Способ изготовления литейных стержней и форм из жидкостекольных смесей
METHOD OF MAKING CASTING RODS AND MOLDS FROM LIQUID GLASS MIXTURES

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изготовлению литейных форм и стержней при производстве отливок из сплавов черных и цветных металлов.
Известен способ отверждения жидкостекольной смеси при изготовлении форм и стержней, включающий заполнение ею оснастки и продувку углекислым газом, отличающийся тем, что, с целью снижения расхода углекислого газа, повышения прочности смеси и упрощения технологии изготовления форм и стержней, продувку смеси углекислым газом осуществляют до момента его появления в вентах, затем венты перекрывают и в форме создают углекислым газом избыточное давление до полного отверждения смеси. С целью интенсификации процесса, после создания избыточного давления в форме производят повторную продувку смеси углекислым газом с периодическим открыванием вент [1].
Недостатками способа являются трудоемкость, необходимость использования сложной технологической оснастки, применения дополнительного оборудования для контроля газового режима и фиксации появления углекислого газа в вентах, повторной продувки, а также снижение безопасности условий труда производственного персонала, связанное с созданием избыточного давления газа в литейной форме или стержневом ящике.
Известен способ упрочнения форм и стержней из жидкостекольных смесей с помощью тепловой энергии направленным потоком углекислого газа за счет перепада давления, отличающийся тем, что, с целью стабилизации и интенсификации процесса, упрочнения и обеспечения высокой прочности рабочей поверхности форм и стержней, температуру углекислого газа поддерживают в интервале 80-320°С при его концентрации 0,5-7,0%, а перепад давления поддерживают в интервале 0,05-0,5 ат. [2].
Однако данный способ характеризуется сложностью управления, связанной с необходимостью применения специального оборудования для удержания концентрации и перепада давления газа в заданных интервалах, а также высокой энергоемкостью, ограниченным эксплуатационным ресурсом технологической стержневой (опочной) оснастки и ухудшением условий труда работающих из-за необходимости поддержания высокой температуры и давления углекислого газа-теплоносителя.
2
Известен способ изготовления литейных стержней из жидкостекольных смесей термо-шок-CO-процессом, включающий нагрев стержневой оснастки до температур 150-350°С, заполнение ее жидкостекольной смесью, уплотнение смеси, выдержку смеси в контакте с нагретой поверхностью оснастки, упрочнение стержня продувкой газом, отличающийся тем, что в процессе заполнения оснастки жидкостекольной смесью, выдержки в контакте с нагретой поверхностью оснастки и продувки стержня газом осуществляют вакуумирование стержневой оснастки со стороны, противоположной направлению загрузки в оснастку смеси и продувки стержня газом, при этом продувку стержня осуществляют углекислым газом или потоком холодного или подогретого воздуха с добавлением углекислого газа в количестве 10-80% [3].
К недостаткам способа можно отнести энергоемкость процесса и ограниченный эксплуатационный ресурс технологической оснастки, обусловленные необходимостью нагрева оснастки до высоких температур и выдержки смеси в контакте с нагретой поверхностью оснастки.
Наиболее близким к изобретению является способ изготовления литейных стержней и форм из жидкостекольных смесей, включающий заполнение стержневой или опочной оснастки смесью, ее уплотнение, упрочнение путем пропускания газа-отвердителя через смесь с одной стороны стержня или формы с одновременным отбором его с другой его стороны, отличающийся тем, что газ-отвердитель перед пропусканием предварительно нагревают до 60-180°С, а отбор его проводят вакуумированием с разрежением 0,02-0,065 МПа [4].
Данный способ был выбран в качестве прототипа.
Недостатки способа – недостаточный уровень выбиваемости, а также нестабильность прочностных свойств и газопроницаемости и неравномерность их распределения по телу литейных форм и стержней, получаемых данным способом, что с высокой вероятностью может привести к соответствующим дефектам отливок.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решаются задачи совершенствования технологического процесса, повышения качества получаемых отливок в части дефектов, возникающих по вине литейных стержней и форм, и снижения трудоемкости операции выбивки при изготовлении отливок.
Технический результат – высокий уровень и стабильность выбиваемости, прочностных свойств, газопроницаемости и равномерность их распределения по телу литейных форм и стержней из жидкостекольных смесей.
Технический результат достигается тем, что согласно способу изготовления литейных стержней и форм из жидкостекольных смесей, включающему заполнение стержневой или опочной оснастки смесью, ее уплотнение, упрочнение путем пропускания газа-отвердителя через смесь с одной стороны стержня или формы с одновременным его отбором вакуумированием с противоположной стороны, перед заполнением стержневой или опочной оснастки смесью в ее состав вводят твердый диоксид углерода («сухой лед») в виде частиц размерами 0,5-2,0мм в количестве 5-7% от массы литейного стержня или формы, а газ-отвердитель перед пропусканием предварительно нагревают до 180-200°С.
Известно, что наиболее эффективными и широко применяемыми в отечественном производстве вариантами обеспечения отверждения жидкостекольных смесей при изготовлении из низ литейных стержней и форм являются их продувка углекислым газом, а также воздействие на них тепла.
2
Твёрдый диоксид углерода CO («сухой лёд») – вещество, которое при обычных условиях (атмосферном давлении и комнатной температуре) сублимирует (возгоняется), т.е. переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Известно, что повышение температуры окружающей среды способствует интенсификации процесса сублимации «сухого льда».
Введение в состав жидкостекольной смеси твердого диоксида углерода («сухой лед») перед заполнением смесью стержневой или опочной оснастки позволяет качественно провести перемешивание, равномерно распределяя частиц «сухого льда» по объему смеси и, как следствие, создать необходимые предпосылки для обеспечения гомогенности смеси в части таких ее рабочих свойств, как объемная прочность и газопроницаемость.
Кроме того, твердое состояние диоксида углерода гарантирует сохранение в смеси после ее уплотнения ячеек, занятых частицами «сухого льда», а заданный размер частиц определяет требуемый уровень газопроницаемости смеси после их сублимации.
Низкая исходная температура «сухого льда», вводимого в состав смеси перед заполнением ею стержневой или опочной оснастки (ниже -80°С) замедляет работу механизмов химического и теплового отверждения стержня или формы, что обеспечивает живучесть смеси на этом этапе.
Повышение в сравнении с прототипом температуры нагрева газа-отвердителя, пропускаемого через смесь после заполнения ею оснастки и уплотнения, компенсирует снижение температуры смеси из-за замешивания в нее твердого диоксида углерода, способствуя при этом интенсификации сублимации частиц «сухого льда» и запуску механизмов ее упрочнения для формирования необходимой геометрии литейного стержня или формы.
Сублимированные частицы «сухого льда» переходят в газообразный диоксид углерода, который непосредственно участвует в реализации химического механизма отверждения жидкостекольного связующего в то время как нагретый газ-отвердитель обеспечивает механизм его теплового отверждения. В результате суперпозиционного наложения двух механизмов отверждения создаются условия для повышения эффективности и  производительности процесса.
В дополнение к этому в ходе сублимации частиц «сухого льда» из занятых ими ячеек стержневой смеси формируется ее сотовая структура, которая, с одной стороны, характеризуется высокими значениями газопроницаемости и объемной прочности материала литейного стержня или формы, а с другой, за счет повышенной пористости, создает предпосылки для обеспечения их выбиваемости.
Для уточнения количественных и качественных показателей заявляемого способа проводили комплекс опытно-экспериментальных работ.
3
Стержневая смесь на песчаной основе имела в своем составе натриевое жидкое стекло с модулем 2,7 ед. и плотностью 1,32 г/см. Содержание жидкого стекла в смеси составляло в смеси 5,0 мас.%. В качестве газа-отвердителя использовали воздух, подаваемый воздуходувкой по трубопроводу, в котором находилась электрическая спираль для нагрева. Вакуумирование стержневого ящика осуществляли с разрежением в интервале 0,02-0,065 МПа согласно прототипу.
На первом этапе исследований работали с опытными стержнями массой 0,5, 1,2 и 5,0 кг. Варьируя температуру, измеряли время полного отверждения стержней. Время контролировали кондуктометрическим методом по остаточной электропроводности после полного отверждения смеси, снимаемой с электродов, заложенных в центре стержней. Кроме того проводили качественную оценку их осыпаемости.
В таблице 1 приведены результаты исследования опытных стержней в сравнении с такими же стержнями, изготовленными способом-прототипом. Из таблицы видно, что при контрольных температурах менее 180°С время полного отверждения опытных стержней существенно превышает таковое для таких же стержней, изготовленных способом-прототипом, а у опытных стержней, изготовленных с применением газа-отвердителя, нагретого выше 200°С, зафиксирована повышенная осыпаемость. В этой связи в качестве оптимально для заявляемого способа был выбран температурный диапазон нагрева газа-отвердителя от 180 до 200°С.
На втором этапе исследований экспериментально определяли оптимальные размер частиц и содержание твердого диоксида углерода («сухой лед») в смеси перед заполнением ею стержневой или опочной оснастки по прочности, осыпаемости, газопроницаемости и выбиваемости опытных образцов, полученных с использованием газа-отвердителя, нагретого до 180-200°С, варьируя содержание в смеси и размер частиц «сухого льда», в сравнении с такими же образцами, изготовленными способом-прототипом.
Прочность смеси определяли по образцам-«восьмеркам», изготовленным по ГОСТ 23409.7, после их полного отверждения по установленному режиму.
Осыпаемость оценивали на специальном лабораторном приборе-барабане по методике ГОСТ 23409.9 на образцах-«цилиндрах», изготовленных в соответствии с ГОСТ 23409.6.
Газопроницаемость определяли по методике ГОСТ 23409.6 на приборе мод 04315.
Выбиваемость стержней оценивали по остаточной прочности образцов, сформированных по установленному упрочняющему режиму, после их вторичного нагрева до температуры 750°С контактирующего со стержнем алюминиевого расплава, последующего охлаждения и замачивания в воде (методика, изложенная в описании способа-прототипа).
Результаты испытаний образцов приведены в таблице 2.
Из таблицы видно, что стабильный и более высокий уровень выбиваемости, прочностных свойств и газопроницаемости и меньшая осыпаемость опытных образцов в сравнении с прототипом обеспечиваются при содержании в жидкостекольной смеси перед заполнением ею оснастки твердого диоксида углерода («сухой лед») в количестве 5-7% масс. в виде частиц размерами 0,5-2,0 мм.
На третьем этапе работ в условиях действующего производства изготавливали опытные партии отливок по 10 штук каждого наименования:
- «Корпус» массой 7,5 кг из сплава АК7ч ГОСТ 1583 со стержнем массой 0,55 кг;
- «Крышка» массой 15 кг из чугуна СЧ20 ГОСТ 1412 со стержнем массой 2,8 кг;
- «Коромысло» массой 22 кг из стали 35Л ГОСТ 977 со стержнем массой 4,5 кг.
с использованием заявленного способа и способа-прототипа.
1
1
3
Жидкостекольная смесь на основе кварцевого песка марки 1КО03 ГОСТ 2138-91 содержала в своем составе 5,0 мас. % натриевого жидкого стекла с модулем 2,8 и плотностью 1,25 г/см. Смесеприготовление осуществлялось с использованием  лопастного смесителя, заполнение стрежневых ящиков смесью и ее уплотнение проводили вручную. В качестве газа-отвердителя применяли атмосферный воздух, который нагревали в рекуператоре до 180°С теплом отходящих газов плавильной печи.
По методикам предприятия контролировали наличие в отливках дефектов, обусловленных недостаточным уровнем качества литейных стержней (нарушение геометрии отливки, засоры, неметаллические включения, газовая пористость).
Результаты представлены в таблице 3.
Как видно из таблицы 3, практическая проверка подтвердила эффективность применения заявленного способа для производства отливок из сплавов черных и цветных металлов в сравнении со способом-прототипом.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №1447533, кл. В22 С9/12,1998.
2. Авторское свидетельство СССР №1041202, кл. В22 С9/12,1983.
3. Патент на изобретение РФ №2630399, кл. В22 С9/10, В22 С9/12,2017.
4. Патент на изобретение РФ №2094164, кл. В22 С9/10, В22 С9/12, 1996.
Таблица 1
Результаты исследования стержней
Показатели оценки
Температура нагрева газа-отвердителя, <sup>o</sup>С
60-180 (прототип)
140
160
180
200
220
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Время полного отверждения стержня, с
55
84
190
102
147
226
82
128
215
61
103
205
56
85
184
50
78
178
Осыпаемость стержня
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
++
++
++
Примечание: 1- опытный стержень массой 0,5 кг; 2 - опытный стержень массой 1,2 кг; 3 - опытный стержень массой 5,0 кг;
- осыпаемость удовлетворительная; ++ осыпаемость повышенная (предполагаемая причина - пережог связующего).
Таблица 2
Результаты испытаний образцов
Показатели оценки
Содержание твердого диоксида углерода («сухой лед») в смеси перед заполнением оснастки, % масс.
0 (прототип)
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Прочность при растяжении после отверждения, МПа
1,25
1,15
1,18
1,20
1,30
1,37
1,38
1,41
1.55
1,50
1,65
1,78
1,75
1,73
1,75
1,62
Осыпаемость, %
0,4
0,22
0,22
0,20
0,23
0,24
0,41
0,52
0,33
0,40
0,45
0,38
0,40
0,55
0,55
0,60
Газопроницаемость, ед.
44
69
57
52
73
63
60
82
74
64
99
90
81
110
98
95
Остаточная прочность (выбиваемость), МПа
0,120
0,087
0,075
0,077
0,065
0,055
0,061
0,054
0,051
0,055
0,038
0.038
0,038
0,028
0,033
0,030
Примечание: 1 - образец с частицами «сухого льда» размерами менее 0,5 мм; 2 - образец с частицами «сухого льда» размерами 0,5-2,0 мм; 3 - образец с частицами «сухого льда» размерами более 2,0 мм.
Таблица 3
Результаты контроля качества опытных партий отливок
Наименование отливки
Масса отливки,кг
Масса стержня,кг
Число отливок (изготовленных по заявленному способу/по способу-прототипу),шт.
Число отливок, забракованных из-за некачественного стержня (изготовленных по заявленному способу/по способу-прототипу),шт.
Брак отливок (изготовленных по заявленному способу/по способу-прототипу),%
Причина брака отливок (изготовленных по заявленному способу/по способу-прототипу)
«Корпус»алюминиевый сплавАК7ч ГОСТ 1583
7,5
0,55
10/10
0/1
0/10
- / высокая осыпаемость стержня
«Крышка»чугун СЧ20 ГОСТ 1412
15,0
2,8
10/10
0/1
0/10
- / трещины и разрушение стержня при заливке расплавом
«Коромысло»сталь 35Л ГОСТ 977
22,0
4,5
10/10
0/2
0/20
- / недостаточная газопроницаемость стержня