СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ
METHOD OF SOLIDIFICATION OF MOULD CORES AND MOULDS

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении и отверждении стержней и форм в нагретой оснастке.
Известен способ отверждения литейных стержней и форм путем их выдержки в нагретой до 150-350°С оснастке в течение 10-180 с /1/. Однако нагрева оснастки не всегда достаточно для обеспечения необходимой производительности труда. Ускорителями горячего отверждения служат кислые соли латентного действия (с низкой активностью при комнатной температуре и с повышенной в условиях отверждения, т.е. в горячей оснастке) /2/. Например, смеси с синтетической смолой СФ-480 твердеют при 270-280°С в присутствии катализатора М-1 (водного раствора мочевины, хлористого аммония и хлорного хрома); смеси со смолой КФ-90 отверждаются в присутствии различных катализаторов в виде водных растворов лигносульфонатов, фосфатов, хлоридов, лучшим из которых, по мнению С.С.Жуковского, являются водные растворы нитрата или хлорида меди /2/. Вместе с тем, даже нагретая оснастка в сочетании с кислотным катализатором отверждения не всегда обеспечивает удовлетворительные свойства стержней и форм (необходимую манипуляторную прочность, приобретаемую в сравнительно короткий промежуток времени, достаточную конечную прочность, некоторые другие технологические свойства). Все это может привести к разрушению форм и стержней при удалении их из оснастки, установке в литейные формы и заливке металла. В результате имеет место перерасход дорогостоящих связующих материалов, огнеупорных наполнителей и других компонентов, увеличиваются затраты на изготовление отливок.
Для ускорения отверждения литейных стержней и форм дополнительно вводят в смесь в процессе ее приготовления, кроме катализаторов, небольшое количество модифицирующих добавок, например солей трехвалентного железа /3/, проводят предварительную активацию огнеупорного наполнителя растворами химических реагентов /4/ и т.д. Однако подобные меры не всегда обеспечивают необходимые физико-механические свойства стержней.
Из всех известных способов отверждения наиболее близок предлагаемому по технической сущности и получаемым результатам способ по патенту /5/, который включает предварительное приготовление смеси огнеупорного наполнителя, синтетической высокореакционной смолы, катализатора в виде водного раствора кислых хлористых или азотно-кислых солей и присадки небольшого количества модификатора формовочного лесохимического (МФЛ) с последующим заполнением нагретой оснастки смесью, выдержкой для приобретения стержнями достаточной манипуляторной прочности в течение определенного промежутка времени и удалением стержней или форм из оснастки. Способ эффективен, т.к. обеспечивает высокую манипуляторную прочность (не менее 0,7 МПа), достигаемую в сравнительно короткий промежуток времени, при этом не наносится ущерба конечной прочности, которая также имеет высокое значение.
3
Вместе с тем, при изготовлении массивных толстостенных стержней и форм сложной конфигурации присадка модификатора МФЛ не обеспечивает требуемой скорости отверждения, поэтому имеется опасность преждевременного разрушения стержней при удалении их из оснастки, т.е. манипуляторная или горячая прочность стержней при использовании синтетических смол и модификатора МФЛ недостаточна. Недостаток модификатора МФЛ заключается в том, что в состоянии поставки он имеет высокую плотность (не менее 1,3 г/см) при незначительной массовой доле сухого вещества, по внешнему виду представляет собой вязкую желеобразную массу, трудно поддающуюся точной дозировке. Для равномерного распределения модификатора в огнеупорном наполнителе необходимо предварительное его разбавление водой и продолжительное перемешивание в смесителе, что ухудшает качество стержней и форм и снижает производительность труда. Кроме того, модификатор МФЛ содержит едкий натр (щелочь натрия), снижающий активность кислотного катализатора, поэтому процесс отверждения стержней и форм в начальный момент замедлен, т.е. манипуляторная прочность низкая, хотя конечная прочность стержней достигает высоких значений. Согласно описанию изобретения достаточная манипуляторная прочность приобретается только через 60 с, следовательно, в более ранний период стержни удалять из оснастки опасно, т.к. возможно их разрушение или повреждение.
3
Целью предлагаемого изобретения является создание такого способа отверждения, при котором стержни после кратковременной выдержки в нагретой оснастке (в течение 30-40 с) приобретали бы манипуляторную или горячую прочность не ниже 0,2 МПа, а в холодном состоянии - не ниже 1,8 МПа. При этом расход смолы увеличивать нецелесообразно из-за опасности повышения газотворной способности стержней и форм, приводящей к газовым раковинам в отливках. Поставленную цель достигают предварительной активацией огнеупорного наполнителя поверхностно-активным веществом - полифенольным лесохимическим понизителем вязкости ПФЛХ. Понизитель вязкости ПФЛХ представляет собой маловязкую жидкость плотностью 1,15 г/см с массовой долей сухого вещества не менее 30%, обладающую поверхностно-активными свойствами. Поскольку предложенный продукт не содержит едкого натра, то активность кислотного катализатора при воздействии ПФЛХ снизиться не может. Способ осуществляют следующим образом. В стержневую или формовочную смесь, приготовленную для реализации известного способа, предусматривающего предварительную обработку огнеупорного наполнителя модифицирующими добавками, содержащую синтетическую смолу, катализатор в виде водного раствора кислой соли металла, отверждаемую в нагретой оснастке, в качестве модификатора или активатора в огнеупорный наполнитель предварительно присаживают 0,02-0.04 мас.% полифенольного лесохимического понизителя вязкости (ПФЛХ) по ТУ 81-05-71-80. Полученной смесью заполняют нагретую оснастку, выдерживают до приобретения необходимой манипуляторной прочности и удаляют готовые стержни из оснастки.
1
2
Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами: в лабораторных бегунах модели 017 готовили смеси огнеупорного наполнителя (кварцевого песка марки 2K0002 ГОСТ 2138-91 с катализатором, смолой и присадками (добавками). С катализатором песок перемешивали 3 мин, со смолой - 2 мин. ПФЛХ или модификатор МФЛ предварительно вводили непосредственно в огнеупорный наполнитель с целью более эффективной активации песка и равномерного распределения продуктов в смеси. Модификатор МФЛ перемешивали с песком в течение 5 мин, ПФЛХ в силу его низкой вязкости перемешивали с песком не более 2 мин.
Одна группа смесей содержала 0,6 мас.% катализатора М-1 и 2,5 мас.% смолы СФ-480 (оба продукта поставляются по ТУ 6-05-1813-90).
Другая группа смесей содержала 0,6 мас.% катализатора КЧ-41 (ТУ 6-051861-78) и 2,5 мас.% смолы КФ-90 (ТУ 6-051785-83). Дополнительно в смеси вводили модификатор МФЛ или понизитель вязкости ПФЛХ, количество которых указано в таблицах 1 и 2. Из смесей готовили стандартные образцы - «восьмерки» на установке модели 4735. Температуру оснастки выбирали в соответствии с источниками /1/ и /2/, т.к. режим отверждения определяется химической природой связующего материала. Продолжительность выдержки изменяли с целью определения оптимальной и оценивали по максимальному значению предела прочности при растяжении образцов в горячем состоянии. Оценивали и конечную прочность смесей по ее значению в охлажденном состоянии. Величину предела прочности определяли на приборе LRU Польского комплекта оборудования. Результаты испытаний приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Скорость отверждения смесей со смолой СФ-480 и M-1
№
Способ отверждения
Предел прочности образцов при растяжении, МПа, после выдержки в нагретой до 270°С оснастке в течение, секунд
30
60
90
Горячее состоян.
Холодн. состоян.
Горячее состоян.
Холодн. состоян.
Горячее состоян.
Холодное состояние
1.
M-1+0,05 МФЛ
нет
нет
0,86
2,0
1,22
1,93
2.
M-1+0,01 ПФЛХ
0,34
0,41
0,50
1,0
1,0
1,8
3.
M-1+0,02 ПФЛХ
0,38
0,50
0,85
1,98
1,19
2,0
4.
M-1+0,04 ПФЛХ
0,5
0,6
0,90
2,02
1,31
2,10
5.
M-1+0,05 ПФЛХ
0,67
0,6
0,90
2,0
1,25
2,0
Таблица 2
Скорость отверждения смесей со смолой КФ-90 и КЧ-41
№
Способ отверждения
Предел прочности образцов при растяжении, МПа, после выдержки в нагретой до 220°С оснастке в течение, секунд
30
60
90
Горячее состоян.
Холодн. состоян.
Горячее состоян.
Холодн. состоян.
Горячее состоян.
Горячее состоян.
1.
КЧ-41+0,05 МФЛ
нет
нет
1,0
2,2
1,07
2,23
2.
КЧ-41+0,01 ПФЛХ
0,48
0,62
0,78
1,68
0,9
1,83
3.
КЧ-41+0,02 ПФЛХ
0,57
0,70
1,02
2,18
1,06
2,3
4.
КЧ-41+0,04 ПФЛХ
0,68
0,72
1,08
2,3
1,12
2,3
5.
КЧ-41+0,05 ПФЛХ
0,69
0,70
1,0
2,1
1,08
2,1
Примечания к таблицам 1 и 2:
1. Содержание МФЛ и ПФЛХ указано в мас.%
2. Символы М-1 и КЧ-41 соотвествуют катализатору М-1 и катализатору КЧ-41.
3. Принятые сокращения: «Горячее состоян.» следует читать - «Горячее состояние»; «Холодн. состоян.» - следует читать: «Холодное состояние»
Анализ таблиц 1 и 2 приводит к следующим выводам:
- присадка небольшого количества понизителя вязкости ПФЛХ позволяет ускорить процесс отверждения образцов таким образом, что продолжительность выдержки их в нагретой оснастке сокращается с 60 до 30 с, т.к. манипуляторная прочность превосходит минимальную (0,2 МПа);
- повышение манипуляторной прочности не наносит ущерба конечной прочности образцов, т.к. значения прочности в охлажденном состоянии не ниже прочности в горячем состоянии;
- присадка ПФЛХ более эффективна по сравнению с модификатором МФЛ, о чем свидетельствуют значения прочности образцов через 30 с их выдержки в нагретой оснастке (при добавке ПФЛХ) и отсутствие прочности (при добавке МФЛ);
- понизитель вязкости ПФЛХ можно считать универсальным ускорителем отверждения форм и стержней, т.к. он одинаково эффективен и при использовании смолы СФ-480 с катализатором М-1 и при использовании смолы КФ-90 с катализатором КЧ-41, то есть эффективен для синтетических смол разной химической природы;
- оптимальной присадкой следует считать ее количество, равное 0,02-0,04 мас.%.
Предложенный способ имеет следующие общие признаки с известным способом по патенту №2196658:
- использование песчано-смоляных смесей, содержащих синтетические смолы КФ-90 и СФ-480, твердеющих в нагретой оснастке в присутствии кислотных катализаторов;
- применение вместе с нагревом и кислотными катализаторами дополнительного ускорителя отверждения.
Отличительные признаки предлагаемого технического решения:
- применение в качестве дополнительного ускорителя отверждения понизителя вязкости фенольного лесохимического (ПФЛХ), продукта с более высокой химической активностью, не содержащего едкого натра, обеспечивающего лучшие технические результаты (повышенную скорость отверждения и высокую конечную прочность стержней и форм), что способствует более короткому периоду выдержки стержней в оснастке, следовательно, повышает производительность труда.
- максимальные и более высокие величины прочности смесей на разных этапах отверждения достигаются при меньшем расходе ПФЛХ. Например, прочность образцов из смеси с СФ-480, М-1 и присадкой 0,02 мас.% ПФЛХ (табл.1, графа 3) аналогична и даже несколько выше прочности смеси с 0,05 мас.% модификатора МФЛ (табл.1, графа 1). Из табл. 2 следуют аналогичные результаты (графа 3 и графа 1).
Очевидно, что способ отверждения стержней и форм с применением ПФЛХ эффективнее, чем способ с применением модификатора МФЛ, к тому же и расход ПФЛХ ниже, чем расход МФЛ.
Таким образом, применение предложенного способа отверждения повышает производительность труда и экономит дорогостоящие связующие материалы за счет значительного повышения манипуляторной и конечной прочности смесей.
Производственные испытания способа показали его эффективность и перспективность, т.к. способствуют снижению затрат при изготовлении литейных стержней и форм. Предложенный способ отверждения стержней и форм рекомендован к внедрению в производство.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технологический процесс изготовления стержней с отверждением в нагретой оснастке. Руководящий технический материал. РТМ 37..002.0073-82. 1983 г.
2. Формовочные материалы и технология литейной формы. Справочник под общей редакцией д-ра техн. наук С.С.Жуковского, 1993 г.
3. Авторское свидетельство СССР №281756, 1968 г.
4. Авторское свидетельство СССР №676377, 1976 г.
5. Патент РФ №2196658 от 03.04.2000 г.