ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ ДЛЯ ЛИТЬЯ
METHOD OF MAKING CASTING MOULDS

Изобретение относится к способу изготовления форм для литья, более конкретно - оболочковых форм, песчаных литейных стержней и их частей, и к применению в этом способе подходящих композиций и устройств.
В литейной технике необходимы термостойкие формы, которые, в частности, можно изготовить из дисперсного огнеупорного материала и связующего.
В качестве форм для литья часто используют оболочковые формы, которые можно изготовить способом Кронинга (названным по имени его автора Иоганна Кронинга). Как правило, оболочковые формы состоят из двух половин, которые в соединенном виде образуют оболочку, состоящую из формовочного материала, которая соответствует контуру модели. Оболочковые формы или их детали преимущественно изготавливают из смесей песка и синтетической смолы с использованием нагреваемых модельных оснасток. Смесь помещают в полую модель, внутренняя полость которой соответствует контурам всех поверхностей изготавливаемой формы или изготавливаемой части формы. Под воздействием тепла в процессе формования синтетическое связующее отвердевает, и образуется самонесущая форма в виде оболочки, предпочтительно имеющая малую толщину, которая повторяет наружный контур изделия, которое необходимо отлить. При последующем процессе литья эту форму можно заполнить, например, гранулятом.
Для получения пустот внутри литых изделий используют литейные стержни, которые можно разместить внутри литейной формы, и наружная форма которых соответствует внутреннему контуру изделия, которое необходимо отлить. Литейный стержень также по существу является частью литейной формы. После литья литейный стержень можно удалить (извлечь) из отлитого изделия.
Как и оболочковые формы, стержни обычно изготавливают из дисперсного (порошкообразного) огнеупорного материала и связующего. Для этого можно, например - в случае так называемого пескодувного способа, поместить песок (так называемый формовочный песок для литейных стержней), смешанный со связующим, под определенным давлением и при определенной температуре в стержневой ящик (устройство, которое, как правило, состоит из двух частей или двух половин, и которое в рабочем состоянии содержит по меньшей мере одну внутреннюю полость в форме стержня, который необходимо изготовить - так называемое формовочное гнездо). После отверждения связующего готовый стержень (который из-за его состава обычно называют песчаным литейным стержнем) можно вынуть из стержневого ящика и использовать по назначению.
Так как при производстве металлических литых изделий не должно происходить химических реакций между жидким металлом и формой, оболочковые формы и литейные стержни обычно изготавливают из материалов очень высокого качества, например - из чистого кварцевого песка. Размер частиц материалов при этом предпочтительно выбирают таким, чтобы поверхности отлитых изделий не были слишком шероховатыми.
В качестве связующих, как правило, используют органические связующие, например - жидкие фенольные, фурановые и аминные смолы (или их комбинации). При добавлении отвердителя, например - стеарата аммония, полученная таким образом смесь с подходящим дисперсным огнеупорным материалом при температурах от 200°C до 270°C может отвердевать за очень короткое время. Кроме того, в последнее время все чаще используют неорганические связующие. В качестве таковых рассматриваются, в частности, жидкое стекло, сульфат магния, фосфат натрия, глины, монтмориллонит, глауконит, каолин, аэрогели, цемент или гипс. Кроме того, для использования в качестве неорганических связующих обычно пригодны слоистые минералы, в частности, слоистые силикаты.
Однако, как при использовании органических связующих, так и при использовании неорганических связующих часто возникают проблемы. Так, часто возникают налипания смеси, состоящей из дисперсного огнеупорного материала и связующего, на стенки вышеупомянутой внутренней полости. С течением времени возникают все более толстые налипания, которые приводят к неточностям форм, которые впоследствии воспроизводятся в готовом литом изделии.
Известно, что образования таких налипаний или припеков можно избежать с помощью так называемых прокладок (Quickpads). В случае прокладки речь идет о противопригарной наклейке, в основе которой может быть, например, слой тефлона. Эту наклейку необходимо вручную приклеить во внутренней полости, а после снижения ее эффекта снова удалить и заменить, что связано с относительно высокими затратами. Кроме того, такие прокладки можно использовать лишь в ограниченном объеме, так как очень сложные контуры, образующиеся в некоторых областях внутренних полостей, делают их использование невозможным. Кроме того, прокладки выдерживают лишь ограниченные термические нагрузки, и поэтому они непригодны для использования в способе горячего отверждения.
Известно, что в качестве альтернативы прокладкам можно использовать одноразовые разделительные материалы, в частности - на основе воска. Такие разделительные материалы наносят на стенки внутренних полостей в виде жидкой пленки. Тем не менее, именно в критических зонах они часто бывают неэффективными, так как смесь, состоящая из дисперсного огнеупорного материала и связующего, часто поступает в полые модели и стержневые формы под высоким давлением, и разделительный материал при этом механически смывается.
В основе настоящего изобретения лежит задача предложить усовершенствованное техническое решение для изготовления литейных форм для литья, в частности, оболочковых форм и литейных стержней, при использовании которого не возникало бы указанных выше проблем.
Эта задача решена за счет способа изготовления форм для литья с признаками п.1 формулы изобретения, применения с признаками п.8 формулы изобретения и устройства с признаками п.24 формулы изобретения. Предпочтительные формы осуществления способа согласно настоящему изобретению определены в зависимых пунктах со 2 по 7 формулы изобретения. Предпочтительные формы осуществления применения и устройства согласно настоящему изобретению определены в зависимых пунктах с 9 по 23 и с 25 по 28 формулы изобретения. При необходимости некоторые предпочтительные признаки в дальнейшем будут более подробно разъяснены лишь в рамках описания одного из вышеупомянутых предметов настоящего изобретения. Независимо от этого, соответствующее разъяснение должно относиться ко всем предметам настоящего изобретения. Точный текст формулы изобретения будет приведен со ссылками на содержание данного описания изобретения.
Способ согласно настоящему изобретению используется для изготовления форм для литья, особо предпочтительно - оболочковых форм, литейных стержней (в частности - песчаных литейных стержней) и их частей. С помощью способа согласно настоящему изобретению можно изготовить как формы, которые определяют наружный контур изделия, подлежащего отливке, так и формы, которые можно использовать для формирования внутреннего пространства литейных форм (литейные стержни).
В способе согласно настоящему изобретению композицию, содержащую дисперсный огнеупорный материал и связующее, помещают, в частности, нагнетают, в полую модель. После заполнения модели связующее, как правило, сразу же отвердевает, после чего можно извлечь изготовленные формы. Внутренняя полость полой модели или ее форма при этом определяют контуры всех поверхностей изготавливаемой формы или изготавливаемого стержня. Сама модель состоит по меньшей мере из двух частей, которые можно отделить друг от друга, чтобы обеспечить извлечение формы. Для изготовления песчаных стержней предпочтительно используют стандартный формовочный ящик или стандартную литейную опоку, которые хорошо известны специалистам в данной области техники.
Способ изготовления литейных форм для литья согласно настоящему изобретению, в частности, характеризуется тем, что на по меньшей мере одну из отделяемых друг от друга частей перед использованием наносят композицию, которая содержит по меньшей мере один кремнийорганический компонент и предпочтительно - по меньшей мере один растворитель.
Способ изготовления литейных стержней для литья согласно настоящему изобретению предпочтительно включает следующие этапы:
- введение, в частности, инжекцию, композиции, содержащей дисперсный огнеупорный материал и связующее (композиция предпочтительно состоит по существу из дисперсного огнеупорного материала и связующего), через по меньшей мере одно впускное отверстие во внутреннюю полость,
- отверждение связующего, и
- извлечение формы.
Композицию, содержащую кремнийорганический компонент, предпочтительно наносят таким образом, чтобы стенки внутренней полости по меньшей мере частично, предпочтительно - полностью, были покрыты пленкой или покрытием. В частности, композицию наносят на те области, которые при введении композиции, содержащей дисперсный огнеупорный материал и связующее, будут испытывать наиболее сильную механическую нагрузку, т.е. области, которые лежат напротив по меньшей мере одного впускного отверстия, и на которые непосредственно попадает композиция при инжекции.
Нанесение композиции предпочтительно осуществляется посредством напыления или методом погружения. Естественно, что необходимо всякий раз использовать композицию с подходящей консистенцией. Необходимые для этого и другие свойства композиции можно отрегулировать посредством добавления соответствующих добавок, таких как загустители, реологические добавки и т.п. Подходящие добавки известны специалистам в данной области техники и не требуют в этой части описания подробного объяснения.
Непосредственно после нанесения композицию, содержащую кремнийорганические компоненты, можно отвердить. В рамках способа согласно настоящему изобретению предпочтительно осуществляется термическое отверждение, предпочтительно - при температурах, лежащих в диапазоне от комнатной температуры до 350°C, особо предпочтительно - от 20°C до 300°C, наиболее предпочтительно - от 30°C до 200°C.
В этом случае композиция предпочтительно содержит по меньшей мере один термически сшиваемый компонент. Это, в частности, также может быть по меньшей мере один кремнийорганический компонент.
В следующей предпочтительной форме осуществления способа согласно настоящему изобретению отверждение может осуществляться с помощью электромагнитного излучения. Особо предпочтительно при этом использование излучения с длиной волны в УФ- и/или ИК-диапазоне.
В этом случае композиция предпочтительно содержит по меньшей мере один компонент, сшиваемый излучением. Так, например, по меньшей мере один кремнийорганический компонент может иметь боковые цепи (в частности - с этиленовыми двойными связями), которые могут сшиваться при облучении.
Принципиально также возможно, чтобы отверждение осуществлялось как термически, так и с помощью излучения. Так, в композиции могут содержаться как термически сшиваемые компоненты, так и компоненты, сшиваемые излучением, причем не все компоненты должны быть кремнийорганическими компонентами. Так, например, в качестве составной части композиции могут быть предпочтительными полиэфирные смолы.
Полученная таким образом кремнийорганическая пленка, или покрытие, превосходно выполняет разделительную функцию, она эффективно препятствует непосредственному контакту композиции, содержащей дисперсный огнеупорный материал и связующее, по меньшей мере с критическими зонами стенок внутренней полости формы. Поэтому пленку, или покрытие, можно назвать также разделительным слоем. Она обладает низкой смачиваемостью. Кроме того, она отличается исключительно высокой абразивной стойкостью и очень хорошими адгезивными свойствами.
Что касается дисперсного огнеупорного материала, то речь прежде всего идет о песке, в частности, о кварцевом песке.
В качестве связующего для дисперсного огнеупорного материала могут быть использованы ранее упомянутые органические связующие. Разумеется, можно использовать и неорганические связующие, при необходимости - в комбинации с одним или несколькими органическими связующими. В качестве неорганического связующего рассматриваются, в частности, жидкое стекло, сульфат магния, фосфат натрия, глина, монтмориллонит, глауконит, каолин, аэрогели, цемент, гипс, слоистые минералы, такие как слоистые силикаты, и комбинации названных компонентов.
Как уже упомянуто, настоящее изобретение охватывает и применение композиции, которая содержит по меньшей мере один кремнийорганический компонент и, предпочтительно, по меньшей мере один растворитель, для изготовления форм для литья и их частей, в частности, в рамках способа изготовления литейных форм для литья согласно настоящему изобретению.
В случае по меньшей мере одного кремнийорганического компонента речь предпочтительно идет о компоненте, способном к сшиванию, сюда относятся также соединения, которые могут вступать между собой в реакции при облучении и/или при нагревании. Особо предпочтительно сюда относятся силан или силоксан или силиконовое соединение, способные к сшиванию. Также можно использовать комбинации силанов и силоксанов или силиконов.
Из силанов согласно настоящему изобретению наиболее подходящими являются органофункциональные силаны, такие как амино-, эпокси-, метакрилокси- и изоцианатосиланы. В случае метакрилоксисиланов в предпочтительных формах осуществления настоящего изобретения речь идет, прежде всего, о силанах, которые сшиваются под действием излучения, то есть которые могут отверждаться, например, под действием УФ-излучения, как уже обсуждалось выше.
В качестве силоксанов или силиконов можно использовать, например, полисилоксаны, в частности - полидиалкилсилоксаны (например, полидиметилсилоксан), полиорганосилоксаны, эпоксисиликоны и полиэфирсиликоны. Они должны, соответственно, иметь сшиваемые группы. При этом речь может идти, например, о таких группах, как свободные гидроксильные группы, которые могут вступать в реакцию конденсации, или, например, об алкоксигруппах, из которых могут образовываться свободные гидроксильные группы.
Кроме того, может быть предпочтительным, чтобы композиция содержала другие кремнийорганические компоненты; особо предпочтительно, в частности, чтобы она содержала алкоксисиланы. Среди особо предпочтительных алкоксисиланов следует прежде всего назвать алкилалкоксисиланы, такие как триметилэтоксисилан или триметилметоксисилан.
В общем, в предпочтительных формах осуществления композиция, которую можно использовать согласно настоящему изобретению, содержит по меньшей мере одно из указанных выше сшиваемых кремнийорганических соединений и, кроме того, по меньшей мере один алкоксисилан.
Кроме того, композиция может содержать по меньшей мере один силан с галогенсодержащими, предпочтительно - фторсодержащими, боковыми цепями, в том числе - в качестве по меньшей мере одного способного к сшиванию кремнийорганического компонента. Особо предпочтительно речь идет при этом об алкоксисилане с галогенсодержащими, в частности - фторсодержащими, боковыми цепями, особо предпочтительно - об тридекафтор-1,1,2,2-тетрагидрооктил-1-триэтоксисилане.
Композиция, которая содержит как такой силан с галогенсодержащими боковыми цепями, так и алкилалкоксисилан, описана в Примерах.
Наряду с по меньшей мере одним способным к сшиванию кремнийорганическим компонентом композиция, которую можно использовать согласно настоящему изобретению, может также содержать другие способные к сшиванию органические компоненты, не имеющие кремнийорганической природы, в частности - полиэфирные компоненты.
В особо предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один способный к сшиванию кремнийорганический компонент и по меньшей мере один другой способный к сшиванию органический компонент содержатся в композиции совместно в форме силиконполиэфирной смолы. Подходящими силиконполиэфирными смолами являются, например, стандартные коммерческие метилфенилсиликоновые смолы, модифицированные полиэфиром, которые пригодны также для нанесения покрытий на формы для выпечки с целью облегчения извлечения из форм выпечных хлебобулочных изделий.
2
n
Также может быть предпочтительным, чтобы композиция, которую можно использовать согласно настоящему изобретению, совместно с по меньшей мере одним кремнийорганическим компонентом содержала один или несколько разделительных материалов, в частности, по меньшей мер одно разделительное масло. Предпочтительно в случае разделительных материалов речь идет о линейном или разветвленном полисилоксане, в частности, о полисилоксане, имеющем формулу RO-[R'Si-O]-R, где R и R' независимо друг от друга обозначают алкильный остаток с 1-8 атомами С или ароматический остаток с 6-20 атомами С.
В следующих предпочтительных формах осуществления настоящего изобретения в композиции совместно с по меньшей мере одним кремнийорганическим компонентом могут содержаться также неорганические частицы, в частности, частицы с размером зерна в диапазоне от нанометров до микрометров. Качество неорганических частиц некритично, принципиально пригодны любые керамические частицы. Особо предпочтительно речь все же идет о силикатных частицах. Неожиданно было обнаружено, что наличие таких частиц заметно повышает абразивную устойчивость разделительного слоя.
В качестве других компонентов композиция, которую можно использовать согласно настоящему изобретению, и которая содержит по меньшей мере один кремнийорганический компонент, содержит также компоненты, которые могут выполнять роль сшивающего агента. Общеупотребительные сшивающие агенты известны специалистам в данной области техники. Особо предпочтительно использовать триэтоксисилан (TEOS) или триацетоксиметилсилан.
Дополнительно к сшивающему агенту или альтернативно ему композиция, которую можно использовать согласно настоящему изобретению, может также содержать катализатор, в частности, по меньшей мере один катализатор конденсации. При этом речь может идти, например, о кислоте, такой как соляная кислота или серная кислота.
В случае вышеупомянутого растворителя речь предпочтительно идет об органическом растворителе, в частности, о по меньшей мере одном спирте, простом эфире и/или сложном эфире. Также можно использовать неполярный растворитель, например - бензин. Однако качество растворителя не имеет принципиального значения для настоящего изобретения.
Устройство согласно настоящему изобретению, предназначенное для изготовления литейных форм для литья, в частности, пригодно для изготовления оболочковых форм и песчаных литейных стержней. Оно содержит по меньшей мере одну часть, которая снабжена кремнийорганической пленкой или покрытием, в частности, отвержденной кремнийорганической пленкой или покрытием. Предпочтительно в случае устройства согласно настоящему изобретению речь идет о собственно литейной форме.
Пленку или покрытие предпочтительно изготавливают из композиции, содержащей по меньшей мере один кремнийорганический компонент и, предпочтительно, по меньшей мере один растворитель, как подробно описано выше.
В предпочтительных формах осуществления настоящего изобретения пленка или покрытие имеет толщину в диапазоне от 1 мкм до 100 мкм, предпочтительно - от 1 мкм до 20 мкм.
По меньшей мере одна часть предпочтительно по меньшей мере частично, а в предпочтительных формах осуществления настоящего изобретения - полностью, состоит из металла и/или пластмассы.
Особо предпочтительно, чтобы пленка или покрытие были связаны с по меньшей мере одной частью литейной формы перманентно или по меньшей мере квазиперманентно. В предпочтительных формах осуществления настоящего изобретения эта связь настолько прочна, что эту пленку невозможно удалить без ее разрушения. Пленка или покрытие образует на поверхности по меньшей мере одной части кремнийорганическую матрицу, в которую в предпочтительных формах осуществления настоящего изобретения могут быть включены неорганические частицы.
Другие признаки настоящего изобретения станут очевидными из примеров осуществления изобретения совместно с зависимыми пунктами формулы изобретения. При этом в каждой из форм осуществления настоящего изобретения отдельные признаки могут быть осуществлены по отдельности или в комбинации друг с другом. Описанные предпочтительные формы осуществления настоящего изобретения служат исключительно для разъяснения и лучшего понимания сущности изобретения, и их ни в коем случае не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения.
Пример 1
Приготовление Композиции А, которую можно использовать согласно настоящему изобретению
В колбе объемом 1000 мл готовили смесь из 500 г смешанной с разделительным агентом метилфенилполисилоксановой смолы, модифицированной полиэфиром (например, коммерческой метилфенилполисилоксановой смолы, модифицированной полиэфиром, пригодной для извлечения из форм сахаросодержащих выпечных изделий) и 500 г метоксипропилацетата в качестве растворителя (при необходимости, подкрашенного красителем ультрамариновым синим экстратемным) и перемешивали ее в течение часа при комнатной температуре. В зависимости от желаемой толщины пленки возможно разбавление в диапазоне от 2:1 до 1:2. После перемешивания в течение 4 часов при комнатной температуре продукт готов к употреблению, и его можно наносить посредством распыления.
Пример 2
Приготовление Композиции В, которую можно использовать согласно настоящему изобретению
Состав:
Исходный материал
%
2-пропанол
93,8425
Силан с фторсодержащими боковыми цепями
2,49
TEOS (Dynasyl А) тетраэтоксисилан
2,035
Триметилэтоксисилан
0,5775
Соляная кислота 0,1 моль/л
1,055
Спирт наливали в стеклянную колбу объемом 1000 мл. С помощью капельной воронки при интенсивном перемешивании последовательно добавляли к нему в течение часа силан с фторсодержащими боковыми цепями (тридекафтор-1,1,2,2-тетрагидрооктил-1-триэтоксисилан), TEOS и триметилэтоксисилан. Затем по каплям добавляли соляную кислоту. После перемешивания в течение 4 часов при комнатной температуре продукт гидролиза готов к употреблению и его можно наносить.
Пример 3
Приготовление Композиции С, которую можно использовать согласно настоящему изобретению
Состав:
Исходный материал
%
2-пропанол
93,76
Силан с фторсодержащими боковыми цепями
2,55
Коллоидная дисперсия силиката
3,59
Серная кислота конц.
0,10
Спирт наливали в стеклянную колбу объемом 1000 мл. С помощью капельной воронки при интенсивном перемешивании последовательно добавляли к нему в течение часа силан с фторсодержащими боковыми цепями (тридекафтор-1,1,2,2-тетрагидрооктил-1-триэтоксисилан) и коллоидную дисперсию силиката (дисперсию силиката в изопропаноле с размером частиц, примерно равным 13 нм, и с содержанием твердых веществ, равным 30%). Затем по каплям добавляли серную кислоту. После перемешивания в течение 4 часов при комнатной температуре продукт готов к употреблению и его можно наносить.
Пример 4
Использование Композиции А
В качестве предварительной обработки предпочтительно, чтобы детали, на которые необходимо нанести покрытие (например, испытательные плиты из высококачественной стали с размером 5 см × 15 см, используемые в качестве испытательного субстрата), были очищены изопропанолом. Альтернативно или дополнительно можно также очистить детали посредством пескоструйной обработки.
Композицию А из Примера 1 наносили с помощью пистолета-распылителя (например, SATA minijet 4 HVLP с соплом 0,8) под давлением, равным 2 бар. Полученные толщины пленки находились в диапазоне от 3 мкм до 75 мкм. Отверждение производили (в сушильном шкафу) при температурах от 150°С до 230°С в течение промежутка времени от 1 до 4 часов.
Пример 5
Использование Композиций В и С
Композиции В и С из Примеров 2 и 3 наносили с помощью салфетки (предпочтительно - салфетки для чистых помещений, например - Betawype ТХ 2009 производства компании Texwype) и втирали (полировали). Термофиксацию проводили при 200°С с использованием теплоэлектровентилятора в течение 1-3 минут, предпочтительно - в течение 90 секунд, или (в сушильном шкафу) в течение 1-4 часов при 150-190°С, предпочтительно - в течение 2 часов при 190°С.
Пример 6
В литейном цеху автомобильного завода Композицией А был обработан стержневой ящик с 20 рабочими полостями. При этом композицией были обработаны критические области (участки напротив входных отверстий для нагнетания формовочного материала стержня). Композиция была нанесена и оставлена для отверждения на 24 часа при комнатной температуре. Затем этот стержневой ящик был использован в серийном производстве. Было установлено, что время до начала критического налипания формовочного материала стержня удалось увеличить в три раза.
Пример 7
В литейном цеху Композицией А были обработаны детали полой модели, предназначенной для изготовления наружных форм для литья санитарной арматуры. Композицию А при этом наносили таким образом, чтобы стенки внутренней полости полой модели были полностью покрыты тонким слоем композиции. Затем композицию оставляли для отверждения в течение 24 часов при комнатной температуре. После этого форму использовали в серийном производстве. После многократного использования полой модели не удалось обнаружить никаких критических налипаний формовочного материала.
Пример 8
В литейном цеху автомобильного завода прямоугольная форма из металла с двумя рабочими полостями была обработана Композицией А. При этом композицией были обработаны критические области (участки напротив входных отверстий для нагнетания формовочного материала литейных стержней) в одной из рабочих полостей. Композиция была нанесена и оставлена для отверждения на 24 часа при комнатной температуре. Вторая рабочая полость была оклеена прокладками Quickpads (клеящаяся фольга с противопригарным эффектом). Затем эта литейная форма была использована в серийном производстве. Было установлено, что время до начала критического налипания было одинаковым при использовании обоих способов.