СТЕРЖЕНЬ НА СОЛЕВОЙ ОСНОВЕ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SALT-BASED ROD AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение касается стержня, а также способа изготовления стержня из соли пескодувным методом для применения в качестве заполнителей полостей при изготовлении металлических литых деталей, предпочтительно методом литья под давлением, которые полностью растворяются в растворителе, не оставляя твердых остатков, и поэтому могут быть полностью и без сложностей удалены из заготовок.
К стержням, которые вставляют в формы, чтобы при заполнении форм расплавом сохранять предусмотренные в деталях полости, при литье под давлением деталей из металла предъявляют значительно более высокие требования, чем, например, при литье в землю или при кокильном литье под низким давлением. Эти стержни должны быть просты в изготовлении, хорошо сохранять форму и точно соответствовать контурам, а материалы, применяемые для их изготовления, а также растворяющие их растворители не должны отрицательно сказываться ни на качестве литья, ни на окружающей среде и не должны быть вредны для здоровья.
Если к поверхности и к точности соответствия контурам полостей в деталях предъявляют особые требования, то поверхность стержней должна быть особенно гладкой и точно соответствовать контурам, а стержни должны полностью растворяться в надлежащем растворителе, и их удаление из полостей деталей должно быть возможно без каких-либо твердых остатков. Остатки стержней, содержащие нерастворимые компоненты, как, например, кварцевый песок, могут приводить к повреждению подлежащих улучшению поверхностей или выводить из строя оборудование, например, если из-за остатков стержня закупоривается форсунка в системе непосредственного впрыска (Commonrailsystem) топлива в дизельных двигателях.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы изготавливать из соли стержни, которые при литье деталей под давлением демонстрируют необходимую прочность и которые можно легко и полностью удалить из деталей.
2
До сих пор на нынешнем техническом уровне не удавалось изготавливать соляные стержни пескодувным методом (стержни, изготовленные в пескодувной машине), которые выдерживали бы чрезвычайно высокие нагрузки, возникающие, например, при литье алюминия под давлением. Это значит, что, с одной стороны, стержни должны обладать высокой прочностью, а с другой стороны, их должно быть легко удалять из литой детали после литья. На нынешнем техническом уровне удается изготовить песочные стержни с жидким стеклом в качестве связующего агента, имеющие максимальный предел прочности в 500 Н/см. Стержни согласно изобретению позволяют достичь значительно более высоких значений, но тем не менее после литья стержни удается просто и без остатка удалить.
Решение задачи получают посредством стержня, соответствующего первому пункту формулы изобретения, а также способа изготовления этого стержня по пункту 9. Предпочтительные варианты исполнения изобретения являются объектом зависимых пунктов.
Стержни согласно изобретению состоят из соли, к которой можно подмешивать связующий агент и, по выбору, наполнители, присадки и катализаторы. Эти стержни предусмотрены для деталей, которые изготавливают методом литья под давлением из цветных металлов, например из алюминия, латуни или меди. Стержни согласно изобретению состоят из веществ, которые полностью растворяются в воде, как в растворителе, предпочтительном из экологических соображений, и которые, таким образом, можно без остатка удалить из полостей деталей.
Стержни согласно изобретению обладают тем преимуществом, что они состоят из веществ, которые при надлежащем обращении не вступают в реакции, протекающие с отщеплением газов, отрицательно влияющих на окружающую среду, ни при изготовлении стержней, ни в процессе литья. Благодаря тому что при литье не образуются газы, улучшается качество отливок, поскольку удается избежать пороков литья из-за возникающих газов, как то усадочных раковин, газовых пор и т.п. При удалении стержней не образуются остатки, требующие особой утилизации. В зависимости от состава возможно повторное извлечение веществ из жидкой фазы посредством надлежащего способа, например, соли - распылительной сушкой или выпариванием.
Все рецептуры материалов для стержней можно, используя в качестве способа формования пескодувную формовку стержней, обрабатывать в обычных пескодувных машинах. Сложность геометрических показателей стержней определяет параметры пескодувной формовки стежней, а также конструкцию и изготовление инструмента для изготовления стержней и головки пескодувной машины. В сравнении с формованием прессовкой, при котором материалы стержня помещают в инструмент для формовки, а затем сжимают под давлением, набивка стержней позволяет изготавливать стержни очень сложной геометрической формы с высокой точностью воспроизведения контуров, а также гомогенной структурой с равномерным распределением плотности и прочности.
В качестве материала для стержней согласно изобретению можно использовать водорастворимые соли щелочных и щелочноземельных элементов, как то, в частности, хлорид натрия, хлорид калия и хлорид магния, водорастворимые сульфаты и нитраты щелочных и щелочноземельных элементов, как, например, в частности, сульфат калия, сульфат магния, а также водорастворимые соли аммония, в частности сульфат аммония. Эти вещества можно применять по отдельности либо же в смеси, при условии что они не реагируют друг с другом и, таким образом, не влияют отрицательно на желательные свойства, поскольку при изготовлении стержня его материал не должен подвергаться какому-либо преобразованию вещества, отрицательно влияющему на его растворимость. В принципе, можно использовать все легко растворимые соли, температура разложения или плавления которых превышает температуру жидкого расплава металла. В сравнении с песком эти материалы стержней легче и проще подразделить по желательным размерам зерен или же классам зерен. Выбранное распределение по размерам зерна влияет, в частности, на качество поверхности стержня. Чем меньше размер зерна, тем глаже поверхность. В принципе, стремятся к максимально высокой степени заполнения, чего можно добиться посредством смешения различных солей и, при необходимости, дополнительных веществ с различными кривыми распределения по размеру, например, при бимодальном или тримодальном распределении зерен смеси.
Согласно изобретению выбирают размеры зерна в пределах от 0,01 до 2 мм, причем выбор зависит от материала, желаемого качества поверхности и точности воспроизведения контуров изделия, подлежащего отливке.
При необходимости можно заменять часть соли водорастворимыми наполнителями (до 30% об.) в той мере, в которой это не влияет отрицательно на плотность и прочность. Целесообразно согласовывать размер зерна наполнителя с размером зерна или распределением зерен соли по размеру.
Чтобы обеспечить потребную прочность стержней после пескодувной формовки, в соль перед пескодувной формовкой добавляют надлежащий связующий агент либо же надлежащую связующую систему. Можно применять все связующие агенты, которые полностью водорастворимы после затвердевания, хорошо смачивают соль, и при необходимости наполнители, причем из смеси этих веществ можно с помощью пескодувной формовки формировать стержни. В общем случае можно применять силикатные связующие агенты, если они растворимы в воде. Можно также использовать водорастворимые фосфаты щелочных металлов и аммония или же связующие агенты из моноалюминий-фосфата. Предпочтительны связующие агенты из водорастворимого жидкого стекла. Добавляемый объем зависит от силикатного модуля (1-5) и составляет, в зависимости от показателей смачивания, от 0,5% мас. до 15% мас., предпочтительно от 5% мас. до 8% мас. Чтобы получить свойства, необходимые для литья под давлением, например прочность и стабильность в сохранении формы, можно также применять особые смеси связующих агентов.
На свойства смеси соли, при необходимости наполнителя и связующего агента, либо же системы связующих агентов можно влиять целенаправленным добавлением присадок. В данном случае предварительное условие также заключается в том, чтобы эти присадки или продукты реакции этих присадок можно было полностью и без остатка удалить из полости детали путем растворения в воде и чтобы при литье не выделялись газы, отрицательно влияющие на процесс литья и способные привести к образованию пороков литья. В зависимости от состава материалов стержней это могут быть следующие присадки: средства, способствующие смачиванию, добавки, влияющие на консистенцию смеси, средства, способствующие скольжению, добавки, обеспечивающие деагломерацию, желирующие агенты, добавки, изменяющие термофизические свойства стержня, например теплопроводность, добавки, препятствующие приклеиванию металла к стержням, добавки, ведущие к улучшению гомогенизации и показателям смешивания, добавки, улучшающие способность к длительному хранению, добавки, препятствующие преждевременному затвердеванию, добавки, препятствующие дымообразованию и образованию конденсата, а также добавки, ускоряющие затвердевание. Эти добавки известны специалисту из процессов изготовления обычных стержней. Количество, в котором их добавляют, определяют в зависимости от вида и состава материала стержня.
Чтобы после пескодувной формовки стержни обладали необходимой прочностью, в зависимости от состава материала стержней может понадобиться добавлять соответствующие ему катализаторы, инициирующие и ускоряющие затвердевание.
2
При использовании газообразных катализаторов в еще закрытую форму после пескодувной формовки можно нагнетать воздействующий на материал стержня газ, предпочтительно СО или воздух, предпочтительно для затвердевания и сушки стержней. Давление может быть ниже, чем при набивке стержней, и составлять примерно до 5 бар.
Возможна также последующая термическая обработка стержней при температурах до 500°С. Как правило, термическая обработка протекает уже во время формовки в форме посредством нагрева последней до температуры, отрегулированной соответственно конкретному материалу стержня.
Материал стержня составляют из соли и связующего агента, а также добавок, как то: наполнителей, присадок и катализаторов, если они требуются, причем наполнители и связующий агент - неорганические. Все вещества можно смешать до гомогенного состояния с помощью известного смесительного оборудования. Количество добавляемых наполнителя и добавок выбирают в зависимости от целей применения стержней, они определяют качество поверхности, а также плотность и прочность стержней.
Дальнейшую обработку материалов стержней осуществляют в отдельности от пескодувного процесса изготовления стержней, причем при необходимости следует предусмотреть надлежащие защитные меры, предотвращающие агломерацию и преждевременное затвердевание. Например, в зависимости от состава материала стержня последующую обработку, транспортировку и хранение можно также осуществлять в атмосфере защитного газа.
Вещества, которые изменяют свойства других веществ материала стержня, в особенности те, которые необходимы для затвердевания, целесообразно вводить непосредственно в пескодувную машину. В этом случае перемешивание проводят в потоке газа, который транспортирует другие вещества в форму. Материал стержня нагнетают в форму под давлением в 1-10 бар, отрегулированном в соответствии с составом материала стержня либо же со способностью массы к заполнению и ее текучестью. При этом давление заполнения зависит от распределения зерен по размеру либо же от размера зерен и их формы. В общем случае мелкозернистые соли требуют более высокого давления набивки.
Состав и свойства стержня оказывают существенное влияние на качество детали, изготовленной литьем под давлением. Поэтому здесь на основании примера исполнения рассмотрены важнейшие свойства. Указанные свойства касаются стержней, не покрытых шлихтой.
2
Используют стержень из NaCl с дальнейшими дополнительными веществами, как то: связующим агентом на основе жидкого стекла и прочими добавками, как то: разделяющим агентом, замедлителем схватывания, смачивающим агентом и т.п. Стержень формовали в пескодувной машине под давлением 6 бар. Для затвердевания его подвергли термической обработке длительностью 1 мин при 200°С. Представленный стержень особо удобен для применения в литье алюминия под давлением. При литье алюминия под давлением жидкий алюминий нагнетают в форму под давлением в 10-200 МПа. В форму он течет со скоростью до 120 м/с. Чтобы противостоять силам, возникающим при литье, стержень должен сохранять форму. Механические свойства материала определяли на образце длиной 180 мм, шириной 22 мм и высотой 22 мм. Предел прочности на изгиб, измеренный согласно памятке VDG Р73 (февраль 1996 г.), составляет 1400 Н/см.
При вхождении потока металла вымывание или повреждение поверхности стержня не допускается. По этой причине стержень должен обладать соответствующей прочностью поверхности. Решающую роль играет также пористость. В настоящем примере исполнения доля пор составляет 30%.
3
3
2
Как правило, плотность солевых стержней на основе хлорида натрия, определенная методом с ареометром, составляет от 1,2 г/см до 1,8 г/см. Это соответствует пористости в 10%-35%. Предел прочности на изгиб, измеренный согласно памятке VDG Р73, находится в пределах от 400 до 1500 Н/см.
После того как деталь, изготовленная литьем под давлением, затвердеет, стержень необходимо удалить. При этом важно, чтобы стержень растворялся сразу, не давая твердых остатков, полностью и легко. Скорость растворения материала стержня зависит, естественно, от материала стержня и его предварительной обработки, а также от размера стержня. При использовании чистой соли она может отличаться от таковой с составом, включающим в себя связующий агент и наполнители. Эксперименты с опытной деталью, изготавливаемой литьем под давлением, показали, что стержень размером 22 мм × 22 мм × 180 мм можно полностью вымыть из отливки горячей водой за 1-2 мин.
Следовательно, настоящее изобретение касается
- водорастворимых солевых стержней, которые можно изготавливать уплотнением смеси из водорастворимых солей, по меньшей мере одного связующего агента, а при необходимости дополнительных вспомогательных веществ, как то наполнителей, присадок и катализаторов (в сумме - материал стержня) под давлением, причем связующий агент и добавляемые при необходимости вспомогательные вещества - неорганические, а солевые стержни формуют пескодувным методом;
• причем формовку осуществляют под давлением от 1 до 10 бар;
3
• причем формованные стержни имеют плотность от 1,2 до 1,8 г/см;
• причем их пористость составляет от 10% до 40%;
2
• причем предел их прочности на изгиб находится в пределах от 400 до 1500 Н/см;
• причем в качестве водорастворимых солей применяют те, температура разложения или плавления которых превышает температуру жидкого металла;
• причем в качестве водорастворимых солей используют хлориды щелочных и щелочноземельных элементов, в частности хлорид натрия, хлорид калия и/или хлорид магния, водорастворимые сульфаты и нитраты щелочных и щелочноземельных элементов, в частности сульфат калия и/или сульфат магния, водорастворимые соли аммония, в частности сульфат аммония или смеси этих солей;
• причем размеры зерен материалов стержня находятся в пределах от 0,01 до 2 мм;
• причем часть материала стержня содержит водорастворимый наполнитель, так что размеры зерен наполнителя соответствуют размерам зерен материала стержня, и так, что доля наполнителя в материале стержня может составлять до 30% об.;
• причем в качестве связующего агента применяют водорастворимые силикатные соединения, предпочтительно жидкое стекло, фосфаты щелочных металлов, фосфаты аммония и/или моноалюминий-фосфат или смеси этих соединений;
• причем доля связующих агентов составляет от 0,5% мас. до 15% мас.;
• причем связующий агент представляет собой жидкое стекло, а доля связующего агента в зависимости от показателей смачивания и силикатного модуля составляет от 0,5% мас. до 15% мас.;
• причем водорастворимая соль представляет собой хлорид натрия с размером зерна от 0,01 до 2 мм, а связующий агент - жидкое стекло;
• причем связующий агент - жидкое стекло - содержится в количестве 0,5% мас. до 15% мас. в зависимости от распределения зерен по размеру и соответственно силикатному модулю;
• причем водорастворимая соль представляет собой хлорид натрия с размером зерна в пределах от 0,04 до 0,6 мм, связующий агент - жидкое стекло, доля которого составляет 6% мас., и причем формовку осуществляют в пескодувной машине при давлении набивки 6 бар при комнатной температуре, а отверждение - горячим воздухом;
3
2
• причем плотность составляет 1,35 г/см, открытая пористость - 30%, а предел прочности на изгиб равняется 1400 Н/см;
• причем после формовки солевые стержни подвергают тепловой обработке при температуре 500°С.
Пункты перечня, обозначенные знаком «•», означают возможные дополнительные опции, предпочтительные варианты исполнения водорастворимых солевых стержней согласно изобретению.
Следовательно, настоящее изобретение также касается
- способа изготовления водорастворимых солевых стержней из смеси из водорастворимых солей, по меньшей мере одного связующего агента, а при необходимости дополнительных вспомогательных веществ, как то наполнителей, присадок и катализаторов, отличающегося тем, что полностью водорастворимую и пригодную к удалению из изделий водой без остатка смесь в отличном от жидкого состоянии смешивают до гомогенной консистенции и с помощью пескодувного метода, под давлением, соответствующим составу материала стержня, распределению зерен по размеру либо же соответствующим размеру, причем солевые стержни формуют под давлением от 1 до 10 бар;
○ - причем смешивают компоненты с размерами зерен, характеризующимися различными кривыми распределения, предпочтительно бимодальным или тримодальным распределением размера зерен, чтобы получить высокую степень заполнения форм смесью (материалом стержня);
○ причем в качестве водорастворимых солей выбирают хлориды щелочных и щелочноземельных элементов, в частности хлорид натрия, хлорид калия и/или хлорид магния, водорастворимые сульфаты и нитраты щелочных и щелочноземельных элементов, в частности сульфат калия и/или сульфат магния, а также водорастворимые соли аммония, в частности сульфат аммония или смеси этих солей, которые при необходимости с добавлением вспомогательных веществ смешивают в гомогенную смесь и формируют из нее стержень;
○ причем применяют материалы стержня с размером зерна в пределах от 0,01 до 2 мм в зависимости от материала, желаемого качества поверхности и точности воспроизведения контуров изделия, подлежащего отливке из металла.
○ причем к материалу стержня возможно добавлять дополнительный наполнитель или дополнительные наполнители, доля которых составляет до 30% об., а размер зерна наполнителя выбирают в соответствии с размером зерна соли или солей;
○ причем добавляют один или несколько связующих агентов, доля которых зависит от удельной площади поверхности, показателей смачивания и распределения зерен по размеру, и эти связующие агенты предпочтительно представляют собой водорастворимые силикатные соединения, предпочтительно жидкое стекло, фосфаты щелочных металлов, фосфаты аммония и моноалюминий-фосфат;
○ причем в качестве связующего агента добавляют жидкое стекло с долей от 5% мас. до 20% мас.;
○ причем добавляют соответствующие материалу стержня водорастворимые присадки;
○ причем добавляют соответствующие материалу стержня водорастворимые катализаторы;
○ причем после набивки стержни для затвердевания обрабатывают газами, соответствующими материалу стержня;
○ причем обработку газом проводят с использованием горячего воздуха;
2
○ причем обработку газом проводят с использованием СО;
○ причем давление при обработке газом составляет до 10 бар;
○ причем после набивки стержни подвергают отверждению посредством соответствующей материалу стержня тепловой обработки при температурах до 500°С.
Пункты списка, обозначенные знаком «○», означают возможные дополнительные опции, предпочтительные варианты реализации способа согласно изобретению для изготовления водорастворимых солевых стержней.