Смесь для изготовления литейных форм и стержней Российский патент 2023 года по МПК B22C1/10 B22C1/18 

Изобретение относится к литейному производству, а именно, к изготовлению литейных форм и стержней из песчаных смесей на жидкостекольном связующем, отверждаемых продувкой углекислым газом.

Формовочные и стержневые песчаные смеси на жидкостекольном связующем широко применяются в литейном производстве. Однако эти смеси имеют существенные недостатки. Среди них малая сырая (манипуляторная) прочность, осыпаемость после сушки и плохая выбиваемость из отливок, обусловленная высокой остаточной прочностью. Для устранения этих недостатков в смесь вводят различные органические и неорганические добавки.

Использование в составе песчаных смесей на жидкостекольном связующем органических добавок способствует снижению остаточной прочности стержней, а значит улучшению их выбиваемости.

Например, известна смесь, содержащая 3,0-6,0%, масс. жидкого стекла, 1,0-3,0%, масс. шламовых отходов химической очистки стальных изделий, 0,5-1,0% масс. едкого натра и огнеупорный наполнитель на основе диоксида кремния [1]. При выгорании органической масляной добавки, входящей в состав шламовых отходов химической очистки стальных изделий, выделяются газы, давление которых разрушает плёнки связующего, тем самым способствуя разупрочнению смеси. Главными недостатками этой смеси являются достаточно высокая остаточная прочность и то, что при выгорании масляной добавки выделяются вредные токсичные газы, загрязняющие атмосферу заливочного и выбивного участков литейного цеха.

Известно, что включение в состав песчаной смеси на жидкостекольном связующем неорганических добавок не приводит к выделению вредных газов при заливке формы расплавом [2]. При этом введение таких добавок в малых количествах не оказывает значительного разупрочняющего эффекта, а повышение их содержания в составе смеси приводит к снижению прочностных свойств стержня.

Например, известна смесь, содержащая 6,0-6,5%, масс. жидкого стекла, 8,0-11,0 %, масс. глины, прокаленной при температуре 800°С, 1,25-1,5%, масс. едкого натра и кварцевый песок в качестве огнеупорной основы [3]. К недостаткам данной смеси относятся значительная осыпаемость и высокая остаточная прочность.

Наиболее близкой к изобретению по физико-химическому составу и достигаемому техническому результату является смесь, состоящая из 5,0-14,0%, масс. жидкого стекла, 7,0-26,0%, масс. отхода керамических изделий, содержащих глину, и кварцевого песка в качестве огнеупорной основы [4].

Данная смесь обладает высокими прочностными свойствами только при большом процентном содержании в ней жидкого стекла и отхода производства керамических изделий. При этом остаточная прочность смеси очень высока (>2 МПа) и, как следствие, такая смесь плохо выбивается из отливок. Смесь с относительно низким процентным содержанием жидкого стекла и отхода производства керамических изделий обладает низкой прочностью на сжатие во влажном состоянии, высокой осыпаемостью после сушки и недостаточной выбиваемостью.

Кроме того стержни, изготовленные из смеси-прототипа, необходимо просушивать при температуре 180-220°С в течение продолжительного времени, что также является недостатком.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Решается задача улучшения технологичности смеси.

Технический результат – получение смеси для изготовления литейных форм и стержней на жидкостекольном связующем, обладающей пониженной осыпаемостью и малой остаточной прочностью.

Технический результат достигается тем, что смесь для изготовления форм и стержней, содержащая жидкое стекло и кварцевый песок, согласно изобретению дополнительно содержит в своём составе формовочную глину, измельчённые отходы силиконовых резин и водный раствор поливинилового спирта при следующем соотношении ингредиентов, масс.%:

жидкое стекло 5,0-6,0 формовочная глина 3,0-5,0 измельчённые отходы силиконовых резин 1,5-2,0 водный 4-8%-ный раствор поливинилового спирта 0,5-1,5 кварцевый песок остальное

Сущность изобретения состоит в следующем.

Жидкое стекло вводится в смесь в качестве связующего в количестве 5,0-6,0%, масс. При содержании в смеси жидкого стекла в количестве, меньшем 5,0%, снижается прочность стержня в отверждённом состоянии на сжатие и на разрыв и растёт осыпаемость, а при содержании, большем 6,0%, значительно ухудшается выбиваемость. Это подтверждается проведёнными предварительными испытаниями (табл. 1).

Формовочная глина добавляется в состав смеси в количестве 3,0-5,0%, масс. для повышения сырой (манипуляторной) прочности стержня. Нижний предел содержания глины обусловлен тем, что меньшее количество не обеспечивает значительного прироста сырой прочности. Верхний предел ограничен 5,0%, масс., потому что при большем содержании глины снижается прочность стержня в упрочнённом (отверждённом) состоянии. Это подтверждается проведёнными предварительными испытаниями (табл. 2).

Отходы силиконовых резин представляют собой изношенные и выведенные из эксплуатации формы, использовавшиеся для изготовления изделий из полиуретанов, искусственного декоративного камня, литья низкотемпературных металлов и сплавов, а также отходы, образующиеся в процессе производства силиконовых форм. Они включены в федеральный классификационный каталог отходов («Отходы силикона при изготовлении силиконовых форм» №33577111204).

В заявляемом изобретении предлагается измельчать данные отходы и использовать их в качестве разупрочняющей добавки для формовочных и стержневых песчаных смесей на жидкостекольном связующем. Измельчение и рассев для получения определённой фракции могут быть осуществлены с помощью режущей мельницы.

Частицы измельчённых отходов силиконовых резин, равномерно распределённые в составе жидкостекольной смеси, при прогреве формы или стержня до температур выше 300°С разлагаются с образованием аморфного диоксида кремния и углекислого газа, который, в свою очередь, разрушает плёнки связующего на поверхности зёрен огнеупорной основы – кварцевого песка, способствуя тем самым снижению остаточной прочности стержня и улучшению его выбиваемости.

Нижний предел содержания добавки измельчённых отходов силиконовых резин (1,5%, масс.) обусловлен тем, что меньшее количество не обеспечивает значительного разупрочняющего эффекта (табл. 3). Содержание добавки измельчённых отходов силиконовых резин в составе смеси в количестве большем, чем 2,0%, масс., приводит к увеличению газотворности смеси и, как следствие, к появлению в отливках дефекта – газовой пористости.

Чем меньше размер частиц измельчённых отходов силиконовых резин, тем более равномерно они распределяются в массе стержня и тем интенсивнее происходит разупрочнение (табл. 4). Однако процесс получения частиц мелкой фракции (<0,3 мм) очень длителен и экономически не выгоден. Использование частиц измельчённых отходов силиконовых резин размером более 0,5 мм приводит к ухудшению качества поверхности стержня из-за его осыпаемости.

Для снижения осыпаемости и повышения поверхностной прочности в смесь добавляется водный 4,0-8,0%-ный раствор поливинилового спирта.

Раствор поливинилового спирта частично обволакивает зёрна песка и добавку измельчённых отходов силиконовых резин, образуя на их поверхности в процессе высыхания эластичную плёнку, упрочняющую поверхностный слой формы или стержня.

На основе предварительно проведённых испытаний для введения поливинилового спирта в смесь выбрана концентрация – 4,0-8,0%, масс. При концентрации менее 4,0%, масс. увеличивается прилипаемость стержня к оснастке из-за повышенного содержания воды в смеси. Применение раствора с концентрацией более 8,0%, масс. нецелесообразно из-за повышения его вязкости и, как следствие, снижения равномерности распределения в стержневой смеси.

Нижний предел содержания водного раствора поливинилового спирта (0,5 масс. %) обусловлен тем, что меньшее количество не обеспечивает значительного снижения осыпаемости смеси (табл. 5). Содержание раствора поливинилового спирта выше 1,5 масс. % приводит к росту газотворности смеси и образованию в отливках газовой пористости.

Пример.

Для сравнения были изготовлены образцы из предлагаемого состава и из известной смеси – прототипа [4]. Состав смесей и физико-механические свойства приведены в табл. 5.

Для приготовления смеси были использованы следующие материалы: стекло натриевое жидкое с модулем 2,6, плотностью 1,47 г/см³ (ГОСТ 13078-81); песок кварцевый 2К₁О₂02 (ГОСТ 2138-91); глина формовочная П3 (ГОСТ 3226-93); измельчённые отходы силиконовых резин; водный 4-8%-ный раствор поливинилового спирта марки ПВС, 6/1 1 сорт ГОСТ 10779-78.

Стержневая смесь приготавливалась следующим образом.

В смеситель модели 02113 загружали кварцевый песок, глину, измельчённые отходы силиконовых резин, предварительно подготовленные с помощью режущей мельницы модели Retsch SM100, и перемешивали в течение 3 минут. Затем вводили в смесь жидкое стекло и перемешивали в течение 5 минут. Далее вводили в смесь водный раствор поливинилового спирта и окончательно перемешивали в течение 3 минут.

Свойства смеси оценивались на стандартных образцах. Образцы продували углекислым газом в течение 60 секунд при расходе 30 дм³/мин и давлении 0,1 МПа.

Испытания образцов на прочность (на сжатие и на разрыв) проводились по ГОСТ 23409.7-78. Испытания образцов на газопроницаемость проводились по ГОСТ 23409.6-78. Испытания образцов на осыпаемость проводились по ГОСТ 23409.9-78.

Для определения остаточной прочности образцы предварительно нагревали до 800°С в течение одного часа (так же как в патенте на изобретение, взятом за прототип), затем охлаждали на воздухе до 20°С и далее испытывали по методике (ГОСТ 23409.7-78). Таким образом, осуществлялась имитация прогрева стержневой смеси при воздействии на неё тепла затвердевающего металла. При температуре 800°С в жидкостекольной смеси образуется легкоплавкая двойная эвтектика, состоящая из 21,6% Na₂O и 73% SiO₂, под воздействием которой после охлаждения зёрна песка цементируются в монолитную массу [5]. Этот случай является наихудшим с точки зрения выбивки стержней из отливок.

Поскольку одна из задач заявляемого изобретения – улучшение выбиваемости стержней из отливок, то для сравнения был принят пример №2 с самой низкой остаточной прочностью, приведённый в описании изобретения-прототипа.

Из табл. 5 видно, что предлагаемая смесь (составы №3, №4 и №5) по сравнению с прототипом имеет более высокие физико-механические свойства. Газопроницаемость смеси-прототипа выше, чем у заявляемой смеси, однако, уровень газопроницаемости предлагаемых составов смеси достаточно высок (порядка 200 ед.) и вполне достаточен для обеспечения качества отливок по дефектам газовой природы [6]. При этом у предлагаемой смеси осыпаемость ниже в 1,4-5 раз, а остаточная прочность ниже в 2 раза по сравнению с прототипом.

Таким образом, технологичность смеси повышается. Кроме того, использование измельчённых отходов силиконовых резин способствует уменьшению загрязнения окружающей среды, поскольку в промышленных масштабах эти отходы в настоящее время не перерабатываются (вывозятся в отвал на полигоны).

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1685586, кл. В22С 1/02, опубл. 23.10.1991.

2. Литейные формовочные материалы. Формовочные, стержневые смеси и покрытия: справочник/ А.Н. Болдин, Н.И. Давыдов, С.С. Жуковский и др. М.: Машиностроение, 2006. 507 с.

3. Авторское свидетельство СССР №366028, кл. В22С 1/00, С04В 35/14,опубл. 16.01.1973.

4. Патент РФ №2224619, кл. В22С 1/18, опубл. 27.02.2004.

5. Сварика А.А. Формовочные материалы и смеси: справочник. К.: Техника, 1983. 144 с.

6. Медведев Я.И., Валисовский И.В. Технологические испытания формовочных материалов / Я.И. Медведев, И.В. Валисовский. М.: Машиностроение, 1973. 312 с.

Таблица 1

№
п/п Компоненты и характеристики смесей Состав смесей, масс.% №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Жидкое стекло 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 2 Кварцевый песок ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. 3 Предел прочности на сжатие во влажном состоянии, МПа <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 4 Прочность на сжатие в отверждённом состоянии, МПа 1,85 1,92 2,10 2,22 2,30 2,34 2,36 5 Газопроницаемость, ед. 220 220 210 208 208 205 204 6 Предел прочности на разрыв в отверждённом состоянии, МПа 0,72 0,76 0,85 0,88 0,91 0,93 0,94 7 Осыпаемость, % 0,26 0,26 0,24 0,23 0,21 0,21 0,21 8 Остаточная прочность после прокалки образцов при температуре 800°С, МПа 0,47 0,77 0,96 1,62 1,90 2,20 2,70 9 Газовая пористость в отливке нет нет нет нет нет нет нет

Таблица 2

№
п/п Компоненты и характеристики смесей Состав смесей, масс.% №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 №10 1 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Жидкое стекло 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 2 Формовочная глина 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 3 Кварцевый песок ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. 4 Предел прочности на сжатие во влажном состоянии, МПа 0,02 0,02 0,04 0,04 0,05 0,05 0,05 0,06 0,06 0,06 5 Прочность на сжатие в отверждённом состоянии, МПа 2,26 2,21 2,14 2,06 2,00 1,95 1,88 1,81 1,73 1,67 6 Газопроницаемость, ед. 205 203 200 200 200 199 196 196 192 189 7 Предел прочности на разрыв в отверждённом состоянии, МПа 0,89 0,88 0,86 0,86 0,85 0,83 0,82 0,82 0,81 0,79 8 Осыпаемость, % 0,20 0,21 0,21 0,20 0,20 0,21 0,20 0,23 0,24 0,25 9 Остаточная прочность после прокалки образцов при температуре 800°С, МПа 1,88 1,87 1,85 1,82 1,80 1,77 1,74 1,72 1,68 1,65 10 Газовая пористость в отливке нет нет нет нет нет нет нет нет нет нет

Таблица 3

№
п/п Компоненты и характеристики смесей Состав смесей, масс.% №1 №2 №3 №4 №5 №6 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Жидкое стекло 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 2 Формовочная глина 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 3 Измельчённые отходы силиконовых резин (размер частиц 0,5 мм) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4 Кварцевый песок ост. ост. ост. ост. ост. ост. 5 Предел прочности на сжатие во влажном состоянии, МПа 0,08 0,08 0,07 0,09 0,08 0,07 6 Прочность на сжатие в отверждённом состоянии, МПа 2,00 1,98 1,97 1,95 1,91 1,88 7 Газопроницаемость, ед. 200 203 200 200 200 200 8 Предел прочности на разрыв в отверждённом состоянии, МПа 0,85 0,84 0,84 0,83 0,81 0,79 9 Осыпаемость, % 0,20 0,24 0,26 0,27 0,28 0,29 10 Остаточная прочность после прокалки образцов при температуре 800°С, МПа 0,42 0,34 0,31 0,20 0,20 0,19 11 Газовая пористость в отливке нет нет нет нет есть есть

Таблица 4

№
п/п Компоненты и характеристики смесей Состав смесей, масс.% №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Жидкое стекло 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 2 Формовочная глина 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 3 Измельчённые отходы силиконовых резин 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 4 Размер частиц измельчённых отходов силиконовых резин, мм 0,2 0,25 0,3 0,5 0,75 1,0 1,5 2,0 5 Кварцевый песок ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. 6 Предел прочности на сжатие во влажном состоянии, МПа 0,09 0,09 0,09 0,09 0,08 0,07 0,06 0,06 7 Прочность на сжатие в отверждённом состоянии, МПа 2,00 1,99 1,99 1,95 1,90 1,81 1,73 1,64 8 Газопроницаемость, ед. 194 195 198 200 202 204 205 205 9 Предел прочности на разрыв в отверждённом состоянии, МПа 0,87 0,87 0,86 0,83 0,81 0,77 0,74 0,70 10 Осыпаемость, % 0,20 0,20 0,22 0,27 0,29 0,32 0,34 0,36 11 Остаточная прочность после прокалки образцов при температуре 800°С, МПа 0,16 0,18 0,18 0,20 0,22 0,26 0,32 0,39 12 Газовая пористость в отливке нет нет нет нет нет нет нет нет

Таблица 5

№
п/п Компоненты и характеристики смесей Состав смесей, масс.% №1
(прототип) №2 №3 №4 №5 №6 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Жидкое стекло 5,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 2 Формовочная глина – 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 3 Измельчённые отходы силиконовых резин (размер частиц 0,5 мм) – 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 4 Водный 4-8%-ный раствор поливинилового спирта – 0,25 0,5 1,0 1,5 2,0 5 Отход производства керамических изделий 7,0 – – – – – 6 Кварцевый песок ост. ост. ост. ост. ост. ост. 7 Предел прочности на сжатие во влажном состоянии, МПа 0,03 0,08 0,09 0,08 0,09 0,09 8 Прочность на сжатие в отверждённом состоянии^*, МПа 1,95 1,95 1,95 1,97 1,98 1,98 9 Газопроницаемость, ед. 380 200 202 200 200 198 10 Предел прочности на разрыв в сухом состоянии^**, МПа 0,82 0,83 0,83 0,84 0,84 0,85 11 Осыпаемость, % 0,10 0,10 0,07 0,04 0,02 0,02 12 Остаточная прочность после прокалки образцов при температуре 800°С, МПа 0,40 0,20 0,20 0,20 0,20 0,19 13 Газовая пористость в отливке – нет нет нет нет есть ^* Для смеси-прототипа прочность на сжатие в отверждённом состоянии означает прочность образцов после сушки. Для заявляемой смеси – это прочность после продувки углекислым газом или выдержки на воздухе в течение 2-3 часов.
^** Для смеси-прототипа предел прочности на разрыв в сухом состоянии означает предел прочности на разрыв образцов после сушки. Для заявляемой смеси – это предел прочности на разрыв после продувки углекислым газом или выдержки на воздухе в течение 2-3 часов.

Изобретение относится к области литейного производства. Смесь для изготовления литейных форм и стержней содержит, мас.%: 5-6 жидкого стекла, 3-5 формовочной глины, 1,5-2,0 измельчённых отходов силиконовых резин, 0,5-1,5 водного 4-8%-ного раствора поливинилового спирта и кварцевый песок – остальное. Раствор поливинилового спирта частично обволакивает зерна песка и измельченные отходы силиконовых резин с образованием на их поверхности в процессе высыхания эластичной пленки, упрочняющей поверхностный слой формы. Частицы измельченных отходов силиконовых резин, равномерно распределенные в составе жидкостекольной смеси, при прогреве формы разлагаются с образованием аморфного диоксида кремния и углекислого газа, который разрушает пленки связующего на поверхности зерен кварцевого песка. Обеспечивается снижение осыпаемости и остаточной прочности смеси и улучшение выбиваемости формы и стержня. 1 з.п. ф-лы, 5 табл., 1 пр.

1. Смесь для изготовления литейных форм и стержней, содержащая жидкое стекло и кварцевый песок, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит формовочную глину, а также добавку измельчённых отходов силиконовых резин и водный 4-8%-ный раствор поливинилового спирта, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

жидкое стекло 5,0-6,0 формовочная глина 3,0-5,0 измельчённые отходы силиконовых резин 1,5-2,0 водный 4-8%-ный раствор поливинилового спирта 0,5-1,5 кварцевый песок остальное

2. Смесь по п. 1, отличающаяся тем, что размер частиц измельчённых отходов силиконовых резин составляет 0,3-0,5 мм.