Способ изготовления литейных стержней и форм
METHOD FOR MAKING CORES AND MOLDS

Изобретение относится к литейному производству, а именно, к изготовлению литейных стержней и форм при производстве отливок из сплавов черных и цветных металлов.
Известен способ изготовления литейных стержней и форм, основанный на способности сульфата магния, используемого как связующее, удерживать кристаллизационную воду и вновь ее терять. Способ включает смешивание наполнителя (песка) и связующего в виде раствора или механической взвеси в воде, заполнение полученной смесью рабочей полости технологической оснастки с последующим нагревом формирующегося стержня (или формы) и удалением или вытеснением образующегося при нагреве водяного пара [1].
Недостатками способа являются высокая шероховатость поверхности; нестабильность уровня механических свойств и длительное время отверждения стержня или формы; необходимость использования специального энергоемкого оборудования для выделения иил вытеснения образующегося водяного пара,  а также низкая управляемость процессом.
Известна смесь для изготовления литейных форм и стержней, отверждаемых тепловой сушкой, содержащая кварцевый песок, экструзионный крахмальный реагент, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюмохромфосфатное связующее и трепел при следующих соотношениях компонентов, мас.%: экструзионный крахмальный реагент – 0,8-1,5; алюмохромфосфатное связующее – 3,0-5,0;  трепел – 2,0-4,0; кварцевый песок – остальное [2].
Недостатками смеси являются: дефицитность и сложность подготовки к использованию экструзионного крахмального реагента, недостаточная стабильность размеров получаемых стержней или форм при длительном хранении по причине их высокой гигроскопичности, а также в процессе производства отливок из-за низкой температуры плавления материала связующего; длительное время сушки для отверждения; дискомфортные условия работы производственного персонала из-за образования неприятно пахнущего фосфина при температурах контакта стержня или формы с металлическими расплавами.
Известны литейные формы и стержни, изготовленные из смеси с сульфатом магния и/или алюминия в качестве связующего, содержащие фосфатные или боратные добавки [3].
Их основными недостатками являются повышенные требования к условиям хранения и необходимость введения в технологическую цепочку дополнительных операций подготовки некоторых компонентов, обязательность использования сложного специального оборудования для смесеприготовления, как следствие, высокая затратность, а также снижение безопасности условий труда производственного персонала и низкая экологичность по причине многокомпонентности смеси и многостадийности производственного процесса изготовления стержней или форм.
Известна смесь для изготовления литейных стержней и форм, содержащая кварцевый песок, жидкое стекло и технологическую добавку, отличающаяся тем, что в качестве технологической добавки она содержит алюмокалиевые квасцы при следующем соотношении компонентов, мас.%: жидкое стекло 4-6, алюмокалиевые квасцы 0,5-1,5, кварцевый песок – остальное [4].
Ее основные недостатки – недостаточный уровень прочности на разрыв в отвержденном состоянии; затрудненная выбиваемость стержней или форм из-за высокого содержания жидкого стекла в составе смеси, а также неравномерность распределения механических свойств и газопроницаемости по телу получаемых стержней или форм, что с высокой вероятностью может привести к соответствующим дефектам отливок.
Наиболее близким к изобретению является способ изготовления литейных стержней и форм, включающий заполнение технологической оснастки жидкостекольной смесью, отличающийся тем, что в составе смеси используется жидкое стекло с силикатным модулем 2,0-3,0 в количестве 1,5-3,0% по массе; содержание твердых веществ в смеси составляет 30-50% от массе; заполнение технологической оснастки смесью проводят под давлением или без такового; осуществляют вакуумирование и нагрев стержня или формы в оснастке до температуры из диапазона 100-200°C с последующей выдержкой при этой температуре или выемку из оснастки после приобретения стержнем или формой манипуляторной прочности с последующей сушкой в СВЧ-печи [5].
Данный способ был выбран в качестве прототипа.
К недостаткам способа относятся существенный риск образования газовой пористости в отливках по причине высокого содержания воды в составе смеси, а также высокая осыпаемость стержня или формы из-за небольшого содержания в смеси жидкого стекла, недостаточного для отверждения материала стержня или формы без риска механического разрушения при контакте с металлическим расплавом, и, как следствие, большая вероятность эрозии стержня или формы, образования пригара на поверхности, а также неметаллических включений и песчаных засоров в теле отливок.  Кроме того, при содержании твердых веществ в смеси согласно прототипу она фактически представляет собой шликер на водной основе, при изготовлении стержня или формы под давлением или без такового заливаемый в рабочую полость технологической оснастки, поэтому для последующего удаления столь большого количества воды из стержня или формы требуются высокие энергозатраты и длительный промежуток времени даже при использовании СВЧ-нагрева установкой высокой мощности согласно прототипу. При этом управляемость процессом снижается, а риск нестабильности получения качественного результата соответственно повышается.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решаются задачи повышения качества получаемых отливок в части дефектов, возникающих по вине литейных стержней и форм, снижения энергоемкости и длительности, а также обеспечения управляемости и стабилизации технологического процесса.
Технический результат – высокий уровень и стабильность прочностных свойств, газопроницаемости и выбиваемости литейных стержней и форм, уменьшение энергоемкости и длительности производственного цикла их изготовления.
˚
Технический результат достигается тем, что согласно способу изготовления литейных стержней и форм, включающему заполнение технологической оснастки жидкостекольной смесью, одновременные или последовательные вакуумирование и нагрев и выдержку в оснастке, либо одновременные или последовательные вакуумирование и предварительный нагрев в оснастке до приобретения стержнем или формой манипуляторной прочности,  выемку из оснастки, окончательный нагрев в СВЧ-печи и выдержку на воздухе, перед заполнением технологической оснастки смесью в ее состав вводят алюмокалиевые квасцы в количестве 3,0-4,0% масс., содержание жидкого стекла в смеси ограничивают 2,0-3,0%, масс., нагрев смеси проводят до температур 130-140С, а вакуумирование осуществляют до глубины не менее 1,0 бар в течение 40-60 с.
Алюмокалиевые квасцы – это кристаллогидрат сложной двойной сернокислой соли калия и алюминия, обладающий ярко выраженными гидрофильными свойствами и хорошо растворимый в воде [6]. При температуре 92°С они связывают кристаллизационную воду, а затем плавятся в ней и при 120°С вновь ее теряют, превращаясь в «жженые квасцы»:
4
2
2
2
4
2
4
3
2
2KAl(S0)  ·12H0KS0+ A1(S0)+ 24Н0↑
Дегидратация  алюмокалиевых квасцов при отверждении стержня или формы способствует достижению максимальных значений физико-механических свойств, что дает возможность использовать их в качестве связующего смеси и снизить содержание в смеси жидкого стекла без риска снижения технологических характеристик стержня или формы и повышения их осыпаемости. В этой связи введение алюмокалиевых квасцов в состав смеси позволяет обеспечить изготовление качественных стержней и форм и свести к минимуму вероятность их разрушения при заливке расплавленным металлом и образования пригара на поверхности и песчаных засоров в теле отливок.. Постепенный прогрев стержня или формы теплом от металлического расплава вызывает частичное разложение безводных «жженых квасцов» на сульфаты алюминия и калия, а затем их последующую деструкцию:
2
4
3
2
3
2
2
2Al(S0)2Al0+6SO↑+3O↑ (для сульфата алюминия)
2
4
3
2
2
2
2K(S0)2K0+6SO↑+5O↑ (для сульфата калия)
При контакте стержня или формы с водой на финишных операциях производства отливок при гидровыбивке происходит частичное растворение квасцов в воде. Все это улучшает выбиваемость стержня или формы и обеспечивает регенерируемость смеси. В итоге снижаются пылевыделение, трудоемкость и энергоемкость процесса и улучшаются условия труда производственного персонала.
Повышение нижнего предела содержания жидкого стекла в смеси в сравнении с прототипом в сочетании с введением в состав смеси алюмокалиевых квасцов, с одной стороны, дает дополнительные гарантии предотвращения высокой осыпаемости стержня или формы из-за небольшого содержания в смеси жидкого стекла, недостаточного для отверждения материала стержня или формы без риска механического разрушения при контакте с металлическим расплавом, и, как следствие, большой вероятности эрозии стержня или формы, образования пригара на поверхности, песчаных засоров и неметаллических включений в теле отливок, а с другой стороны, обеспечивает наличие в составе смеси некоторого количества воды, необходимого для удовлетворительной формуемости смеси после заполнении ею технологической оснастки на начальной стадии изготовления стержня или формы, и в сравнении с прототипом существенно снижающего энергозатраты на дегидратацию смеси и уменьшающего длительность процесса в целом.
Вакуумирование технологической оснастки позволяет провести более эффективную дегидратацию и снизить требуемое содержание жидкого стекла в смеси за счёт изменения поверхностного натяжения наполнителя и связующего, способствуя образованию более плотной упаковки зёрен твёрдого огнеупорного наполнителя при меньшем количестве связующего. Это особенно важно на начальной стадии формирования стержня для обеспечения манипуляторной прочности и в дальнейшем способствует уменьшению работы выбивки стержня или формы и улучшению регенерируемости смеси.
Для уточнения количественных и качественных показателей заявляемого способа проводили комплекс опытно-экспериментальных работ.
3
1
1
На первом этапе исследовали характеристики смеси на образцах после нагрева без вакуумирования технологической оснастки. В качестве компонентов смеси выбрали натриевое жидкое стекло ГОСТ 13078 с модулем 2,4 ед. (согласно прототипу) и плотностью 1,32 г/см, алюмокалиевые квасцы ГОСТ 15028, кварцевый песок марки 1КО03 ГОСТ 2138. Для обеспечения формуемости смеси при необходимости использовали воду в количестве до 4,0%, масс.
По результатам проведенной экспериментальной верификации прототипа была зафиксирована высокая осыпаемость стержней, изготовленных из смеси с содержанием жидкого стекла менее 2,0%, масс. В этой связи нижний предел содержания жидкого стекла зафиксировали на уровне 2,0%, масс., а верхний оставили равным 3,0%, масс. (согласно прототипу).
В дальнейшем варьировали только содержание в смеси алюмокалиевых квасцов в интервале от 1,0 до 6,0 %, масс. с шагом в 1.0%, масс.
˚
После приготовления смеси, заполнения ею технологической оснастки и уплотнения вручную вели нагрев. Первоначальный нагрев смеси до приобретения стержнем манипуляторной прочности, позволяющей извлечь стержень из оснастки без разрушения, проводили в металлической оснастке, где смесь прогревалась до температур порядка 130-140С, а окончательный нагрев осуществляли в СВЧ-печи с максимальной мощностью излучения 700 Вт, рабочей частотой 2450 МГц и длиной излучаемых волн 12 см в течение 30-60 с после выемки стержня из оснастки (согласно рекомендациям прототипа). Далее выдерживали стержни на воздухе в течение 1 часа.
˚
˚
˚
Нижний предел температурного интервала нагрева смеси выбирался равным 130С с учетом необходимости минимального превышения уровня 120С, соответствующего началу образования «жженых квасцов», а верхний – из соображений обеспечения максимально возможного эксплуатационного ресурса оснастки, поскольку нагрев оснастки выше уровня 140С создает риски его снижения.
В ходе работ вели мониторинг требуемого времени приобретения стержнем манипуляторной прочности; прочности на сжатие и растяжение после его полного отверждения по установленному режиму, а также газопроницаемости, осыпаемости и выбиваемости. Время приобретения стержнем необходимой манипуляторной прочности фиксировали секундомером. Прочность на сжатие оценивалась на образцах-цилиндрах, изготовленных по ГОСТ 23409.7. Прочность смеси на растяжение определяли по образцам-«восьмеркам», изготовленным по ГОСТ 23409.7. Газопроницаемость определяли по методике ГОСТ 23409.6 на приборе мод 04315. Осыпаемость оценивали на специальном лабораторном приборе-барабане по методике ГОСТ 23409.9 на образцах-«цилиндрах», изготовленных в соответствии с ГОСТ 23409.6. Выбиваемость стержней оценивали по остаточной прочности образцов, сформированных по установленному режиму, после их вторичного нагрева в СВЧ-печи до температуры 750˚С, имитирующего контакт стержня с алюминиевым расплавом, последующего охлаждения и замачивания в воде.
Результаты исследований характеристик стержней в сравнении с такими же образцами, изготовленными способом-прототипом без проведения вакуумирования оснастки, приведены в таблице 1.
В итоге в качестве рабочего состава смеси были выбраны варианты состава смеси №№ 3 и 4, соответствующие содержанию в смеси алюмокалиевых квасцов в интервале 3,0-4,0% масс.
На втором этапе исследовали влияние вакуумирования на некоторые характеристики стержня из смеси рабочего состава при том же режиме нагрева и варьируемых глубине разрежения в диапазоне от 0,0 до 1,25 бар и временном интервале от 20 до 80 с. Для этого использовали оснастку специальной конструкции, позволяющую проводить герметизацию и откачку воздуха из рабочей полости. Вакуумирование стержня совмещали с его первоначальным нагревом в металлической оснастке, предваряющим выемку и окончательный нагрев в СВЧ-печи и последующую выдержку стержня на воздухе. Длительность вакуумирования фиксировали секундомером, а глубину разрежения - вакууметром  марки APR 262.
Результаты испытаний стержней после нагрева с вакуумированием технологической оснастки в сравнении со способом-прототипом  представлены в таблице 2.  Из нее хорошо видно, что наилучшее сочетание предельной прочности на сжатие, растяжение и газопроницаемости у стержней, изготовленных из смеси рабочего состава, достигается при глубине разрежения в рабочей полости оснастки не менее 1,0 бар и длительности вакуумирования 40-60 с. Превышение глубины разрежения и длительности вакуумирования выше указанного уровня не дало существенных улучшений контролируемых характеристик стержней.
Кроме того в ходе эксперимента было выявлено, что при указанном оптимальном режиме совмещения вакуумирования с первоначальным нагревом необходимая манипуляторная прочность стержней формируется в полной мере, что позволяет существенно (в среднем в 3,7 раза в сравнении с вариантом без вакуумирования) снизить требуемое на это время.
На третьем этапе проводили испытания стержней массой 0,1 кг для изготовления в условиях действующего производства одной и той же отливки «Втулка» из различных сплавов: алюминиевого сплава АК9ч ГОСТ 1583; чугуна СЧ20 ГОСТ 1412 и стали 40Л ГОСТ 977. Изготавливали опытные партии отливок по 5 штук из каждого сплава с использованием заявленного способа и способа-прототипа.
1
1
3
˚
Смесь на основе кварцевого песка марки 1КО03 ГОСТ 2138 содержала в своем составе 3,0%, масс. натриевого жидкого стекла с силикатным модулем 2,8 и плотностью 1,25 г/см и алюмокалиевые квасцы 3,0%; масс. Смесеприготовление осуществлялось с использованием лопастного смесителя, заполнение стержневых ящиков смесью и ее уплотнение проводили вручную. Первоначальный нагрев смеси для приобретения стержнем необходимой манипуляторной прочности проводили в металлической оснастке, нагреваемой до 120С. В рабочей полости стержневого ящика создавали разрежение глубиной 1,0 бар. Окончательный нагрев вели в СВЧ-печи с максимальной мощностью излучения 700 Вт в течение 50 с после выемки стержня из оснастки. Затем выдерживали стержни на воздухе в течение 1 часа, наносили на них противопригарное покрытие ТП-2 на основе талька по ГОСТ 10772 и устанавливали в литейную форму под заливку металлическим расплавом.
Контроль наличия в отливках дефектов, обусловленных недостаточным уровнем качества литейных стержней (нарушение геометрии отливки, засоры, неметаллические включения, газовая пористость) проводился по методикам предприятия. Результаты контроля представлены в таблице 3.
Из таблицы 3 видно, что практическая проверка подтвердила большую в сравнении со способом-прототипом эффективность применения заявленного способа как для производства отливок из алюминиевых сплавов, так и отливок из чугуна и стали.
Источники информации:
1. Патент на изобретение DE10200927 A1, IPC: B22C9/12, 2003.
2. Патент на изобретение РФ №2643399, кл. B22C1/16, 2018.
3. Патент на изобретение WO 2004/080145 A2, IPC: B22C1/18, 2004.
4. Патент на изобретение РФ №2445185, кл. В22 С1/00, 2012.
5. Патент на изобретение атент DE19632293 C2, IPC: B22C1/18, 1999 – прототип.
6. Рабинович, В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. – М.: Химия, 1978. –  392 с.
Таблица 1
Характеристики стержней (нагрев без вакуумирования оснастки)
Вариант состава смеси
Содержание в смеси алюмокалиевых квасцов,%, масс.
Время приобретения стержнем манипуляторной прочности, с
Прочность на сжатие, МПа
Прочность на растяжение, МПа
Газопроницаемость, ед.
Осыпаемость, %
Остаточная прочность (выбиваемость), МПа
1
1,0
365
0,8
0,5
310
0,45
0,100
2
2,0
310
1,0
0,7
305
0,30
0,080
<b>3</b>
<b>3,0</b>
<b>220</b>
<b>1,1</b>
<b>1,2</b>
<b>300</b>
<b>0,25</b>
<b>0,050</b>
<b>4</b>
<b>4,0</b>
<b>150</b>
<b>1,2</b>
<b>1,2</b>
<b>295</b>
<b>0,25</b>
<b>0,045</b>
5
5,0
105
1,0
1,1
290
0,30
0,045
6
6,0
60
1,1
1,1
240
0,40
0,040
прототип
-
420
1,1
0,8
140
0,55
0,050
Таблица 2
Характеристики стержней (нагрев с вакуумированием оснастки)
Глубина разряжения, бар
Длительность вакуумирования, с
Прочность на сжатие, МПа
Прочность на растяжение, МПа
Газопроницаемость, ед.
0,00
0
1,1
1,2
300
0,25
20
1,1
1,2
290
40
1,1
1,2
280
60
1,2
1,2
260
80
1,2
1,2
240
0,50
20
1,2
1.2
280
40
1,3
1.2
240
60
1,3
1,2
230
80
1,4
1,2
220
0,75
20
1,2
1,2
270
40
1,3
1.2
250
60
1,4
1,3
230
80
1,4
1,3
200
<b>1,00</b>
20
1,3
1,2
250
<b>40</b>
<b>1,5</b>
<b>1,3</b>
<b>220</b>
<b>60</b>
<b>1,6</b>
<b>1,3</b>
<b>200</b>
80
1,6
1,3
200
1,25
20
1,3
1,3
240
40
1,5
1.3
220
60
1,6
1.3
200
80
1,6
1,3
190
0,60(прототип)
60
1,3
1,1
110
Таблица 3
Результаты контроля качества опытных партий отливок
Сплав
Масса отливки, кг
Число отливок (изготовленных по заявленному способу / по способу-прототипу),шт.
Число забракованных отливок(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)
алюминиевый сплавАК9ч ГОСТ 1583
0,8
5/5
0/1
0/20
- / газовая пористость и неметаллические включения в теле отливки
чугун СЧ20 ГОСТ 1412
2,1
5/5
0/1
0/20
- / разрушение стержня при заливке расплавом
сталь 40Л ГОСТ 977
2,3
5/5
0/1
0/20
- / пригар