СМЕСЬ ПЛАКИРОВАННАЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ Российский патент 2024 года по МПК B22C1/22 

Изобретение относится к формовочным смесям и материалам для литейных форм и стержней и конкретно касается составов плакированных смесей для изготовления литейных форм и стержней.

В литейном производстве для изготовления форм и стержней используются два типа песчано-смоляных смесей – механические и плакированные. Оба типа смесей содержат, как правило, огнеупорный заполнитель, смоляное связующее и технологические добавки: для улучшения текучести смеси, снижения поверхностных дефектов отливок и др. Традиционным огнеупорным заполнителем здесь служит просеянный кварцевый песок, а в качестве связующего используют фенолформальдегидные или другие виды синтетических смол. Главным преимуществом плакированных смесей по сравнению с механическими является более высокая прочность готовой формы после отверждения при одинаковой концентрации смоляной связки. Ввиду равномерного распределения смолы по поверхности зёрен заполнителя в плакированной смеси достигается большая контактная поверхность и тем самым улучшаются условия для прочного скрепления зёрен друг с другом. Кроме того, плакированные смеси все шире используются для изготовления литейных форм и стержней методом 3D-печати, в частности в технологи селективного лазерного спекания (SLS метод).

Известна «Смесь для изготовления литейных форм и стержней и способ её приготовления (варианты)» (Патент РФ № 2 469 813 от 06.06.2011г., МПК B22С 1/00, опубл. 20.12.2012г., Бюл. №35), содержащая:

Раствор алюмоборфосфатного концентрата 0,5-5,0 Периклазовый порошковый отвердитель 0,8-1,7 Раствор карбоксиметилцеллюлозы 1-3 Кварцевый песок ост.

В процессе приготовления заявленной смеси перед смешиванием заполнителя с алюмоборфосфатным связующим осуществляют плакирование кварцевого песка суспензией из карбометилцеллюлозы и периклазового порошкового отвердителя с последующей обработкой плакированного песка в кипящем слое теплым воздухом с температурой 50-80 °С. Из-за сравнительно низких огнеупорных свойств заполнителя – кварцевого песка применение таких материалов в изготовлении литейных форм и стержней, предназначенных для отливки высоколегированных сталей и сплавов, является нецелесообразным ввиду высокой вероятности образования дефектов и брака отливок. Кроме того, указанные материалы имеют низкую текучесть, ввиду отсутствия в их составе компонентов, предотвращающих слипание частиц заполнителя.

Известен «Наполнитель литейных формовочных смесей» (Патент РФ № 2 552 216 от 03.04.2014г., МПК B22С 1/00, опубл. 10.06.2015г., Бюл. №16), содержащий:

Хромитовый песок 30-70 Дистен-силлиманит 70-30

При этом зерна хромитового песка имеют округлую форму, а средний размер зерен дистен-силлиманита, в сравнении с зернами хромитового песка составляет от 0,83 до 1,25. В качестве связующего такого наполнителя в примерах используется фенолформальдегидная смола или жидкое стекло. По заявлению авторов двухкомпонентный состав такого наполнителя позволяет уменьшить спекаемость готовой смеси, снизить расход связующего и уменьшить пригарообразование при отливке деталей из черных и цветных сплавов. В то же время наличие в наполнителе высокой концентрации хромитового песка значительно удорожает готовую смесь. При этом использование двух компонентов-заполнителей с различным удельным весом и формой частиц не позволяет добиться абсолютной однородности готовой смеси, что может быть причиной поверхностных дефектов и брака отливок.

Наиболее близким по составу и технической сущности изобретения является «Смесь для изготовления литейных оболочковых форм и стержней в нагреваемой оснастке» (АС СССР № 900930 от 11.04.80 г., МПК B22С 1/22, опубл. 30.01.82г. – прототип), содержащая:

Новолачная фенолоформальдегидная смола 2-7 Уротропин 0,2-0,7 Альбертоленовая кислота 0,1-0,6 Огнеупорный заполнитель ост.

В качестве огнеупорного заполнителя в смеси-прототипе используется обычный кварцевый песок, главным недостатком которого, как отмечалось ранее, являются сравнительно низкие огнеупорные свойства. Среди «огнеупорных» оксидов: Al₂O₃, SiO₂, CaO, MgO, Cr₂O₃ и ZrO₂ оксид кремния обладает наименьшими огнеупорными свойствами. В связи с этим огнеупоры на основе кварца практически не используются в сталеплавильном производстве, а кварцевые формы и стержни применяют в основном только для отливки изделий из «низкотемпературных» сплавов – чугуна, бронзы, алюминия и др. Кроме того, смесь-прототип не содержит компонентов, предотвращающих слипание частиц заполнителя, в связи с чем характеризуется низкой текучестью.

Целью настоящего изобретения является разработка плакированной смеси повышенной прочности, предназначенной для производства форм и стержней для изготовления отливок из высоколегированных сталей и сплавов.

Поставленная цель достигается тем, что предлагается плакированная смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая: огнеупорный заполнитель, смоляное связующее и уротропин, при этом в качестве огнеупорного заполнителя используют обожжённый боксит, в котором содержание Al₂O₃ составляет 45-75 %, а отношение Al₂O₃/SiO₂ находится в пределах 1,3 до 4,9; при этом смесь дополнительно содержит добавку для улучшения текучести и имеет следующий состав:

Связующее смоляное 0,5-5,0 Уротропин 0,1-3,0 Добавка для улучшения текучести 0,05-1,0 Обожжённый боксит ост.

В качестве заполнителя в заявленной смеси используется обожженный боксит. На первый взгляд является неочевидным использование такого материала как боксит в качестве заполнителя плакированных смесей, предназначенных для изготовления литейных форм и стержней. Боксит является осадочной горной породой, преимущественно состоящей из гидратов глинозёма, которая используется главным образом в производстве алюминия. Однако некоторые бокситы (после термообработки) могут использоваться в качестве сырья для изготовления формованных и неформованных огнеупоров (Ю.Е. Пивинский, П.В. Дякин, В.А. Перепелицын Исследования в области получения формованных и неформованных огнеупоров на основе высокоглиноземистых ВКВС. Часть 1. Высокоглиноземистый боксит как базовый сырьевой компонент // Новые огнеупоры №8, 2015 г., С. 16-23). Главным компонентом обожженных бокситов является оксид алюминия (α-Al₂O₃), что обуславливает их повышенные огнеупорные свойства. В то же время, несмотря на высокие огнеупорные свойства, «чистый» корунд в составе плакированных смесей для изготовления литейных форм и стержней практически не используется. Связано это с тем, что его зерна плохо поддаются плакированию, а сам материал относительно дорог. В результате проведенных экспериментов было установлено, что использование обожженного боксита в качестве заполнителя плакированных смесей позволяет достичь высоких прочностных и огнеупорных свойств готовых литейных форм и стержней и таким образом обеспечить возможность изготовления отливок из высоколегированных сталей и сплавов с повышенной температурой плавления. Выявлено, что такое сочетание свойств достигается только при содержании в составе обожженного боксита заданной концентрации оксида алюминия (45-75 %) и обеспечения в его составе соотношения Al₂O₃/SiO₂ в пределах 1,3-4,9. В случае снижения концентрации Al₂O₃ в заполнителе менее 45 % и соотношения Al₂O₃/SiO₂ менее 1,3 ухудшаются огнеупорные характеристики плакированной смеси, что не позволяет использовать её в производстве форм и стержней для отливки деталей из высоколегированных сталей и сплавов. В обратном случае, при содержании в обожженном боксите Al₂O₃ более 75 % и соотношения в нём Al₂O₃/SiO₂ более 4,9 снижаются прочностные свойства смеси, обусловленные сравнительно низкой способностью частиц Al₂O₃ к плакированию смоляной связкой. С целью улучшения текучести и укладываемости готовой смеси оптимально использовать обожженный боксит, в котором не менее 80 % частиц имеют размер от 50 до 200 мкм.

В качестве смоляного связующего в заявленной смеси оптимально использовать фенолформальдегидную смолу новолачного типа с содержанием свободного фенола не более 2,0 %. Требуемая концентрация смоляной связки в составе смеси составляет 0,5-5,0 %, а уротропина – 0,1-3,0%. В случае снижения содержания смолы менее 0,5% и уротропина менее 0,1 % – резко ухудшаются прочностные свойства готовой смеси. В то же время при увеличении концентрации смолы более 5,0 % и уротропина более 3,0% – существенно снижаются огнеупорные свойства готовой смеси.

С целью уменьшения слипаемости частиц заполнителя смесь содержит добавку для улучшения текучести смеси, в качестве которой оптимально использовать стеарат кальция и/или стеарат цинка. Заявленный концентрационный предел такой добавки – 0,05-1,0 %, при меньшем её содержании в смеси требуемый эффект не достигается, а при большем – ухудшаются другие технологические свойства смеси.

В наилучшем виде реализации смесь дополнительно содержит лимонную кислоту в концентрации от 0,001 до 0,1 %. Введение её в состав смеси, в заданных концентрационных пределах, позволяет повысить прочность смеси после отверждения и снизить нагар на поверхности отливок.

В таблице 1 представлены примеры осуществления изобретения. Смесь по любому из представленных примеров готовиться следующим образом. В обогреваемый смеситель последовательно дозируют и загружают фракционированный обожженный боксит и фенолформальдегидную порошкообразную смолу и производят перемешивание компонентов. Затем в смеситель вводят водный раствор уротропина и включают кратковременную подачу пара. После перемешивания добавляют раствор лимонной кислоты, вновь перемешивают, осуществляют отдачу стеарата кальция и/или цинка и, после окончательного перемешивания, выгружают готовую смесь на охладительный барабан. Готовая плакированная смесь после охлаждения фасуется в мягкие герметичные контейнеры и передаётся на склад.

Таблица 1

№ смеси по порядку Массовая доля компонента в составе смеси, % Связующее смоляное Уротропин Стеарат кальция и/или цинка Лимонная кислота Боксит обожженный 1 0,6 0,3 0,85 0,008 ост. 2 1,8 2,7 0,54 0,006 -||- 3 4,0 0,6 0,15 0,002 -||- 4 3,3 0,9 0,08 0,001 -||- 5 4,6 1,5 0,33 0,004 -||-

В соответствии с вышеуказанным способом изготовили несколько партий выборочных смесей №3 и №4 (табл.1) и провели исследования их прочностных свойств в сравнении со смесью-прототипом. Результаты испытаний представлены в табл. 2, видно, что новая смесь имеет повышенную прочность на растяжение в горячем состоянии (выше в 1,8-2,0 раза в сравнении с прототипом) и подходит для изготовления форм и стержней, предназначенных для отливки высоколегированных сталей и сплавов.

Таблица 2

№ смеси (табл.1) Массовая доля компонента в составе смеси, % Прочность на растяжение в горячем состоянии, МПа Прочность на изгиб, МПа Возможность изготовления отливок из высоколегированных сталей и сплавов 3 3,5 – 4,1 12,0-13,8 + 4 3,3 – 3,6 10,9-11,5 + Прототип 1,2 – 2,6 нет данных -

Изобретение относится к области литейного производства. Смесь плакированная для изготовления литейных форм и стержней содержит, мас. %: связующее смоляное - 0,5-5,0, уротропин - 0,1-3,0, добавку для улучшения текучести - 0,05-1,0 и обожженный боксит - остальное. Обожженный боксит с содержанием 45-75 мас. % оксида алюминия и отношением Al₂O₃/SiO₂ в пределах 1,3-4,9 используют в качестве огнеупорного заполнителя. Обеспечивается получение высоких прочностных и огнеупорных свойств литейных форм и стержней для изготовления отливок из высоколегированных сталей и сплавов с повышенной температурой плавления. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Смесь плакированная для изготовления литейных форм и стержней, включающая огнеупорный заполнитель, смоляное связующее, уротропин, отличающаяся тем, что в качестве огнеупорного заполнителя использован обожженный боксит с содержанием 45-75 мас. % оксида алюминия и отношением Al₂O₃/SiO₂ в пределах 1,3-4,9, при этом смесь дополнительно содержит добавку для улучшения текучести и имеет следующий состав, мас. %:

связующее смоляное 0,5-5,0 уротропин 0,1-3,0 добавка для улучшения текучести 0,05-1,0 обожженный боксит остальное

2. Смесь по п. 1, отличающаяся тем, что не менее 80 мас. % частиц обожженного боксита имеют размер от 50 до 200 мкм.

3. Смесь по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве связующего смоляного использована фенолформальдегидная смола новолачного типа с содержанием свободного фенола не более 2,0 %.

4. Смесь по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве добавки для улучшения ее текучести использованы стеараты кальция и/или цинка.

5. Смесь по п. 1, отличающаяся тем, что смесь дополнительно содержит лимонную кислоту в количестве от 0,001 до 0,1 мас. %.