Смесь для изготовления литейных форм и стержней и способ её приготовления (варианты) Российский патент 2024 года по МПК B22C1/16 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления литейных форм и стержней в производстве отливок из сплавов цветных и черных металлов.

Общемировой тенденцией в развитии процессов формообразования для литейного производства является применение холоднотвердеющих смесей (ХТС). Затвердевание в оснастке при комнатной температуре обеспечивает стержням и формам высокую точность и малые энергетические затраты на их изготовление. При этом наибольшее распространение получили ХТС на органических связующих материалах – синтетических смолах. Эти смеси обладают рядом преимуществ по сравнению с известными ХТС на неорганических связующих материалах (жидкоподвижные самотвердеющие смеси (ЖСС), пластичные самотвердеющие смеси (ПСС), СО₂-процесс и др.). Такими преимуществами являются лучшая чистота поверхности, несравнимая с ЖСС легкость удаления стержней из отливок и регенерируемость отработанных смесей (Перспектива применения фосфатных холоднотвердеющих смесей («Фоскон»-процесс) / Г.А. Коллодий, С.С. Ткаченко, В.С. Кривицкий // Литейщик России. – 2004 г. - №8. – С. 23-24).

Однако до настоящего времени существенной проблемой остается обеспечение экологической безопасности процессов получения отливок с использованием фенольных, фурановых и др. смол и их влияние на окружающую среду (Перспектива применения фосфатных холоднотвердеющих смесей («Фоскон»-процесс) / Г.А. Коллодий, С.С. Ткаченко, В.С. Кривицкий // Литейщик России. – 2004 г. - №8. – С. 23-24).

Перспективными в этом направлении являются ХТС на неорганических связующих материалах, например, на растворах алюмоборфосфатного концентрата (АБФК). Такие смеси имеют следующие достоинства: полное отсутствие прилипаемости, более лёгкая выбиваемость из отливок, высокая термостойкость и низкая газотворность смеси по сравнению с другими ХТС, возможность использования недорогих отечественных материалов, а также до 80% регенерата после механической регенерации, применение универсального смесеприготовительного оборудования и экологичность АБФК (Перспектива применения фосфатных холоднотвердеющих смесей («Фоскон»-процесс) / Г.А. Коллодий, С.С. Ткаченко, В.С. Кривицкий // Литейщик России. – 2004 г. - №8. – С. 23-24).

Аналогом является смесь для изготовления литейных форм и стержней (RU №2281830, МПК В22С 1/00, заявл. 21.06.2004, опубл. 20.08.2006), включающая раствор алюмоборфосфатного концентрата, периклазовый порошкообразный отвердитель и кварцевый песок при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

раствор алюмоборфосфатного концентрата 3,0–5,0 периклазовый порошкообразный отвердитель 1,0–1,5 кварцевый песок остальное

Способ приготовления такой смеси состоит в том, что в кварцевый песок с периклазовым порошкообразным отвердителем вводят раствор АБФК, указанные ингредиенты перемешивают и полученную смесь незамедлительно уплотняют в оснастке, например, вибрацией. Указанные смесь и способ её приготовления определяют длительный цикл формирования манипуляторной прочности литейных форм и стержней.

Наиболее близкой по технической сущности является смесь для изготовления литейных форм и стержней и способ её приготовления (варианты) (RU № 2469813, МПК В22С 1/00, заявл. 06.06.2011, опубл. 20.12.2012, бюл. №35). Согласно изобретению прототипа, смесь включает раствор алюмоборфосфатного концентрата, периклазовый порошкообразный отвердитель, кварцевый песок и раствор карбоксиметилцеллюлозы при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

раствор алюмоборфосфатного концентрата 2,0–8,0 периклазовый порошкообразный отвердитель 0,8–1,7 раствор карбоксиметилцеллюлозы 1,0–3,0 кварцевый песок остальное

В способе приготовления смеси, согласно изобретению прототипа, осуществляют плакирование кварцевого песка суспензией из раствора карбоксиметилцеллюлозы и периклазового порошкообразного отвердителя с последующей обработкой плакированного песка в кипящем слое теплым воздухом с температурой 50-80°С. Кроме того, перед введением в плакированный песок раствора АБФК осуществляют обработку последнего наносекундными электромагнитными импульсами с удельной импульсной мощностью 400-900 МВт/м³.

Смесь и способ её приготовления, взятые в качестве прототипа, обеспечиваю ускоренное формирование манипуляторной прочности литейных форм и стержней, а также улучшение экологических показателей.

Вместе с тем прототип имеет существенные недостатки:

- недостаточная для качественного изготовления крупногабаритных отливок значения прочности после полного отверждения ХТС (через 24 ч.);

- повышенный брак отливок по неточности геометрии при увеличении их масс и габаритных размеров;

- в условиях увеличения теплового и механического воздействия расплава на форму и стержни при производстве сложнопрофильных крупногабаритных отливок недостаточный уровень газопроницаемости смеси;

- подготовка плакированного песка путём создания его кипящего слоя и тепловой обработки при 50-80°С является трудоёмкой, длительной и энергоёмкой.

В основу изобретения положена техническая задача – повышение технологических свойств смеси, прочности, геометрической точности и газопроницаемости литейных форм и стержней, в особенности для литья крупногабаритных сложнопрофильных отливок из легированной стали.

Указанная техническая задача решается тем, что смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая раствор алюмоборфосфатного концентрата, периклазовый порошкообразный отвердитель, наполнитель, раствор для плакирования наполнителя, согласно изобретению, содержит в качестве наполнителя муллитизированный песок, а раствором для плакирования является водный раствор лигносульфоната при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

раствор алюмоборфосфатного концентрата 4,0–9,0 периклазовый порошкообразный отвердитель 1,0–2,5 водный раствор лигносульфоната 0,5–2,0 муллитизированный песок остальное

Задача решается также тем, что в способе приготовления смеси для изготовления литейных форм и стержней, включающем плакирование наполнителя раствором с порошкообразным периклазовым отвердителем, тепловую обработку планированного наполнителя и последующее введение в него раствора алюмоборфосфатного концентрата, согласно изобретению, наполнитель в виде муллитизированного песка вначале плакируют водным раствором лигносульфоната, затем вводят периклазовый порошкообразный отвердитель, перемешивают смесь и обрабатывают плакированный наполнитель токами сверхвысокой частоты мощностью 750-900 Вт при рабочей частоте 2450 МГц.

Кроме того, поставленная техническая задача также решается тем, что в способе приготовления смеси для изготовления литейных форм и стержней, согласно изобретению, перед введением в плакированный муллитизированный песок раствора алюмоборфосфатного концентрата осуществляют его обработку в ультразвуковом поле интенсивностью 5-8 Вт/см².

Применение в качестве связующего водного раствора алюмоборфосфатного концентрата, а также периклазового порошкообразного отвердителя обеспечивает требуемый цикл формообразования и исключает сушку изготавливаемых форм и стержней вследствие химического затвердевания смеси.

В отличии от кварцевого песка прототипа, наполнитель – муллитизированный песок обеспечивает низкий коэффициент термического линейного расширения смеси и повышения точности геометрии отливок.

Раствор для плакирования наполнителя – водный раствор лигносулфоната технического создает условия для повышения прочности смеси и снижения её осыпаемости.

Плакирование муллитизированного песка раствором лигносульфоната технического с последующим введением пергиклазового порошкообразного отвердителя вызывает равномерное распределение отвердителя на зёрнах наполнителя и необходимую адгезию.

Обработка плакированного наполнителя токами сверхвысокой частоты обеспечивает равномерное удаление влаги из всего объёма плакированного наполнителя и его ускоренную подготовку.

Обработка перед введением в плакированный наполнитель раствора АБФК в ультразвуковом поле создает условия для повышения когезионной прочности связующего и упрочнения литейных форм и стержней.

Подготовку заявляемой смеси для изготовления литейных форм и стержней осуществляют следующим образом.

Взвешивают расчетное количество раствора АБФК и периклазового порошкообразного отвердителя к нему, а также раствора лигносульфоната технического и муллитизированного песка. Затем заливают раствор лигносульфоната технического в муллитизированный песок, например, марки ШК 42 (Кыштымский каолиновый комбинат), засыпают периклазовый порошкообразный отвердитель, перемешивают и обрабатывают токами сверхвысокой частоты мощностью 750-900 Вт при рабочей частоте 2450 МГц. Подготовленный плакированный муллитизированный песок может храниться неограниченное время. По мере необходимости его засыпают в смесеприготовительное оборудование, например, бегуны или шнековый смеситель, добавляют расчетное количество АБФК, перемешивают ингредиенты и после удаления смеси из оборудования осуществляют изготовление стержней и форм в оснастке, например, путём уплотнения вибрацией.

Для изготовления особо сложных по конфигурации и массивных отливок может быть осуществлена обработка связующего раствора АБФК в ультразвуковом поле интенсивностью 5-8 Вт/см². Для этого раствор АБФК заливают в ультразвуковую ванну и обрабатывают в течение 2-3 мин.

Расширенный диапазон значений по количеству раствора АБФК в смеси диктуется, с одной стороны, необходимостью её упрочнения для изготовления крупногабаритных массивных отливок особо сложной конфигурации (верхний предел), с другой, возможностью уменьшения количества жидкой фазы в смеси при тех же свойствах за счет обработки в ультразвуковом поле (эффект «разжижения») по экономическим соображениям для отливок неответственного назначения (нижний предел). В связи с расширенным диапазоном значений по количеству раствора АБФК в смеси также изменяется интервал значений по содержанию периклазового порошкообразного отвердителя.

Содержание в предлагаемой смеси раствора АБФК менее 4,0 мас.% отрицательно сказывается на прочности и осыпаемости готовых форм и стержней, а следовательно, приводит к снижению качества поверхности готовой отливки. Причиной этого является недостаток связующего материала в смеси. Напротив, содержание раствора АБФК более 9,0 мас.% приводит к удорожанию смеси.

Количество периклазового порошкообразного отвердителя в составе смеси 1,0-2,5 мас.% является оптимальным с позиций обеспечения требуемой продолжительности её затвердевания и живучести. Содержание в смеси периклазового порошкообразного отвердителя менее 1,0 мас.% приводит к чрезмерному увеличению продолжительности затвердевания смеси. Содержание периклазового порошкообразного отвердителя более 2,5 мас.% вызывает существенное снижение живучести смеси.

Раствор лигносульфоната технического в предлагаемой смеси 0,5-2,0 мас.% обеспечивает высокую степень равномерности плакирования частиц муллитизированного песка. Если его количество менее 0,5 мас.%, то не удается равномерно распределить и адгезировать частицы периклазового порошкообразного отвердителя на поверхности зёрен муллитизированного песка. В результате – нестабильность свойств смеси и низкое качество отливок. Если количество раствора лигносульфоната технического более 2,0 мас.%, то наблюдается нежелательное комкование при подготовке плакированного песка.

Обработка плакированного муллитизированного песка токами сверхвысокой частоты ускоряет процесс его подготовки. Если мощность менее 750 Вт, то не удается обеспечить существенного уменьшения продолжительности подготовки плакированного мулитизированного песка. Если мощность более 900 Вт, то нарушается целостность плакирующего слоя на частицах муллитизированного песка в результате его разрыхления из-за испарения влаги с высокой скоростью.

Для изготовления особо сложных по конфигурации и массивных отливок рекомендуется интенсивность ультразвука в пределах 5,0-8,0 Вт/см² для обработки раствора АБФК с целью повышения когезионной прочности связующего и текучести смеси. При интенсивности ультразвука менее 5,0 Вт/см² не удается существенно повлиять на физико-механические свойства смеси, а при превышении уровня 8,0 Вт/см² неоправданно возрастают энергетические затраты.

Предлагаемый состав смеси для изготовления литейных форм и стержней и способ её приготовления иллюстрируются следующими примерами.

Пример 1. Готовят плакированный муллитизированный песок марки ШК 42 Кыштымского каолинового комбината с использованием раствора лигносульфоната технического и периклазового порошкообразного отвердителя (ТУ 2149-215-10964029-2004). Для этого раствор лигносульфоната технического заливают в муллитизированный песок, перемешивают в течение 2-3 мин., затем вводят периклазовый порошкообразный отвердитель и окончательно перемешивают в течении 3-5 мин., с последующей обработкой токами сверхвысокой частоты (2450 МГц) мощностью 800 Вт в течение 5-8 мин. После чего подготовленный плакированный муллитизированный песок может храниться неограниченный промежуток времени. По необходимости в него вводят раствор АБФК (ТУ 113-08-606-87), перемешивают ингредиенты и изготавливают из подготовленной смеси образцы форм с последующим их испытанием.

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют изготовление смеси согласно прототипу. Составы смеси приведены с табл.1.

Таблица 1

Составы смесей

Наименование ингредиентов Количество ингредиентов, мас.% в смесях Прототип 1 2 3 Раствор АБФК 4,0 4,0 7,0 9,0 Периклазовый порошкообразный отвердитель 1,0 1,0 1,8 2,5 Раствор карбоксиметилцеллюлозы 2,0 - - - Кварцевый песок Остальное - - - Раствор лигносульфоната технического - 0,5 1,5 2,0 Муллитизированный песок - Остальное Остальное Остальное

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

Таблица 2

Результаты испытания смесей

Показатели Результаты испытания смесей по составам Прототип 1 2 3 1. Прочность образцов при сжатии, МПа:
а) ч/з 1 час
б) ч/з 24 часа 0,41
1,70 0,50
3,00 0,70
3,80 0,67
3,50 2. Газопроницаемость, ед. 80 130 110 90 3. Точность геометрии образцов (отклонение размеров от номинальных), % 0,9 0,8 0,7 0,78

Пример 2. Готовят аналогично примеру 1 смесь состава 2 (см. табл.1), показавшего наиболее рациональное сочетание служебных свойств (см. табл.2). При этом варьируют мощность токов сверхвысоких частот при обработке плакированного муллитизированного песка. Влияние мощности обработки токами сверхвысокой частоты на свойства плакированного наполнителя и образцов форм представлено в табл.3.

Таблица 3

Влияние мощности обработки токами сверхвысоких частот на свойства плакированного наполнителя и образцов форм

Показатели Обработка плакированного наполнителя токами сверхвысоких частот мощностью, Вт 750 850 900 1. Продолжительность подготовки плакированного наполнителя, мин 15 12 10 2. Остаточная влажность наполнителя, % 0,5 0,2 0,1 3. Прочность образцов при разрыве через 24 ч, МПа 3,7 4,0 3,9

Пример 3. Готовят аналогично примеру 1 смесь состава 2 (см. табл.1). При этом перед введением раствора АБФК осуществляют его обработку в ультразвуковом поле, варьируя интенсивность. Для этого раствор АБФК заливают в ультразвуковую ванну и обрабатывают в течении 3 мин. Влияние интенсивности ультразвука на свойства связующего смеси представлено в табл.4.

Таблица 4

Влияние обработки ультразвуком связующего раствора на свойства смесей

Показатели Обработка ультразвуком связующего раствора с интенсивностью, Вт/см² 5 7 8 1. Краевой угол смачивания наполнителя связующим раствором, град. 52 44 40 2. Динамическая вязкость связующего раствора, Па*с 0,22 0,13 0,15 3. Прочность образцов при сжатии через 24 ч., МПа 4,2 5,3 4,9

Воздействие ультразвука на раствор АБФК открывает возможность дополнительно улучшить физико-механические свойства смеси, в частности существенно упрочнить её при полном затвердевании за счет улучшения смачиваемости наполнителя связующим раствором и снижения его вязкости. Последнее позволяет при заданных значениях прочности уменьшить количество связующего в смеси.

В целом, результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси и способ её приготовления позволяют ускорить цикл приготовления плакированного наполнителя, обеспечить неограниченный срок его хранения, повысить прочность форм и стержней, в особенности после полного отверждения смеси. Это позволило значительно улучшить качество изготовления сложнопрофильных, массивных отливок для нужд нефтегазового комплекса и авиационной промышленности, в частности узкоканальных рабочих колёс центробежных насосов из легированных сталей (20ГЛ, 20Х13 и др.), стоек шасси (30ХГСН2А и др.).

Смесь и способ её приготовления прошли промышленные испытания на предприятиях: ООО «ЛИТПРО» (г. Челябинск) и ООО «Завод точного литья» (г. Златоуст).

Учитывая улучшенный комплекс зафиксированных технологических свойств смеси, её универсальный характер, заявленный состав смеси и способ её приготовления могут быть использованы практически на любых отечественных предприятиях, применяющих ХТС, как эффективная альтернатива смесям на экологически опасных синтетических смолах (α-set, β-set процессы и другие).

Изобретение относится к области литейного производства. Способ приготовления смеси для изготовления литейных форм и стержней включает плакирование наполнителя, тепловую обработку плакированного наполнителя и последующее введение в него раствора алюмоборфосфатного концентрата. В качестве наполнителя используют муллитизированный песок, который плакируют водным раствором лигносульфоната. В плакированный песок вводят периклазовый порошкообразный отвердитель, перемешивают смесь и обрабатывают плакированный наполнитель токами сверхвысокой частоты мощностью 750-900 Вт при рабочей частоте 2450 МГц. Обеспечивается повышение технологических свойств смеси, прочности, геометрической точности и газопроницаемости литейных форм и стержней, в особенности для литья крупногабаритных сложнопрофильных отливок из легированной стали. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 табл., 3 пр.

1. Смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая раствор алюмоборфосфатного концентрата, периклазовый порошкообразный отвердитель, наполнитель и раствор для плакирования наполнителя, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя смесь содержит муллитизированный песок, а в качестве раствора для плакирования наполнителя смесь содержит водный раствор лигносульфоната, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

раствор алюмоборфосфатного концентрата 4,0-9,0 периклазовый порошкообразный отвердитель 1,0-2,5 водный раствор лигносульфоната 0,5-2,0 муллитизированный песок остальное

2. Способ приготовления смеси для изготовления литейных форм и стержней, включающий плакирование наполнителя раствором с порошкообразным периклазовым отвердителем, тепловую обработку плакированного наполнителя и последующее введение в него раствора алюмоборфосфатного концентрата, отличающийся тем, что наполнитель в виде муллитизированного песка вначале плакируют водным раствором лигносульфоната, затем вводят периклазовый порошкообразный отвердитель, перемешивают смесь и обрабатывают плакированный наполнитель токами сверхвысокой частоты мощностью 750-900 Вт при рабочей частоте 2450 МГц, причем указанные ингредиенты используют в следующем соотношении, мас.%:

раствор алюмоборфосфатного концентрата 4,0-9,0 периклазовый порошкообразный отвердитель 1,0-2,5 водный раствор лигносульфоната 0,5-2,0 муллитизированный песок остальное

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что перед введением раствора алюмоборфосфатного концентрата осуществляют его обработку в ультразвуковом поле интенсивностью 5-8 Вт/см².