ЛИТЕЙНАЯ ФОРМА

Полезная модель относится к технологии и оборудованию для литейного производства, в частности, к литейным формам из жидкостекольных смесей.
Известна литейная форма, содержащая верхнюю и нижнюю полуформы, выполненные из жидкостекольной формовочной смеси, формообразующую полость, образованную с помощью разовой модели отливки из выплавляемого или выжигаемого материала, и литниковую систему (Патент RU 124606, МПК B22C9/04, 2013).
Известна литейная форма, выполненная из сыпучей жидкостекольной смеси, содержащей огнеупорный наполнитель (кварцевый песок), жидкое стекло и жидкий отвердитель («Катасил 1М») (Патент RU 2512710, МПК B22C9/00, 2014).
Недостатком данных литейных форм является сложность изготовления для получения крупногабаритных отливок сложной конфигурации.
Наиболее близкой является литейная форма, состоящая из нижней и верхней полуформ, разделенных диафрагмой, стержня и литниковой системы (Авт. св. SU 1660832, МПК B22C9/08, 1991).
Недостаток данной литейной формы заключается в плохой выбиваемости стержня из цилиндрической отливки и разделительной диафрагмы, изготовленной из жидкостекольной смеси.
Задачей технического решения является снижение остаточной прочности жидкостекольных смесей при минимизации экологической нагрузки на литейное производство.
Технический результат – улучшение выбиваемости отливок и стержней.
2
3
2
3
Технический результат достигается при использовании литейной формы, содержащей нижнюю и верхнюю полуформы, стержень и литниковую систему, в которой нижняя и верхняя полуформы выполнены из смеси, включающей 94 мас.% кварцевого песка 1КО03 и 6 мас.% жидкого стекла, и снабжены облицовочным слоем, при этом облицовочный слой и стержень выполнены из смеси, включающей 92 мас.% кварцевого песка 1КО03, 6 мас.% жидкого стекла, 1 мас.% отхода контактной отчистки нефтяных масел, содержащего кальциевый бентонит, пропитанный нефтяными маслами, и 1 мас.% ультрадисперсного пиролитического углерода.
2
Выполнение облицовочного слоя полуформ и стержня литейной формы из песчано-жидкостекольной смеси с использованием 1 мас.% разупрочняющих добавок - отхода контактной отчистки масел «Лукойл-Волгограднефтепереработка» (состава: кальциевый бентонит, пропитанный нефтяными маслами; состав органической части: парафинонафтеновые углеводороды - 72,5 мас.%; легкие ароматические углеводороды - 12,5 мас.%; смолы - 0,7 мас.%; тяжелые ароматические углеводороды - 14,3 мас.%) и 1 мас.% ультрадисперсного пиролитического углерода воздейдействует на структуру пленки водного силиката натрия на зернах огнеупорного наполнителя - 92 мас.% кварцевого песка. В связи с окислением углерода и испарением воды, входящей в состав 6 мас.% жидкого стекла при повышении температуры нагрева образцов, активно протекает процесс карбонизации с ростом кристаллов карбонатов натрия, а также образуются поры, обусловленные выходом газов CO и COи парами воды. Наличие подобных дефектов снижает остаточную прочность облицовочного слоя литейной формы и стержня (то есть в зоне контакта с отливкой) за счет нарушения сплошности силикатной пленки, образования ее надрывов, что положительно влияет на выбиваемость отливки.
Использование разупрочняющих углеродосодержащих добавок в составе облицовочного слоя обеспечивает технический результат при минимизированной экологической нагрузке в процессе производства литейных форм, так как позволяет снизить концентрацию выделяемых газов во время заливки и охлаждения литейной формы в сравнении с условием использования добавок в составе всей литейной формы.
Толщина облицовочного слоя определяется относительно массы получаемых отливок (см. Абрамов Г.Г. Справочник молодого литейщика / Г.Г. Абрамов, Б.С. Панченко. - Москва: Высшая школа, 1991. - 319 с., стр.142, таблица 4.3).
В таблице 1 представлены составы смесей для литейной формы – пример классической песчано-жидкостекольной смеси (пример 1) (Степанов Ю.А. Формовочные материалы / Ю.А. Степанов, В.И. Семенов. – Москва: Машиностроение, 1969. - 158 с., стр. 67, таблица 13), из которой выполнено «тело» литейной формы и смеси, используемой для выполнения облицовочного слоя и стержня заявленной литейной формы с разупрочняющими добавками - заявленным отходом контактной отчистки масел (ОКОМ) и ультрадисперсным пиролитическим углеродом (пироуглерод) (пример 2).
Таблица 1
Состав смесей, мас.%
Пример
Кварцевый песок1К<sub>2</sub>О<sub>3</sub>03
ОКОМ
Пироуглерод
Жидкое стекло
1
94
-
-
6
2
92
1
1
6
Для подтверждения характеристик литейной формы с облицовочным слоем, в соответствии с ГОСТ 23409.7-78, определялись следующие свойства: прочность на сжатие во влажном состоянии, предел прочности на сжатие и разрыв.
Определение прочности образцов на сжатие во влажном состояниипроизводилось на образцах диаметром и высотой 50 мм. Изготовление образцов производится при уплотнении смеси с помощью лабораторного копра модели 2М030 в гильзе с внутренним диаметром 50 мм и высотой 120 мм. После уплотнения гильзу с поддоном снимают с копра, отделяют поддон от гильзы и с помощью выталкивателя образец осторожно извлекают из гильзы. Образец устанавливают на площадку прибора модели 084М2. Испытание проводят на трех образцах, значение предела прочности принимают как среднее арифметическое значение трех определений.
Для определения предела прочности на сжатие цилиндрические образцы выдерживали в сушильном шкафу в течение 40 минут при температуре 150-180°С, а затем испытывались на приборе модели РМ-500.
Прочность образцов при растяжении в сухом состоянии определяли на образцах, имеющих форму «восьмерки». Образцы изготавливали в специальном стержневом ящике. На поддон устанавливали половины стержневого ящика, не допуская их перекоса, затем на ящик устанавливают воронку. Половины ящика скрепляют винтом. Навеску смеси (110-120 г) насыпали в собранный ящик, затем свободно устанавливают колодку. Смесь уплотняли на стандартном копре тремя ударами груза. Затем разбирали стержневой ящик, излишек смеси в ящике счищали колодкой. Образец помещают в сушильный шкаф. Время сушки образцов составляло 20 минут. Перед испытанием высушенный образец охлаждался на воздухе при комнатной температуре. Испытание на растяжение производилось на приборе модели РМ-500 на трех образцах одной и той же смеси. Результатом определения предела прочности являлось среднее арифметическое значение трех определений.
Остаточная прочность определялась аналогично испытанию на определение предела прочности на сжатие. Предварительно цилиндрические образцы в течение 40 минут прокаливались в печи при температурах 180°С, 400°С, 600°С, 900°С.
Результаты испытаний на остаточную прочность представлены в таблице 2.
По результатам, представленным в таблице 2 видно, что выполнение литейной формы с облицовочным слоем и стержнем с разупрочняющими добавками (ОКОМ и пироуглерод) (пример 2), в сравнении с выполнением литейной формы и стержня из классической песчано-жидкостекольной смеси без упомянутого облицовочного слоя (пример 1), наблюдается снижение остаточной прочности в каждом интервале температур.
Таблица 2
Пример
Прочность, σ<sub>w</sub>, МПа
Предел прочности на разрыв, σ<sub>т</sub>, МПа
Остаточная прочность, σ<sub>w</sub>, МПа
180°С
400°С
600°С
900°С
1
0,053
1,47
2,50
1,59
0,87
2,50
2
0,057
1,40
2,47
1,07
0,43
1,34
Структура пленок жидкого стекла на огнеупорном наполнителе исследовалась с помощью двухлучевого электронного сканирующего микроскопа «Versa 3D».
На фигурах 1-4 – показана структура жидкостекольных пленок на зернах огнеупорного кварцевого наполнителя без добавок при температуре нагрева образца, равной соответственно 180°С (увеличение ×1000), 400°С (увеличение ×1000), 600°С (увеличение ×500), 900°С (увеличение ×131).
На фигурах 5-8 – показана структура жидкостекольных пленок на зернах огнеупорного кварцевого наполнителя с добавлением ОКОМ и пироуглерода при температуре нагрева образца, равной соответственно 180°С (увеличение ×300), 400°С (увеличение ×600), 600°С (увеличение ×600), 900°С (увеличение ×300).
Литейная форма с облицовочным слоем из песчано-жидкостекольной смеси, содержащей заявленное соотношение жидкого стекла, кварцевого песка, отхода контактной отчистки масел и ультрадисперсного пиролитического углерода состоит из нижней и верхней полуформ, стержня-вставки, одинакового с облицовочным слоем состава, и литниковой системы. Для приготовления песчано-жидкостекольной смеси для облицовочного слоя в лабораторные бегуны загружались компоненты смеси в следующей последовательности: кварцевый песок (92 мас.%), разупрочняющие добавки (1 мас.% отхода контактной отчистки масел и 1 мас.% ультрадисперсного пиролитического углерода) и жидкое стекло (6 мас.%).
Литейная форма работает следующим образом.
При заливке металла в литейную форму, выполненную из песчано-жидкостекольной смеси (облицовочный слой с разупрочняющими добавками отходом контактной отчистки масел и пиролитическим углеродом), литейная форма нагревается.
2
По мере нагревания облицовочного слоя формы, при температуре 180°С на поверхности силикатной пленки образуются немногочисленные кристаллы карбонатов натрия (фиг. 5). При этом структура пленки не нарушается. Дальнейшее увеличение температуры нагрева до 400°С приводит к более активному процессу карбонизации сопровождающемуся образованием пор (дефектов) за счет выхода газов CO и CO, а также потерей воды (фиг. 6).
При повышении температуры нагрева до 600°С, происходит увеличение количества дефектов (фиг. 7). Структура пленки нарушается не только на поверхности зерен наполнителя, но и в манжетах (места соприкосновения зерен наполнителя). При этом большое количество дефектов препятствует полному сплавлению силикатной пленки температуре 900°С (фиг. 8). На поверхности наблюдаются дефекты в виде пустот и трещин, что положительно влияет на остаточную прочность литейной формы.
После образования отливки в заявленной литейной форме, она подвергается разрушению для извлечения отливки. За счет образования дефектов на пленке связующего при деструкции углеродосодержащих добавок снижаются прочностные показатели облицовочного слоя и стержня, что ведет к снижению трудозатрат при извлечении отливки и улучшению ее выбиваемости.
При этом при нагреве (после заливки металла) литейной формы, выполненной из классического песчано-жидкостекольного материала (без облицовочного слоя), до температуры 180°С на пленке жидкого стекла образуются дефекты за счет удаления (испарения) влаги, входящей в его состав, что приводит к ее разрушению (фиг.1). Повышение температуры до 400°С и 600°С приводит к протеканию данного процесса с большей интенсивностью за счет удаления кристаллизационной, конституционной и гидратной воды (фиг.2, 3). Жидкостекольная пленка в данном интервале температур имеет глобулярную структуру, целостность ее нарушена, что приводит к снижению прочностных характеристик литейной формы. При этом изменения кристаллической решетки кварцевого наполнителя в районе 573°С сопровождающее изменение его объема создают дополнительные внутренние напряжения негативно влияющие на целостность пленки связующего. Однако, при нагреве литейной формы до температуры 900°С, структура пленки становится сплошной, надрывов не имеет, что связано со способностью связующего расплавляться при температуре свыше 7 93°С, сопровождая сплавление дефектов (фиг. 4). В связи со сплавлением силикатной пленки литейная форма имеет монолитную структуру, что увеличивает ее прочность. Процесс выбивки в данном случае усложняется, что провоцирует увеличение трудозатрат данной операции, снижает выбиваемость и производительность.
2
3
В производственных условиях была изготовлена опытная партия отливок «лопатка смесителя-пневмонагнетателя» из белого чугуна доэвтектического состава: 2,53% С; 2,09% Mn; 1,36% Si; 3,02% Cr; 0,093% Ni, 0,030% S; 0,0050 P; Fe - основа. Толщина облицовочного слоя составляла 10 мм. В процессе выбивки стержни, изготовленные из песчано-жидкостекольной показали улучшенную выбиваемость по сравнению со стержнями выполненными из классической песчано-жидкостекольной смеси 94 мас.% кварцевого песка 1КО03, 6 мас.% жидкого стекла.
2
3
2
3
Таким образом, литейная форма, состоящая из нижней и верхней полуформ, выполненных из смеси 94 мас.% кварцевого песка 1КО03, 6 мас.% жидкого стекла и снабженных облицовочным слоем, стержня и литниковой системы, в которой облицовочный слой и стержень выполнены из смеси 92 мас.% кварцевого песка 1КО03, 6 мас.% жидкого стекла, 1 мас.% отхода контактной отчистки масел «Лукойл-Волгограднефтепереработка» и 1 мас.% ультрадисперсного пиролитического углерода, обеспечивает улучшение выбиваемости отливок и стержней.