СМЕСЬ НАЛИВНАЯ С ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ ФОРМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
FLUID MIX WITH INCREASED THERMOCHEMICAL STABILITY FOR PATTERN CASTING 3D MOULDS

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении форм и стержней в производстве художественных и точных технических отливок, преимущественно из чугуна.
В настоящее время для изготовления объемных форм и стержней по выплавляемым моделям в художественном и ювелирном литье наибольшее распространение получили наливные смеси на гипсовом и цементном связующем.
7
3
2
Из уровня техники известна смесь (Патент РФ 2175902, МПК В22С 1/00. Смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов, опубл. 20.11.2001), включающая гипс, мелкодисперсный кварцевый песок, пылевидный возгон шамотного производства, воду, дигидрофосфат натрия в качестве замедлителя схватывания гипса. Однако формы, изготовленные из данной смеси, не позволяют получать отливки из черных металлов с высокой температурой заливки. Гипс неустойчив при температурах выше 1200°С, а с углеродом чугуна он активно взаимодействует с разложением и выделением большого количества газообразных продуктов реакции (SO, SO), которые поражают отливки газовыми раковинами по всей поверхности.
7
Наиболее близкой по технической сущности является самотвердеющая смесь с цементом в качестве связующего (Патент РФ 2252103, МПК В22С 1/00. Смесь наливная самотвердеющая для изготовления форм и стержней при производстве отливок по выплавляемым моделям, опубл. 20.05.2005). В соответствии с указанным прототипом смесь включает кварцевый песок, портландцемент, нитрат алюминия девятиводный и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
портландцемент
12,72…17,90
мелкодисперсный кварцевый песок
53,00…58,80
нитрат алюминия девятиводный
1,79…3,18
вода
остальное.
Данная формовочная смесь позволяет получать крупногабаритные отливки из цветных сплавов, а также мелкие и тонкостенные отливки из чугуна и стали. Вместе с тем основной недостаток смеси-прототипа состоит в том, что портландцемент также содержит гидрат сульфата кальция (гипс) в количестве 3…6%, который согласно технологическому процессу на заводе-изготовителе вводится в процессе помола клинкера для увеличения сроков схватывания цемента. Поэтому при получении крупногабаритных отливок из чугуна в массивных узлах происходит разложение гипса, содержащегося в портландцементе, и из-за очень низкой газопроницаемости формы поражение отливки газовыми раковинами.
В основу изобретения положена техническая задача - создание наливной самотвердеющей смеси для изготовления отливок по выплавляемым моделям, в том числе крупногабаритных из чугуна, обеспечивающей отсутствие в них газовых дефектов, за счет применения связующего с повышенной термохимической стойкостью.
Указанная техническая задача решается тем, что смесь наливная с повышенной термохимической устойчивостью для изготовления форм и стержней при производстве отливок по выплавляемым моделям, включающая мелкодисперсный наполнитель на основе кремнезема, кристаллогидратное связующее, воду, согласно изобретению смесь дополнительно содержит натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы, а в качестве кристаллогидратного связующего содержит диспергированный портландцементный клинкер при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Диспергированный портландцементный клинкер
12,00…18,00
Мелкодисперсный кварцевый песок
55,00…60,00
Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы
0,30…0,45
Вода
остальное.
Предложенное технологическое решение позволяет предотвратить поражение газовыми раковинами отливок из чугуна с массивными узлами, так как заявляемая смесь не содержит сульфата кальция (гипса), разлагающегося при высокотемпературном взаимодействии с углеродом с образованием большого количества газообразных продуктов.
2
В качестве связующего рекомендуется применять портландцементный клинкер, например, выпускаемый цементным заводом товарный клинкер ТУ 5739-002-00284339-94, который необходимо подвергнуть диспергированию, например, в шаровой вращающейся или вибрационной мельнице до удельной поверхности 300…500 м/кг для последующего полноценного протекания процессов гидратации и формирования прочности литейных форм.
Содержание в предлагаемой смеси клинкера менее 12,00 мас.% не обеспечивает необходимой прочности формовочной смеси и, следовательно, качества поверхности отливки. Напротив, содержание клинкера более 18,00 мас.% приводит к чрезмерному увеличению прочности и ухудшению выбиваемости, а также удорожанию формовочной смеси.
Диспергированный портландцементный клинкер отличается от выпускаемого цементными заводами портландцемента отсутствием сульфата кальция, замедляющего гидратацию алюминатных фаз и регулирующего таким образом процессы схватывания и твердения цемента, что для наливной формовочной смеси является положительным моментом, так как для нее сроки схватывания строительных растворов являются слишком длительными. Продолжительный период от заполнения опоки до начала схватывания наливной формовочной смеси приводит к седиментации наполнителя, растрескиванию форм при сушке и прокалке и образованию на отливках дефектов «облой» и «засор». Отсутствие сульфата кальция сокращает время начала схватывания по сравнению с портландцементом с нескольких часов до 35…50 мин, однако для высоких форм этого оказывается недостаточно, чтобы предотвратить седиментацию наполнителя, особенно при наличии в ней фракции более 100 мкм. Для этой цели в предлагаемую наливную формовочную смесь вводится натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы.
Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (марка КМЦ 85/400 ТУ 6-55-39-90) вводится растворением ее в водопроводной или дистиллированной воде в процессе приготовления формовочной смеси. Добавка, растворяясь в воде, обволакивает зерна наполнителя и создает в объеме смеси «полимерный каркас», препятствующий оседанию частиц наполнителя.
Количество натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы в составе смеси 0,3…0,45 мас.% является оптимальным с позиции седиментационной устойчивости суспензии. Содержание ее в смеси менее 0,3 мас.% не обеспечивает необходимой седиментационной устойчивости, приводит к расслоению смеси, чрезмерному увеличению времени начала затвердевания смеси, расслоению ее, растрескиванию форм при сушке и прокалке и образованию на отливках дефектов «облой» и «засор». Содержание натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы 0,45% полностью предотвращает седиментацию и дальнейшее увеличение ее количества, ведет лишь к удорожанию формовочной смеси.
2
2
3
2
Диспергирование частиц кварцевого песка до зернистости 50…160 мкм обеспечивает высокое качество отпечатка форм на клинкерном связующем, а также их требуемые физико-механические характеристики. При этом диспергирование может быть осуществлено простым помолом кварцевого песка, например марок 2KOO3 или 3KOO3 (ГОСТ 2138-91) в шаровой вращающейся или вибрационной мельнице.
Затворитель (вода) оказывает непосредственное влияние на реологические свойства суспензии (текучесть, формозаполняемость, седиментационная устойчивость) и готовой формы (прочность, осыпаемость, трещиноустойчивость). Оптимальное количество воды находится в пределах 35…38 масс.ч. на 100 масс. частей сухих компонентов смеси. Такое содержание затворителя делает смесь суспензией по консистенции пригодной для изготовления наливных объемных форм для литья как мелких, так и крупногабаритных пустотелых изделий.
Подготовку заявляемой смеси для изготовления форм и стержней на клинкерном связующем при производстве отливок из цветных, черных и драгоценных сплавов осуществляют следующим образом. Навешивают расчетное количество портландцементного клинкера и диспергированного кварцевого песка. Затем отмеряют необходимое количество воды и растворяют в ней нужное количество натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы.
Перед изготовлением форм и стержней в предварительно подготовленный затворитель, из расчета 350…380 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих засыпают перемешанные друг с другом портландцементный клинкер и кварцевый песок. Далее смесь тщательно перемешивают при скорости вращения крыльчатки 3000…6000 об/мин в течение 1…2 мин. После этого суспензия используется для изготовления форм и стержней. После изготовления форма сушится, затем производится вытопка (удаление) модельного состава горячим воздухом при температуре 120…160°С и прокалка форм при 550°…600°С. Температура форм перед заливкой металла снижается до 400-500°С.
Предлагаемый состав смеси для изготовления форм и стержней на клинкерном связующем иллюстрируется следующим примером.
Пример. Готовят сухую смесь из портландцементного клинкера марки ТУ 5739-002-00284339-94 и диспергированного кварцевого песка. Затем взвешивают натриевую соль и растворяют ее в затворителе - дистиллированной воде, далее вводят саму сухую смесь с последующим перемешиванием в течение 1…2 мин.
Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют приготовление смеси на цементном связующем согласно прототипу. Составы смесей приведены в табл.1.
Таблица 1
Составы смесей
Наименование ингредиентов
Содержание ингредиентов, мас.%
прототип
1
2
3
Портландцемент
14,50
-
-
-
Диспергированный портландцементный клинкер
-
12,00
15,00
18,00
Мелкодисперсный кварцевый песок
56,90
60,00
57,50
55,00
Нитрат алюминия девятиводный
2,50
-
-
-
Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы
-
0,45
0,37
0,30
Вода
остальное
остальное
Подготовленные смеси используют для изготовления форм и стержней на цементном связующем с фиксацией их физико-механических свойств.
Формы заливают серым чугуном СЧ20 при температуре 1300°С. По каждому варианту было изготовлено 12 отливок.
Показателями для сравнения являются коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) каждой смеси в интервале температур 20…700°С, прочность форм на сжатие после сушки и после прокалки, осыпаемость формовочной смеси после прокалки форм, шероховатость поверхности отливок, полученных в эти формы, наличие в отливках газовых дефектов.
КТЛР определяют на дилатометре «PAULIK», используя образцы диаметром 5 мм и высотой 30 мм.
Прочность форм определяют, испытывая на сжатие стандартные образцы диаметром и высотой 50 мм после выдержки в воздухе через 24 и 72 часа, после прокалки (700°С, 3 часа) и охлаждения до комнатной температуры.
Осыпаемость формовочной смеси оценивают по стандартной методике на приборе модели 056 для определения осыпаемости формовочных смесей.
Шероховатость отливок из серого чугуна СЧ20 определяют на профилометре модели 296.
Наличие дефектов газового происхождения на поверхности отливок оценивают визуально, в теле отливок - с помощью рентгеновского контроля.
Результаты испытаний смесей (по прототипу и заявленной) приведены в табл.2.
Таблица 2
Результаты испытаний
Показатели
Результаты испытаний смесей по составам.
прототип
1
2
3
1. КТЛР смеси в интервале температур 20…800°С, ·10<sup>-5</sup>, 1/°С
0,91
0,91
0,90
0,89
2. Прочность форм при сжатии, МПа:
а) выдержка на воздухе 24 часа
2,8
2,6
2,8
3,1
б) выдержка на воздухе 72 часа
3,5
3,1
3,4
3,6
в) после прокалки
2,2
2,4
2,5
2,6
3. Осыпаемость форм после прокалки, %
1,03
0,82
0,78
0,71
4. Шероховатость поверхности отливки R<sub>z</sub>, мкм
20…80
20…80
20…80
20…80
5. Наличие газовых раковин в массивной части чугунной отливки массой 72 кг
есть
нет
нет
нет
Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси практически не уступает по всем основным физико-механическим характеристикам, при этом позволяет предотвратить образование газовых дефектов на чугунных отливках с массивными частями.
Предлагаемая смесь прошла испытания на ЗАО «Уральская бронза» (г.Челябинск). Были получены качественные художественные отливки из серого чугуна массой до 72 кг без газовых дефектов.