Композиция для изготовления литейных газифицируемых моделей Российский патент 2024 года по МПК B22C7/02 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к получению заготовок деталей машин из чугуна литьем по газифицируемым моделям.

Отличительной особенностью технологического процесса литья по газифицируемым моделям является непосредственный контакт металлического расплава с разовой литейной моделью, при котором материал модели «газифицируется» под действием тепловой энергии металла, заливаемого в литейную форму.

Известно применение в качестве материала газифицируемых моделей пенополистирола [1].

В качестве основных его недостатков можно отметить интенсивное газовыделение при контакте с металлическим расплавом, а также высокую вероятность появления на отливках поверхностных дефектов из-за отложения на стенках формы большого количества коксового остатка, образующегося в результате газификации модели. Кроме того, исследованиями взаимодействия металлического расплава с пенополистиролом [2-4] доказаны выборочный характер термодеструкции и газификации модельного материала и термоустойчивость (до 2000 °С) бензольного кольца полистирола, на основе которого в чугунных отливках формируется нежелательная унаследованная структура перлитных «гранул» – гломеробластов, в итоге ухудшающая эксплуатационные характеристики изделий.

Известна композиция для изготовления газифицируемых моделей, включающая пенополистирол и специальные добавки, которая отличается тем, что с целью регулирования степени поверхностного науглероживания отливок в качестве специальных добавок композиция содержит ингибиторы науглероживания в количестве 0,5 – 30 вес. ч. на 100 вес. ч. пенополистирола [5]. При этом в качестве ингибиторов используются окись железа, углекислый кальций, углекислый калий или пятиокись сурьмы.

Недостатками композиции являются наличие в отливках дефектов газового происхождения, а также загрязненность тела отливок твердыми продуктами термодеструкции ингибиторов науглероживания, а именно, окислами железа, кальция, калия и сурьмы.

Известен модельный состав для литья по газифицируемым моделям, включающий полистирол, порообразователь – летучие углеводороды, перекисные соединения, отличающийся тем, что с целью увеличения скорости плавления и газификации модельного материала при заполнении форм жидким металлом в него введены меркаптаны – производные сероводорода, содержащие углеводородные радикалы, связанные с сульфгидрильной группой, при определенном соотношении компонентов [6].

Основным недостатком модельного состава выступает низкая экологичность его применения из-за того, что меркаптаны характеризуются вторым классом опасности. Помимо этого меркаптаны очень сильно пахнут даже при низкой концентрации. Все это в итоге существенно ухудшает условия труда производственного персонала.

Фирма Dow Chemical (США) в качестве материала для газифицируемых моделей предложила использовать сополимер стирола и акрилонитрила [7].

Этот материал характеризуется количеством коксового остатка, образующегося в результате газификации модели, более чем в 1,5 раза большим по сравнению с пенополистиролом.

В Японии разработан материал для разовых литейных газифицируемых моделей, представляющий собой сополимер циклопентаноксида, циклогексаноксида и циклопентаноксида или изобутиленоксида [7].

Его основными недостатками являются сложность производства и, как следствие, высокая стоимость и дефицитность.

Известна композиция для изготовления газифицируемых моделей на основе полиметилметакрилата [7].

Однако она не свободна от недостатков. Модели из этой композиции отличаются низкой механической прочностью и легко деформируются под нагрузкой, поэтому плотность моделей вынужденно повышают в 2-3 раза, что ведет к увеличению объема газовыделения при заливке формы металлическим расплавом, а также повышенному отложению сажистого свободного углерода на стенках формы и, как следствие, поверхностным дефектам отливки.

Известно применение для изготовления литейных разовых газифицируемых моделей композиции, представляющей собой сополимер полистирола и полиметилметакрилата в различных соотношениях [7].

К его недостаткам можно отнести сложность выбора композиции оптимального состава, а также необходимость использования для изготовления моделей специального оборудования.

Наиболее близким к изобретению является применение в качестве материала литейных разовых газифицируемых моделей пенополипропилена [7].

К недостаткам прототипа относятся высокие химическая инертность и термостойкость материала, существенно затрудняющие сборку литейных моделей склеиванием отдельных частей и фрагментов, а также нагревом их контактных поверхностей до размягчения с последующим сжатием. Кроме того, материал разрушается при воздействии ультрафиолетовых лучей и характеризуется малой стойкостью к ударным механическим воздействиям при низких температурах, что не способствует его длительному хранению и повышает риск поломки литейных моделей при транспортировке и формовке. Все это в конечном итоге негативно сказывается на его технологичности.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Задача заявляемого решения – обеспечение качества чугунных отливок, получаемых литьем по газифицируемым моделям.

Технический результат – состав композиции для изготовления газифицируемых моделей, не содержащий дефицитных и дорогих компонентов, характеризующийся высокой технологичностью, позволяющий получать модели в короткие сроки с минимальной трудоемкостью и обеспечивающий производство отливок высокого качества по структуре, механическим свойствам чугуна, поверхностным дефектам и газовой пористости без ухудшения условий труда производственного персонала.

Технический результат достигается тем, что в композиции для изготовления литейных газифицируемых моделей, имеющей в своем составе полипропилен, полиметилметакрилат и пенообразователь, полипропилен и полиметилметакрилат взяты в соотношении 75:25 %, масс. соответственно, а пенообразователь – в количестве 0,5–5,0 % сверх 100 %, масс.

Полипропилен (ПП) представляет собой линейный углеводородный термопластичный полимер пропилена (пропен), относится к семейству полиолефинов, характеризуется низкой массовой плотностью (900-910 кг/м³) при высокой прочности на растяжение (40-60 МПа) и на изгиб (80-100 МПа), не растворяется в воде, спиртах, углеводородах, стоек в растворах щелочей, кислот, солей. Начинает размягчаться при температуре не менее 140 °C. Температура плавления достигает 175 °C. Выгорает при температуре 325–390 °C. Этот материал хорошо поддается литью, в том числе ротационному, а также литью под давлением на термопластавтоматах с вспениванием, сварке, резанию, сверлению. Для производства изделий из этого полимера не требуется специализированное или нестандартное оборудование. Нетоксичен и химически инертен, имеет низкую морозостойкость (до -5 °С). Под воздействием УФ-излучения разрушается.

Полиметилметакрилат (ПММА, акрил, плекс, оргстекло, плексиглас, акриловое стекло) – это линейный термопластичный полимер метилметакрилата – сложного эфира метакриловой кислоты и метанола, обладающий высокой прозрачностью, атмосферостойкостью. Имеет массовую плотность 1100-1150 кг/м³, прочность при растяжении – около 30-40 МПа, при изгибе – 100-120 МПа. Хорошо растворяется в карбоновых кислотах, сложных эфирах, в том числе в собственном мономере, кетонах, ароматических углеводородах, стоек к кислотам, щелочам, воздействию света и кислорода, масло- и водостоек. При нагревании около 105-110 °С полиметилметакрилат размягчается, при 160 °C плавится, а при 405-410 °C выгорает. Отличается сочетанием высокой твердости с ударопрочностью и гибкостью. Благодаря термопластичности и относительно низкой температуре размягчения (менее 110 °C), легко поддается механической обработке, экструзии, литью под давлением, сварке и термоформованию. Имеет высокую морозостойкость (до –60 °С). Обладает высокой стойкостью к УФ-излучению.

Оба полимера (ПП и ПММА) выпускаются промышленностью России и дружественных стран в достаточном количестве и характеризуется невысокой стоимостью. В составе композиции ПП и ПММА функционально дополняют друг друга, обеспечивая технологичность материала литейной газифицируемой модели и устраняя недостатки прототипа. При контакте с расплавом чугуна ПП и ПММА в короткий промежуток времени полностью или частично газифицируются в зависимости от степени доступа кислорода в зону контакта.

Наиболее вероятные химические реакции термодеструкции:

1) полипропилена (ПП):

в условиях доступа (избытка) кислорода

(C₃H₆)_n + 4,5n O₂ = 3n CO₂↑ + 3n H₂O↑,

в условиях недостатка кислорода (анаэробный нагрев)

(C₃H₆)_n + 3n O₂ = 3n CO↑ + 3n H₂O↑,

(C₃H₆)_n + 1,5n O₂ = 3n C + 3n H₂O↑;

2) полиметилметакрилата (ПММА):

в условиях доступа (избытка) кислорода

(C₅H₈O₂)_n + 6n O₂ = 5n CO₂↑ + 4n H₂O↑,

в условиях недостатка кислорода (анаэробный нагрев)

(C₅H₈O₂)_n + 4,5n O₂ = 5nCO↑ + 4n H₂O↑,

(C₅H₈O₂)_n + 2n O₂ = 5nC + 4n H₂O↑.

Линейный характер структуры полимеров ПП и ПММА и отсутствие в ней бензольного кольца, имеющегося, например, в полистироле, традиционно и широко применяемом в качестве материала литейных газифицируемых моделей, предотвращает формирование гломеробластов в чугунных отливках.

Пенообразователь в составе композиции посредством жидкофазного вспенивания обеспечивает получение из нее литейных моделей с пористой структурой, тем самым позволяя управляемо снижать массовую плотность материала моделей, массу газифицируемой литейной модели, как следствие, уменьшая газовыделение при заливке формы металлическим расплавом и минимизируя риски образования поверхностных дефектов отливок по причине отложения на стенках формы сажистого коксового остатка. При этом регулировка массовой плотности материала модели осуществляется дозировкой пенообразователя в составе композиции.

С целью проверки эффективности предлагаемого решения проводился комплекс опытно-экспериментальных работ в условиях действующего производства.

В работах для изготовления литейных моделей использовали полипропилен низкого давления марки 21020-02, сорт 1, ГОСТ 26996-86 в гранулах размером 2,0-5,0 мм и полиметилметакрилат марки «Дакрил-8» ТУ 2216-243-05757593-2000 в гранулах размером 3,0-5,0 мм. В качестве пенообразователя применяли концентрат пенообразующего полиэтилена марки 107-ОВАС ТУ 6-05-2001-85 в гранулах размером 2,0-5,0 мм.

В качестве тестовых выбрали модели для отливки «Корпус» с толщиной стенки от 5,0 до 20,0 мм. Изготовление моделей вели на горизонтальном термопластавтомате марки BJ90-V6/S6 фирмы PowerJet Plastic Machinery (Китай) по технологии высокоточного литья под давлением со вспениванием, которая используется для уменьшения массы изделий и позволяет значительно улучшить форму детали и стабильность размеров при снятии напряжения во время впрыска при одновременном снижении усилия сжатия. Все компоненты композиции в необходимом количестве помещали через загрузочную воронку в экструдер, где проходило их смешивание шнековым смесителем и нагрев до температуры 190-200 °C, при которой в течение короткого времени образовывался текучий полимерный расплав и проходило пенообразование одновременно с перемещением расплава к соплу машины для впрыска в пресс-форму. После выдержки в пресс-форме для завершения пенообразования и окончательного затвердевания готовая модель извлекалась и цикл повторялся. При этом продолжительность производственного цикла не превышала 1,5-2,0 мин.

На первом этапе определяли оптимальное количество пенообразователя в композиции, включающей ПП и ПММА в соотношении 50:50 %, масс. Экспериментально установили, что при содержании пенообразователя в составе композиции, меньшем 0,5 % сверх 100 %, масс., количество пор в литейных моделях было очень малым, что не позволяло существенно снизить их массу, а превышение содержания пенообразователя в составе композиции выше уровня 5,0 % сверх 100 %, масс. приводило к ухудшению качества поверхности моделей из-за появления на ней открытых пор, выступов и впадин («волнистость») и, как следствие создавало проблемы для равномерного окрашивания моделей перед формовкой.

На втором этапе варьировали соотношение содержания в композиции ПП и ПММА при фиксированном оптимальном содержании пенообразователя 0,5-5,0 % сверх 100 %, масс. Изготовили несколько опытных партий по 10 шт. литейных моделей каждая из композиции с различным соотношением ПП и ПММА, а также контрольную партию (10 шт. литейных моделей) из композиции, включающей только ПП (100 %, масс.), согласно прототипу.

Литейные модели опытных и контрольной партий использовали для производства отливок «Корпус» из чугуна марки СЧ20 ГОСТ 1412-85 массой 3,5 кг в вакуумируемые песчаные формы методом литья по газифицируемым моделям. Чугун выплавляли в индукционной тигельной печи GW 0,45-500-1. Модели литниковой системы собирали вручную с использованием стержневого термоклея марки «ЭРГОМЕЛТ-275» на основе этиленвинилацетата производства ООО «ЭРГОТЕК» (г. Пермь) и клеевого пистолета. При этом на сборку модельных блоков контрольной партии потребовалось большее время по сравнению с модельными блоками опытных партий по причине недостаточной начальной адгезии клея к поверхностям контакта. После сборки на модельные блоки кистью в два слоя наносили противопригарное покрытие на водной основе марки ППУ-1 ТУ 4191-001-151102120-2012. Сушку каждого слоя проводили в тупиковом сушиле в потоке горячего воздуха с температурой 55-60 °C в течение 3 часов. После этого проводили формовку. Для изготовления форм применяли прокаленный кварцевый песок марки 1К₂О₂02 ГОСТ 2138-91. Формы опытных и контрольной партий заливали металлом одной плавки. Температура заливки чугунного расплава в форму составляла 1375-1450 °C.

Контролировали структуру, механические свойства (прочность на разрыв, твердость) чугуна, а также газовыделение при заливке форм и качество отливок по геометрии, наличию поверхностных дефектов и газовой пористости. Структуру и механические свойства определяли на образцах, залитых вместе с отливками опытных и контрольной партий (по одному образцу на форму). Газовыделение при заливке форм оценивали с использованием химического многокомпонентного газоопределителя марки ГХК-ПВ-1 производства ЗАО «Крисмас+» (г. Санкт-Петербург).

В чугуне контрольной и всех опытных партий структуры перлитных «гранул» – гломеробластов не обнаружили. Существенной разницы в механических свойствах чугуна, а также газовыделении при заливке форм опытных и контрольной партий не выявили. Результаты сравнения качества отливок контрольной и опытных партий представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, отсутствие дефектов на отливках зафиксировано в опытной партии №3, соответствующей содержанию в композиции ПП и ПММА, взятым в соотношении 75:25 %, масс.

Таким образом, проведенные испытания показали эффективность предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом и подтвердили заявленный технический результат.

Таблица 1

№ партии Соотношение ПП и ПММА, % масс. Дефекты, выявленные в отливках Отливок с дефектами, % / штук Отливок без дефектов, % / штук ПП ПММА 1 25 75 коробление, сажистые засоры на поверхности 40 /4 60 / 6 2 50 50 сажистые засоры на поверхности 20 /2 80 / 8 3 75 25 нет 0 / 0 100 / 10 4 (прототип) 100 - волнистость, газовая пористость, просечки в местах склеивания фрагментов модели и литниковой системы 50 / 5 50 / 5

Примечание: количество отливок в каждой из опытных и контрольной партий составляло 10 штук.

Источники информации

1. Литье по газифицируемым моделям: основы теории и технологии / Ю.А. Степанов [и др.] – М.: Машиностроение, 1976. – 224 с.

2. Гурулев, С.А. Явления замещения в расплавах // ДАН СССР. –1978-238. – №1. – С. 203-206.

3. Гурулев, С.А. Процесс науглероживания чугунных и стальных отливок при литье по газифицируемым моделям / С.А. Гурулев // Литейное производство. – 1980. – №6. – С. 21-22.

4. Гурулев, С.А. Следы в чугуне / С.А. Гурулев // Химия и жизнь. – 2007. – №6. – С. 18-19.

5. Авторское свидетельство СССР №500870, B22 C7/02, 1976.

6. Авторское свидетельство СССР №426742, B22 C7/02, 1974.

7. Шуляк, В.С. Литье по газифицируемым моделям / В.С. Шуляк. – СПб.: Профессионал, 2007. – 408 с. – прототип.

Изобретение относится к области литейного производства. Композиция для изготовления литейных газифицируемых моделей содержит полипропилен, полиметилметакрилат и пенообразователь. Полипропилен и полиметилметакрилат взяты в соотношении 75:25 мас.% соответственно. Пенообразователь взят в количестве 0,5-5,0 мас.% сверх 100 мас.%. Обеспечивается производство отливок из чугуна высокого качества по структуре, механическим свойствам, поверхностным дефектам и газовой пористости без ухудшения условий труда. 1 табл.

Композиция для изготовления литейных газифицируемых моделей, содержащая полипропилен, полиметилметакрилат и пенообразователь, отличающаяся тем, что полипропилен и полиметилметакрилат взяты в соотношении 75:25 мас.% соответственно, а пенообразователь – в количестве 0,5-5,0 мас.% сверх 100 мас.%.