0 Песок 60/70  56Стоимость на килограмм смеси100100%100

Изобретение относится к области металлургии. Смесь включает связующее вещество и бесфтористую композицию, состоящую из изолирующего огнеупорного вещества и экзотермической смеси. Экзотермическая смесь включает окисляемое вещество, окислитель и магний. При изготовлении вставки смесь вдувают в холодный ящик с двумя стержнями и отверждают ее с помощью катализатора. Стержни формируют во вставке отверстие, открытое с обоих концов. Отвержденную вставку извлекают из холодного ящика и размещают пробку из пластмассы, дерева, опилок, бумаги, песка или материала вставки в одном из концов отверстия. Обеспечивается повышение качества отливок. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления экзотермической вставки для литейных форм, включающий вдувание смеси в пространство, образованное холодным ящиком и двумя стержнями, формирующими в неотвержденной вставке отверстие, открытое с обоих концов, внутреннюю двухстороннюю фаску в устье вставки и ровную поверхность с противоположной устью стороны, отверждение вставки в холодном ящике путем взаимодействия с катализатором, извлечение отвержденной вставки из холодного ящика, размещение пробки в отверстии вставки на конце, противоположном устью, при этом смесь включает в себя связующее вещество и бесфтористую композицию, состоящую из изолирующего огнеупорного вещества и экзотермической смеси, содержащей окисляемое вещество, окислитель, способный производить экзотермическую реакцию, и магний, инициирующий экзотермическую реакцию.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве изолирующего огнеупорного вещества бесфтористая композиция содержит силикат алюминия в виде полых микросфер.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окисляемого вещества экзотермическая смесь содержит алюминий, предпочтительно смесь из мелкозернистого и крупнозернистого порошка этого металла.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислителя экзотермическая смесь содержит вещество, которое выбирают из группы, включающей соли щелочных или щелочноземельных металлов, окислы металлов и смеси указанных веществ.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве окислителя экзотермическая смесь содержит вещество, которое выбирают из группы, включающей нитраты, хлораты и перманганаты щелочных или щелочноземельных металлов, окись железа, окись марганца и смеси указанных веществ.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что экзотермическая смесь представляет собой неволокнистое вещество.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве связующего смесь содержит вещество, которое выбирают из группы, включающей фенольные смолы, фенолуретановые смолы, акриловые смолы, щелочные фенольные смолы или силикатное связующее.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве связующего смесь содержит вещество, которое выбирают из группы, включающей акриловые смолы, активируемые SO₂ и фенолуретановые смолы, активируемые амином.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве катализатора для отверждения вставки используют газообразный катализатор.10. Способ по п.9, отличающийся тем, что в качестве газообразного катализатора используют вещество, которое выбирают из группы, включающей амин для активирования фенолуретановых смол, SO₂ для активирования акриловых смол, СО₂ или метилформиат для активирования щелочных фенольных смол, CO₂ для активирования силиката натрия.11. Экзотермическая вставка для литейных форм, характеризующаяся тем, что она имеет внутреннюю полость, предназначенную для образования прибыли, устье для входа расплава, выполненное с внутренней окружной двухсторонней фаской, формирующей в прибыли выемки или канавки эквивалентной геометрии, и пробку из пластмассы, дерева, опилок, бумаги, песка или вещества, из которого изготавливают вставку, размещенную в основании, противоположном устью, при этом вставка изготовлена в соответствии со способом по п.1.