СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ В ТОЧНОМ ЛИТЬЕ И СПОСОБ ЕЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК B22C1/18 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении керамических форм и стержней в производстве из сплавов цветных и черных металлов литьем по выплавляемым моделям (ЛВМ) художественных, ювелирных и технических отливок.

В настоящее время в художественном и ювелирном литье наибольшее распространение получили смеси на гипсовом связующем (RU 2175902. Смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов. Ердаков И.Н., Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А. и др. Бюллетень изобретений №32, 2000 г.), а также смеси на основе гидролизованного этилсиликата (ЭТС) (Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литье. - СПб.: Политехника, 1996. - С.151…164).

Однако первые не позволяют получать отливки из черных сплавов с высокой температурой заливки. Гипс неустойчив при температурах выше 1200°С, а железо и кремнезем являются катализаторами его разложения, поэтому при заливке, например, чугуна в гипсокремнеземистые формы гипс разлагается с выделением газообразных продуктов реакции (SO₃, SO₂), которые поражают отливки газовыми раковинами по всей поверхности.

Производство же оболочковых керамических форм на основе ЭТС, широко применяемых для ЛВМ технических отливок, обладает целым рядом недостатков, таких как:

- применение дорогостоящей оснастки (металлические пресс-формы и стержневые ящики), длительность и трудоемкость их изготовления, что делает применение процесса нерентабельным в единичном и мелкосерийном производстве;

- длительность, многооперационность и повышенная трудоемкость изготовления многослойной керамической оболочки;

- пожароопасность и ухудшение экологической обстановки в цехе при подготовке связующего (гидролиз ЭТС) из компонентов: этилсиликата, спирта, растворов кислот, а также дороговизна этих материалов.

Наиболее близкой по технической сущности является наливная самотвердеющая смесь для изготовления форм и стержней при производстве отливок по выплавляемым моделям (RU № 2252103. Смесь наливная самотвердеющая для изготовления форм и стержней при производстве отливок по выплавляемым моделям. Дубровин В.К., Кулаков Б.А., Карпинский А.В. и др. Бюллетень изобретений № 14, 2005 г.). В соответствии с указанным прототипом смесь включает портландцемент, мелкодисперсный кварцевый песок, нитрат алюминия и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

портландцемент 12,72…17,90 мелкодисперсный кварцевый песок 53,00…58,80 нитрат алюминия девятиводный 1,79…3,18 вода остальное

Принцип изготовления объемных форм из такой смеси в литье по выплавляемым моделям заключается в том, что полученный по резиновой разрезной пресс-форме готовый модельный блок, установленный в опоку, заливают формовочной массой. Поэтому по своей консистенции она должна быть суспензией с хорошей жидкоподвижностью.

Формовочная смесь состава прототипа дает возможность получать отливки из сплавов черных и цветных металлов в производстве литья по выплавляемым моделям.

Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:

- длительный цикл формообразования;

- необходимость длительной сушки форм и стержней (минимум 3-е суток);

- неудовлетворительные газопроницаемость и прочностные характеристики форм и стержней, в том числе их поверхностная прочность (осыпаемость) после прокалки, в особенности при изготовлении крупного литья по выплавляемым моделям;

- низкая трещиноустойчивость керамических форм и стержней в процессе их прокалки и заливки расплавом;

- затрудненная выбиваемость из керамических форм отливок, в особенности крупногабаритных сложнопрофильных и тонкорельефных.

Таким образом, указанная смесь практически не позволяет получить качественные крупногабаритные сложнопрофильные отливки как из черных, так и цветных сплавов методом литья по выплавляемым моделям.

Известен способ приготовления смеси для изготовления керамических стержней и форм, в котором обработка наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) осуществляется применительно к одному из компонентов смеси, в частности к водному раствору алюмохромфосфатного связующего, являющегося затворителем гипсокремнеземистой смеси (RU № 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. Бюллетень изобретений № 13, 1999 г.). Это обеспечивает улучшение реологических свойств смеси. Вместе с тем, отсутствует возможность комплексного воздействия на все ингредиенты предлагаемого состава смеси, поэтому взятый в качестве прототипа способ приготовления смеси для изготовления керамических форм и стержней не позволяет существенно ускорить цикл формообразования, повысить физико-механические свойства смеси для изготовления точных отливок как из цветных, так и черных сплавов.

В основу изобретения положена техническая задача - создать такой состав и способ приготовления смеси, которые обеспечили бы ускоренный цикл формообразования, повышенные газопроницаемость, прочность и трещиноустойчивость керамических форм и стержней при прокалке, их легкую выбиваемость, необходимые для улучшения качества изготовления литьем по выплавляемым моделям крупногабаритных сложнопрофильных и тонкорельефных отливок.

Указанная техническая задача решается тем, что смесь для изготовления форм и стержней в точном литье, включающая связующее, воду и мелкодисперсный кварцевый песок, согласно изобретению содержит в качестве связующего алюмоборфосфатный концентрат и дополнительно порошкообразный отвердитель к нему, а также керамзит при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

алюмоборфосфатный концентрат 15…20 мелкодисперсный кварцевый песок 54…60 керамзит 10…15 порошкообразный отвердитель - периклаз 1…2 вода остальное

Задача решается также тем, что в способе приготовления смеси для изготовления форм и стержней в точном литье, включающем перемешивание ингредиентов смеси и обработку наносекундными электромагнитными импульсами, согласно изобретению при приготовлении смеси вышеуказанного состава предварительно готовят водный раствор алюмоборфосфатного концентрата плотностью 1250…1350 кг/м³, затем вводят в него мелкодисперсный кварцевый песок и керамзит, а обработку наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 600…1000 МВт/м³ осуществляют при дальнейшем перемешивании указанных ингредиентов с последующим введением порошкообразного отвердителя связующего и окончательным перемешиванием.

Применение в качестве связующего водного раствора алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) и его отвердителя (периклаза) обеспечивает ускоренный цикл формообразования (20…30 мин) и исключение сушки изготавливаемых форм и стержней вследствие химического затвердевания смеси.

При этом АБФК в водной среде подвергается гидролизу с образованием раствора фосфорной кислоты, который взаимодействует с железом на частицах мелкодисперсного кварцевого песка с выделением водорода. Этот процесс, протекающий на границе «связующее-наполнитель», и химическое затвердевание смеси обеспечивают формирование равномерной пористой структуры керамических форм и стержней. Такая структура создает условия для повышения их газопроницаемости, в том числе после прокалки.

Повышение трещиноустойчивости обеспечивается введением высокопористого материала - керамзита, который создает своеобразный барьер, блокирующий возникновение и развитие трещин. Поэтому, в отличие от прототипа, достигается минимальная склонность к образованию трещин форм и стержней в процессе их прокалки.

Воздействие наносекундных электромагнитных импульсов на смесь ингредиентов до введения отвердителя (периклаза) позволяет существенно улучшить реологические и физико-механические свойства смеси за счет ее электрофизической активации.

Диспергирование частиц кварцевого песка до зернистости 10…100 мкм обеспечивает высокое качество отпечатка форм, а также их требуемые физико-механические характеристики. При этом диспергирование может быть осуществлено помолом исходного кварцевого песка, например, марок 3K₃O₂03 или 5K₃O₂03 (ГОСТ 2138-91) в вибромельницах с получением мелкодисперсного наполнителя на основе кремнезема изготавливаемых форм и стержней.

Подготовку заявляемой смеси для изготовления форм и стержней при производстве отливок из цветных и черных сплавов литьем по выплавляемым моделям осуществляют следующим образом. Навешивают расчетное количество АБФК и отвердителя к нему, керамзита и мелкодисперсного кварцевого песка. Затем отмеряют необходимое количество воды и готовят водный раствор АБФК плотностью 1250…1350 кг/м³.

В предварительно подготовленный водный раствор АБФК засыпают мелкодисперсный кварцевый песок, керамзит и перемешивают их в течение 15…20 мин при скорости вращения крыльчатки 3000…6000 об/мин.

Для улучшения реологических и физико-механических свойств смеси ее одновременно с перемешиванием ингредиентов обрабатывают НЭМИ. Для этого в суспензию погружают медный излучатель, подсоединенный к генератору НЭМИ с параметрами: 1 МВт в импульсе, напряженность поля 10⁵…10⁷ В/м, продолжительность одного импульса 10^-9…10^-10 с. Расчетное количество отвердителя вводится в суспензию непосредственно перед изготовлением форм и стержней.

Содержание в предлагаемой смеси АБФК менее 15 мас.% отрицательно сказывается на прочности и осыпаемости готовых форм, а следовательно, приводит к снижению качества поверхности готовой отливки. Причиной этого является недостаток связующего материала в формовочной смеси. Напротив, содержание АБФК более 20 мас.% приводит к чрезмерному увеличению прочности и ухудшению выбиваемости, а также удорожанию формовочной смеси.

Предварительная подготовка водного раствора АБФК плотностью

1250…1350 кг/м³ обеспечивает требуемые реологические свойства смеси на стадии формовки. При плотности раствора более 1350 кг/м³ значительно возрастает вязкость суспензии, что затрудняет качественное воспроизведение формой конфигурации моделей, в особенности сложнопрофильных и тонкорельефных, например, для художественных отливок. При плотности водного раствора АБФК менее 1250 кг/м³ резко возрастает осыпаемость форм и стержней после прокалки в литье по выплавляемым моделям. Кроме того, это приводит к снижению седиментационной устойчивости и расслоению суспензии на стадии формовки, что обуславливает нетехнологичность этой операции.

Использование керамзита в составе смеси обеспечивает повышенную трещиноустойчивость керамических форм и стержней в процессе их прокалки. Однако при количестве керамзита в смеси более 15 мас.% существенно увеличивается вязкость суспензии, а при содержании керамзита менее 10% эффект снижения склонности к образованию трещин форм и стержней при прокалке выражен слабо.

Количество отвердителя раствора АБФК - периклаза в составе смеси 1…2 мас.% является оптимальным с позиций обеспечения требуемой продолжительности ее затвердевания. Содержание в смеси периклаза менее 1 мас.% приводит к чрезмерному увеличению продолжительности затвердевания смеси и ее расслоению. Содержание периклаза более 2 мас.% вызывает быстрое схватывание смеси, т.е. потерю способности перемешиваться, заполнять полость опоки и, следовательно, не позволяет получить качественные отливки.

Для изготовления литьем по выплавляемым моделям особо сложных по конфигурации тонкорельефных и крупногабаритных отливок рекомендуется удельная мощность НЭМИ в пределах 600…1000 МВт/м³ для обработки предлагаемой смеси с целью повышения ее когезионной прочности и текучести. При удельной мощности НЭМИ менее 600 МВт/м³ не удается существенно повлиять на реологические и физико-механические свойства смеси, а при превышении уровня 1000 МВт/м³ неоправданно возрастают энергетические затраты.

Предлагаемые состав смеси для изготовления форм и стержней и способ ее приготовления иллюстрируются следующими примерами.

Пример 1. Готовят сухую смесь из керамзита (ГОСТ 9757-90) и мелкодисперсного кварцевого песка. Затем взвешивают АБФК (ТУ 113-08-606-87), растворяют его в воде. Далее вводят сухую смесь из мелкодисперсного песка и керамзита в подготовленный водный раствор АБФК плотностью 1300 кг/м³ с последующим перемешиванием в течение 15 минут.

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют приготовление смеси согласно прототипу. Составы смесей приведены в табл.1.

Таблица 1 Составы смесей Наименование ингредиентов Количество ингредиентов, мас.%, в смесях прототип 1 2 3 4 5 Портландцемент 14,23 - - - - - Мелкодисперсный кварцевый песок 56,14 60 57 54 57 57 Нитрат алюминия девятиводный 2,49 - - - - - АБФК - 15 18 20 18 18 Периклаз - 1,5 1,5 1,5 1 2 Керамзит - 13 13 10 13 15 Вода Остальное Остальное

Подготовленные смеси используют для изготовления форм и стержней с фиксацией их технологических (служебных) свойств. Для этого вводится расчетное количество отвердителя и полученная самотвердеющая суспензия заливается в опоку с установленным в ней модельным блоком. После изготовления форма выдерживается на воздухе не менее одного часа, затем производится вытопка (удаление) модельного состава горячим воздухом при температуре 120…160°С и прокалка форм при 550…700°С. Температура форм перед заливкой металла снижается до 400…500°С. Показателями для сравнения являются продолжительность затвердевания смеси, газопроницаемость, газотворность, прочность форм при сжатии через различные промежутки времени с момента их изготовления, в т.ч. при прокалке, осыпаемость и остаточная прочность керамических форм и стержней, их склонность к образованию трещин (СОТ).

Продолжительность затвердевания смеси определяли при помощи иглы Вика. Прочность (холодная, горячая, остаточная), газопроницаемость и осыпаемость форм оценивали, используя стандартные образцы диаметром и высотой 50 мм. Склонность к образованию трещин керамических форм после прокалки (700°С, 3 ч) количественно определяли по площади образующихся трещин, отнесенной к единице массы образца, который имеет форму параллелепипеда размером 100×50×30 мм с вставленными внутрь концентраторами напряжений (2 шт. размером 10×10×40 мм). Газотворность образцов оценивали по ГОСТ 23409.12-78.

Результаты испытаний смесей приведены в табл.2. Номера составов смесей соответствуют приведенным в табл.1.

Пример 2. Готовят аналогично примеру 1 смесь состава 2 (см. табл.1), показавшего наиболее рациональное сочетание служебных свойств (см. табл.2). При этом перед введением отвердителя (периклаза) одновременно с перемешиванием ингредиентов смеси осуществляют их обработку НЭМИ в течение 15 мин. Для этого в суспензию вводится излучатель, подсоединенный к генератору НЭМИ (RU № 2030097, МКИ H03K 3/33, К3/45. Формирователь наносекундных электромагнитных импульсов. Белкин B.C., Шульженко Г.И. Заявл. 17.01.92).

Влияние НЭМИ на свойства смеси представлено в табл.3.

Воздействие НЭМИ открывает возможность дополнительно улучшить физико-механические свойства смеси, в частности существенно уменьшить продолжительность затвердевания смеси, упрочнить ее при затвердевании с сохранением приемлемого диапазона значений улучшенных по сравнению с прототипом газотворности, газопроницаемости, выбиваемости керамических стержней и форм и их практически нулевой СОТ.

В целом, результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси и способ ее приготовления позволяют более чем в 3 раза ускорить цикл формообразования, исключить сушку форм и стержней, повысить их прочность более чем в 10 раз до уровня, который обеспечивает получение качественных крупногабаритных отливок и препятствует разрушению формы во время заливки металла, практически исключить осыпаемость и трещинообразование форм после прокалки, облегчить выбиваемость отливок из керамических форм, более чем в 2 раза снизить газотворность и увеличить в 6…10 раз газопроницаемость форм и стержней. Это позволило значительно улучшить качество поверхности сложнопрофильных, тонкорельефных отливок в литье по выплавляемым моделям.

Смесь и способ ее приготовления успешно прошли промышленные испытания на ЗАО "Уральская бронза" (г.Челябинск) на широкой номенклатуре художественных отливок массой от 50 г до 150 кг, изготовленных литьем по выплавляемым моделям. Учитывая улучшенный комплекс технологических свойств смеси, ее универсальный характер, заявленный состав смеси и способ ее приготовления могут быть использованы в точном литье практически на любом предприятии страны.

Изобретение относится к области литейного производства. Смесь содержит, мас.%: алюмоборфосфатный концентрат 15-20; мелкодисперсный кварцевый песок 54-60; керамзит 10-15; порошкообразный отвердитель - пермклаз 1-2; вода - остальное. Предварительно готовят водный раствор алюмоборфосфатного концентрата плотностью 1250-1350 кг/м³. В него вводят мелкодисперсный кварцевый песок и керамзит. Обработку наносекундными электромагнитными импульсами ведут с удельной мощностью 600 - 1000 МВт/м³ при дальнейшем перемешивании указанных ингредиентов с последующим введением порошкообразного отвердителя связующего. Достигается повышение прочности, газопроницаемости и трещиноустойчивости форм при прокалке. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.

1. Смесь для изготовления форм и стержней в точном литье, содержащая связующее, воду и мелкодисперсный кварцевый песок, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит керамзит и порошкообразный отвердитель связующего - периклаз, а в качестве связующего содержит алюмоборфосфатный концентрат при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
алюмоборфосфатный концентрат 15-20 мелкодисперсный кварцевый песок 54-60 керамзит 10-15 порошкообразный отвердитель - периклаз 1-2 вода остальное

2. Способ приготовления смеси для изготовления форм и стержней в точном литье, включающий перемешивание ингредиентов смеси и обработку наносекундными электромагнитными импульсами, отличающийся тем, что готовят смесь следующего состава, мас.%:
алюмоборфосфатный концентрат 15-20 мелкодисперсный кварцевый песок 54-60 керамзит 10-15 порошкообразный отвердитель - периклаз 1-2 вода остальное

при этом предварительно готовят водный раствор алюмоборфосфатного концентрата плотностью 1250-1350 кг/м³, вводят в него мелкодисперсный кварцевый песок и керамзит, осуществляют обработку наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 600-1000 МВт/м³ при дальнейшем перемешивании указанных ингредиентов с последующим введением порошкообразного отвердителя связующего и окончательным перемешиванием.