Способ изготовления литейных форм и стержней для литья металлов Советский патент 1993 года по МПК B22C9/04 B22C7/02 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при точном литье для изготовления форм и стержней.

Целью изобретения является повышение качества отливок за счет повышения точки плавления связующего и предотвращения уноса зерен формовочного материала в тело отливки.

Цель достигается за счет следующего.

В качестве связующего вещества для формовочной смеси используют неорганическую соль, растворимую в воде и имеющую высокую точку плавления, как правило, более высокую, чем температура питья, которую (соль), смешивают, растворив в воде с зернистым формовочным материалом и о процессе формовки выкристаллизовывают из ее водного раствора физическим путем, в результате чего связующее вещество образует между зернами формовочного материала перемычки, скрепляющие зерна формовочного материала друг с другом, причем в процессе формовки и в процессе литья химические свойства соли остаются неизменными и она может быть растворена в воде или в ненасыщенном водном растворе связующего вещества для разьединения составных частей Формы.

Таким образом, в соответствии с предлагаемым способом формы и стержни изготавливают путем скрепления зерен Формовочного материала друг с другом посредством растворимой в воде неорганической соли, точка плавления которой, как правило, выше температуры литья металлов. По сравнению с известными способами способ в соответствии с настоящим изобретением дает несколько существенных преСО

с

оо со

Јь XI

4 00

со

имуществ, из которых следует упомянуть, например, следующие.

При осуществлении предлагаемого способа QO время формовки отсутствуют выделения, средние для здоровья рабочих, потому что твердение связующего вещества происходит без химической реакции ив процессе нет необходимости использовать газообразные катализаторы.

Во время или после литья, когда металл затвердевает или охлаждается, отсутствует образование пиролитических газов, которые были бы вредны для окружающей среды, для здоровья рабочих или для качества отливки.

После затвердевания отливки разьединение формы и стержней на части может быть осуществлено просто путем растворения связующего посредством воды или ненасыщенного водного раствора связующего вещества.

Формовочный материал, который был использован для формовки и для изготовления стержня, может быть легко регенерирован мокрым, способом для повторного использования.

Изобретение описано более подробно описанием стадий способа.

Связующим веществом, которое используют и предлагаемом способе, является неорганическое соединение с высокой точкой плавления (в частности, неорганическая соль, которое растворима в воде). Важной особенностью связующего вещества является то, что его точка плавления так высока, что оно, как правило, не плавится даже при температурах жидкого металла.

Кроме того, связующее вещество обладает такими свойствами, что при температурах, имеющих место во время формовки и литья оно не вступает в химические реакции с основными минералами в зернах формовочного материала,и,следовательно, не образует соединений, нерастворимых в воде. Из связующего соединения сначала приготавливают водный раствор, который затем смешивают с зернами формовочного материала.

Благодаря поверхностному натяжению раствора связующего вещества, раствор образует жидкие перемычки (из-за собирания жидкости) в точках контакта между частицами формовочного материала.

Растзор связующего вещества имеет высокую вязкость и высокую способность прилипать- к основному минералу зерен формовочного материала, что обеспечивает склеивание зерен формовочного материала друг с другом и делает формовочную смесь связанной и способной к формовке,

даже если само связующее вещество все еще находится в виде раствора.

Когда из формовочной смеси, составляющей форму или стержень, удаляют воду,

которую используют как растворитель в растворе связующего вещества, вместо жидких пере.мычек, образуются твердые перемычки, которые прочно скрепляют зерна формовочного материала друг с другом.

Физическое состояние твердых перемычек из связующего вещества частично кристаллическое, частично аморфное. Вышеупомянутое удаление растворителя связующего вещества из формовочной смеси может быть осуществлено, например путем , выпаривания. Другим важным признаком способа в соответствии с настоящим изобретением является то, что удаление растворителя из связующего вещества

должно быть осуществлено так, чтобы используемая в качестве связующего соль не вступала в реакцию с каким-либо вторичным веществом. Такими вторичными веществами являются, например, сами зерна

формовочного материала, загрязнения на зернах, материалы покрытия, нанесенного окунанием; расплавленный металл, реакци- онноспособные газы в воздухе, Это свойство важно для изобретения, потому что

связующая соль не должна образовывать новое химическое соединение, нерастворимое или плохо растворимое в используемом растворителе.

При температурах, существующих в

процессе литья, связующее не подвержено плавлению, разложению или сгоранию, благодаря чему при литье не образуются пиро- литические газы, которые в противном случае могли бы вызвать повышение давления в стержнях и в частях формы и, следовательно, газовую пористость в отливках.

Высвобождение отливки осуществляют путем растворения связующего вещества и удаления его из мест контакта между зерн.ами формовочного материала и с поверхностей зерен посредством воды или его ненасыщенного раствора.

Зерна формовочного материала могут быть повторно использованы сразу же поеле промывки и сушки. Сушка может быть осуществлена, например, только центрифугированием.

Количество растворенного связующего вещества, используемого в способе, составляет примерно 0,5-20% по весу от общего количества формовочного материала. Оптимальное количество растворенного связующего вещества составляет 1-5% от веса формовочного материала.

Важным и весьма существенным признаком способа в соответствии с настоящим изобретением является то, что комбинацию из связующего вещества и зернистого .; формовочного материала, используемую в способе, выбирают такой, чтббы даже при высокой температуре литья они не вступали в химическую реакцию друг с другом с образованием продукта реакции, нерастворимого в воде.

В качестве комбинации из связующего вещества и зернистого формовочного материала используют следующую: связующее - алюминат натрия NaAICte, т.е. Na20 А120з, и зернистый формовочный материал - зерна корунда, т.е. оксид алюминия . Молярное отношение связующего может колебаться в некоторых пределах, но предпочтительно составляет 1:1.

Пример изготовления литейной формы или стержня.

Сначала приготавливают нужную формовочную смесь путем смешивания друг с другом зерен формовочного материала и раствора связующего вещества при температуре 20-120°С, в результате чего раствор связующего покрывает все поверхности зерен формовочного материала. После перемешивания формовочной смеси производят формовку формы и стержня (все еще при 20-120°С) обычным образом. Так, формовка может быть осуществлена:

путем уплотнения или формовки вручную;

путем формовки посредством пескомета;

путем использования пескометной стержневой машины;

путем применения вибрации и/или прессования;

любым другим известным способом, в результате чего получают свободно связанную форму или такой стержень.

Свежую форму или стержень, полученные описанным выше образом, доводят до требуемого состояния путем частичной или полной сушки. Сушку производят следующим образом.

Связующее вещество заставляют выкристаллизовываться из его водного раствора, поместив форму и/или стержень в электрическое и/или магнитное поле переменного направления, где в результате повышения кинетической энергии электрически или магнитно поляризованных молекул или атомных группировок про- исходит разогрев формовочной смеси. Это осуществляют путем нагрева формы или стержня в микроволновой (СВЧ) печи или в высокочастотной печи, при этом в результате перемещения водных диполей, находящихся в формовочной смеси, формовочная смесь нагревается внутри и затвердевает одновременно во всех ее частях. 5В -способе по изобретению для испарения растворителя не может быть использован воздух (даже нагретый), потому что в этом случае пленка связующего (все еще находящегося в виде раствора) вступала бы

0 во вредную реакцию, например, с углекислым газом, содержащемся в воздухе, D результате чего образовывались бы плохо растворимые карбонаты, В предлагаемом способе удаление растворителя из формо5 вочной смеси необходимо осуществлять специально путем выпаривания с доведением до кипения (т.е. давление паров растворителя должно быть выше, чем давление воздуха, газа или пара в окружающей сре0 де), благодаря чему растворитель, находящийся в пленке связующего вещества в формовочном материале, выпаривается, что обеспечивает полную кристаллизацию неорганической соли и тем самым скрепление

5 зерен формовочного материала друг с другом. При использовании способа п соответствии с настоящим изобретением должна быть обеспечена возможность доведения растворителя до кипения, по существу, од0 повременно в каждой части формовочного материала, чтобы не было медленного выпаривания растворителя, происходящего из от поверхности формовочной смеси к внутренним частям. В противном случае, т.к. при

5 этаком медленно протекающем процессе выпаривания, всегда имела бы место вред; ная конденсация растворителя, находящегося в смеси, в. более холодной части формовочного материала. Поэтому в спосо0 бе по настоящему изобретению необходимо использовать такой метод нагрева, который обеспечивает нагрев растворителя до точки кипения (в насыщенном растворе) одновременно в каждой точке в формовочном мате5 риале. Такого типа нагрев осуществляют посредством описанного выше электромагнитного поля с быстро чередующимся направлением, действующего на поляризованные молекулы воды так, что

0 растворитель нагревается и в конце концов полностью выпаривается.

На твердую форму или стержень, изготовленные описанным выше образом, наносят покрытие окунанием или их покрывают

5 каким-либо материалом, который отталкивает .расплавленный металл. Материалом для покрытия окунанием является материал, в котором растворитель или жидкий компонент физической смеси материала для покрытия представляет собой жидкость, которая не растворяет связующее вещество формы или стержня. Следовательно, в качестве растворителя или жидкого компонента но должна быта использована вода. Когда в качестве связующего вещества используют алюминат натрия, то в качестве растворителя материала для покрытия окунанием мож- ноиспользовать,например,

концентрированный (абсолютный) этиловый спирт или ацетон. Затем из формы или стержня удаляют каким-либо способом, соответствующим тому, который используют для сушки формы и стержня, растворитель материала для покрытия окунанием и остаток растворителя связующего вещества стержня или формы (если он есть).

После этого линейные формы и стержни собирают для осуществления процесса литья, причем сборка может быть выполнена обычным способом.

При использовании литейной формы для литья изделий, имеющих тонкие стенки, или эквивалентных изделий формы с ее стержнем могут быть нагреты перед литьем, для того, чтобы повысить текучесть металла или металлического сплава. Предварительный нагрев может быть осуществлен без вреда для связующего вещества, например, до50-500°С.

Чтобы обеспечить эффект отбела. литейная форма с ее стержнем может быть охлаждена, например, до температуры в пределах О -150°С, что тоже не окажет вредного действия на связующее вещество. Охлаждение может быть осуществлено, например, посредством холодного газа (такого, как воздух, азот или аргон), не вступающего в химическую реакцию со связующим веществом с образованием продукта реакции, нерастворимого в воде.

Литейная форма с ее стержнем может быть залита расплавленным металлом либо обычным образом (в атмосфере литейного цеха), либо при отрицательном давлении с обеспечением требуемого разрежения.

В форме и стержне, изготовленных описанным выше образом, имеется большое пространство между зернами формовочного материала, что способствует перемещению газов в форме или стержне, и, следовательно означает, что газопроницаемость полученных формы и стержня очень хорошая. Газопроницаемость может быть максимально увеличена путем использования частиц формовочного материала насколько возможно большого и одинакового размера.

После кристаллизации залитого металла или металлического сплава разьединение форм и стержней на части может быть

осуществлено просто путем растворения и удаления связующего вещества формовочного материала посредством воды, потому что используемое связующее вещество таково, что позволяет - после возможного заполнения формы инертным газом, нагрева или охлаждения, литья и кристаллизации - вновь растворять его в растворителе (т.е. воде), что обеспечивает возможность высвобождения отливки без образования пыли и без вредных выделений в жидкой фазе. Растворение связующего вещества может быть осуществлено, например, посредством струи воды или струи воды с паром или путем погружения изделия в воду.

После разъединения формы или стержня на составные части описанным выше образом производят отделение зерен формовочного материала от смеси водяного

раствора для повторного использования после промывки и сушки. Таким образом, предлагаемый способ дает возможность использовать связующее вещество повторно, что обеспечивает почти замкнутую цепь

циркуляции. Раствор связующего вещества в воде может быть использован для разьединения форм и стержней на части в зависимости от температуры до тех пор пока концентрация связующего вещества в растворе не повысится до 30-50% по весу. Шлам, образованный материалом для покрытия окунанием, может быть удален из используемого при разъединении раствора путем фильтрации. Связующее вещество

может быть отделено от раствора (когда он холодный) путем кристаллизации или путем выпаривания раствора до сухости. Раствор связующего вещества является сильно щелочным, раствором, но тем не менее он не

делает воду эвтрофной и потому не представляет опасности для окружающей среды. Черные металлы не покрываются ржавчиной под воздействием раствора связующего, потому что раствор связующего

пассивирует их поверхность.

Формула изобретения

Способ изготовления литейных форм и стержней для литья металлов, включающий смешивание зернистого формовочного материала и связующего в виде водного раствора и последующее их отверждение, причем в качестве связующего используют алюминат натрия Na2O , отличающийся тем, что. с целью повышения качества отливок за счет повышения точки плавления связующего и предотвращения уноса зерен формовочного материала потоком металла в тело отливки, в качестве

9183474310

зернистого формовочного материала не-ного раствора для образования твердых попользуют корунд, молярное соотношениеремычек между зернами формовочного ма- алюмината натрия составляет 1:1, а отверж--териала,. причем соль связующего легко дение форм и стержней осуществляют воз- .растворима в воде или в ее ненасыщенном действием на них энергией микроволн, в 5растворе, а ее химические свойства не изме- частноспг СВЧ-энергией, до кристаллиза-нйются в течение всего технологического ции соли связующего из насыщенного вод-цикла.

Сущность изобретения: формы и стержни изготавливают из зернистого формовочного материала и из связующего вещества, скрепляющего зерна формовочного материала друг с другом, В качестве связующего вещества для формовочной смеси используют алюминат натрия N320 , соль ко-. торого растворима о воде и имеет высокую точку плавления. В процессе формовки связующее вещество выкристаллизовывают из его водного насыщенного раствора энергией микроволн, в частности, СВЧ-энер- гией, в результате чего связующее образует между зернами Формовочного материала перемычки, скрепляющие зерна материала друг с другом. Молярное соотношение алюмината натрия составляет 1:1.