СМЕСЬ НАЛИВНАЯ ФОРМОВОЧНАЯ С ПОВЫШЕННОЙ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬЮ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ
MOULDING FILLING SAND WITH INCREASED GAS PERMEABILITY FOR PRODUCTION OF CASTS OUT OF NON-FERROUS ALLOYS

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении форм и стержней по постоянным и разовым моделям в производстве точных отливок из сплавов цветных металлов, преимущественно склонных к газонасыщению.
В настоящее время в ювелирном литье широко используются импортные формовочные смеси: "К-90", "Суперкаст", "Сатинкаст", "Ультравест", а также отечественные серии "Ювелирная", содержащие гипс высокопрочный, мелкодисперсный наполнитель на основе кремнезема в фазе кристобалита или тридимита, технологические добавки, замедляющие схватывание гипса, и воду в качестве затворителя [Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литье. - СПб.: Политехника, 1996. - с.172-174]. Однако, являясь узкоспециализированными на производство ювелирных изделий методом литья по выплавляемым моделям, эти смеси не обеспечивают требуемого качества машиностроительных отливок, в особенности крупногабаритных и сложнопрофильных. Кроме того, они являются дорогостоящими из-за наличия в их составе в качестве наполнителя кристобалита или электродинаса.
Известна смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов [Патент РФ №2175909. Смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов / Ердаков И.Н., Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Дубровин В.К. и др. Бюл. №32, 2000 г.], состоящая из мелкодисперсного наполнителя на основе кремнезема в виде диспергированного кварцевого песка, гипса высокопрочного, воды и дигидрофосфата натрия в качестве замедлителя схватывания гипса. Данная смесь предназначена в основном для литья художественных отливок из медных сплавов по выплавляемым моделям.
3
3
Наиболее близкой по технической сущности является смесь, содержащая мелкодисперсный наполнитель на основе кремнезема в виде динасового порошка, гипс, воду, а в качестве добавки - азотнокислую соль алюминия, безводный нитрат алюминия Al(NO). Добавка вводится в затворитель в количестве 5 мг на 1 л воды с целью замедления схватывания гипса [Иванов В.Н., Карпенко В.М. Художественное литье. - Минск, Высшая школа, 1999 г., с.139-141] (прототип).
3
3
Формы, изготовленные из данной смеси, обладают практически нулевой газопроницаемостью из-за малой пористости, что затрудняет получение качественных отливок из сплавов цветных металлов, склонных к образованию газовых дефектов, в частности алюминиевых, а также при изготовлении форм по выжигаемым и газифицируемым пенополистироловым моделям. Применение выжигаемых моделей затруднено из-за недостаточного доступа кислорода воздуха к моделям на этапе их выжигания, получение годных отливок по газифицируемым моделям практически невозможно из-за поражения отливок дефектами вследствие проникновения в них сажистых отложений. Безводный нитрат алюминия Al(NO)), вводимый в составе прототипа в смесь в количестве 5 мг на 1 л воды, позволяет замедлить схватывание гипса, но не увеличивает газопроницаемость формы. Безводный нитрат алюминия является неустойчивым химическим соединением, при хранении он постепенно гидратируется. В промышленных масштабах не выпускается.
В основу изобретения положена техническая задача - создание наливной формовочной смеси с повышенной газопроницаемостью, обеспечивающей получение качественных отливок из сплавов цветных металлов, склонных к образованию газовых дефектов.
Указанная техническая задача решается таким образом, что в смеси в качестве связующего применяется гипс высокопрочный, а в качестве добавки, повышающей газопроницаемость литейной формы, согласно изобретению используется нитрат алюминия девятиводный. Наполнителем является мелкодисперсный кварцевый песок, затворителем - вода, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
гипс высокопрочный
12,7…19,8;
мелкодисперсный кварцевый песок
49,9…61,1;
нитрат алюминия девятиводный
0,9…2,4;
вода
остальное.
3
3
2
Нитрат алюминия девятиводный Al(NO)·9HO (например, ГОСТ 3757-75) вводится путем его растворением в водопроводной или дистиллированной воде в процессе приготовления формовочной смеси. В процессе заполнения оснастки формовочная суспензия обладает хорошей текучестью, а после заполнения оснастки в процессе затвердевания нитрат алюминия вступает в химическое взаимодействие с гипсом с образованием газообразных продуктов, которые создают пористость в объеме смеси. Положительным моментом заявляемого состава смеси является качественная гладкая рабочая поверхность формы и увеличивающаяся пористость формы и, следовательно, газопроницаемость, от рабочей поверхности к внешней. Это создает при заливке форм металлом благоприятные условия отвода газов от отливки через форму. Формирование такой структуры связано с тем, что образование газообразных продуктов взаимодействия гипса и нитрата алюминия начинается после прочной адгезии на модели тонкого слоя формовочной смеси, не участвующего впоследствии в процессах газообразования. Добавка также сама выступает в роли связующего, обволакивая частицы наполнителя и повышая тем самым прочность формы.
Содержание в предлагаемой смеси гипса менее 12,7 мас.% отрицательно сказывается на прочности готовых форм и снижает качество поверхности готовой отливки. Напротив, содержание гипса более 19,8 мас.% приводит к удорожанию формовочной смеси без улучшения качества.
3
3
2
Количество нитрата алюминия девятиводного Al(NO)·9HO в составе смеси 0,9…2,4 мас.% является оптимальным с позиции образования необходимой пористости и газопроницаемости форм, при этом реологические свойств гипсовой суспензии (текучесть, живучесть и др.) находятся также в оптимальных пределах. Снижение содержания нитрата алюминия менее 0,9% не позволяет получить достаточную пористость и газопроницаемость форм. Увеличение количества нитрата девятиводного более 2,4% приводит к появлению повышенной шероховатости рабочей поверхности форм и, следовательно, отливок.
Подготовку заявляемой наливной формовочной смеси с повышенной газопроницаемостью осуществляют следующим образом. Навешивают расчетное количество высокопрочного гипса и мелкодисперсного кварцевого песка. Затем отмеряют необходимое количество воды и растворяют в ней нужное количество нитрата алюминия девятиводного. Перед непосредственным изготовлением форм в предварительно подготовленный затворитель, из расчета 360…380 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих, засыпают гипс, перемешивают в течение 0,5-1 минуты и уже потом засыпают песок. Затем смесь тщательно перемешивают при скорости вращения крыльчатки 3000…6000 об/мин. После чего суспензия может быть использована для изготовления форм.
Примеры вариантов предлагаемого состава наливной формовочной смеси с различным содержанием добавки в сравнении с прототипом приведены в табл.1.
Таблица 1
Составы смесей
Наименование ингредиентов
Количество ингредиентов, % мас., в смесях
прототип
1
2
3
Гипс высокопрочный
14,47
12,9
16,35
19,8
Динас молотый
57,89
-
-
-
Мелкодисперсный кварцевый песок
61,1
57,95
49,9
Нитрат алюминия безводный
0,0002
-
-
-
Нитрат алюминия девятиводный
0,9
1,8
2,4
Вода
Остальное
Остальное
Подготовленные смеси используют для изготовления форм с фиксацией их технологических свойств.
Показателями для сравнения являются продолжительность затвердевания (живучесть) суспензии, газопроницаемость, прочность форм, шероховатость поверхности и наличие газовых дефектов в отливках.
Время начала и конца затвердевания определяют по игле Вика, прочность форм измеряли, испытывая на сжатие стандартные образцы диаметром и высотой 50 мм после выдержки на воздухе через 24 часа. Газопроницаемость форм измеряли по ГОСТ 23409.6-78 на приборе польской фирмы «WADAP».
Формы заливают алюминиевым сплавом АК7 при температуре 680°С. По каждому варианту было изготовлено около 20 отливок.
Шероховатость отливок определяют на профилометре модели 296. Наличие дефектов газового происхождения на поверхности отливок оценивают визуально, в теле отливок - с помощью рентгеновского контроля.
Результаты испытаний смесей приведены в табл.2.
Таблица 2
Результаты испытаний
Показатели
Результаты испытаний смесей по составам
прототип
1
2
3
1. Время затвердевания с момента затворения смеси, мин
18-22
16-22
18-24
20-26
2. Прочность форм при сжатии, МПа после выдержки на воздухе в течение 24-х часов
2,1
2,1
2,4
2,3
3. Газопроницаемость формы, единиц газопроницаемости
1
18
25
30
4. Шероховатость поверхности отливки, R<sub>Z</sub>, мкм
30
21
21
19
5. Наличие газовых раковин
есть
нет
нет
нет
Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси позволяет более чем в 18 раз увеличить газопроницаемость форм и тем самым предотвратить образование дефектов газового происхождения на отливках, при этом основные технологические свойства смеси и форм остаются на достаточно высоком уровне.
Смесь прошла технологические испытания в лаборатории литейных процессов кафедры «Литейное производство" Южно-Уральского государственного университета (г.Челябинск).