СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ И СПОСОБ ЕЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
MIX FOR MAKING CASTING MOULDS AND CORES AND METHOD OF ITS PRODUCTION (VERSIONS)

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления керамических форм и стержней в производстве отливок из сплавов цветных и черных металлов.
2
Общемировой тенденцией в развитии процессов формообразования для литейного производства является применение холоднотвердеющих смесей (ХТС). Затвердевание в оснастке при комнатной температуре обеспечивает стержням и формам высокую точность и малые энергетические затраты на их изготовление. При этом наибольшее распространение получили ХТС на органических связующих материалах - синтетических смолах. Эти смеси обладают рядом преимуществ по сравнению с известными ХТС на неорганических связующих материалах (жидкоподвижные самотвердеющие смеси (ЖСС), пластичные самотвердеющие смеси, СО-процесс и др.). Такими преимуществами являются лучшая чистота поверхности, несравнимая с ЖСС легкость удаления стержней из отливок и регенерируемость отработанных смесей (Перспектива применения фосфатных холоднотвердеющих смесей («фоскон»-процесс) / Г.А.Коллодий, С.С.Ткаченко, B.C.Кривицкий // Литейщик России. - 2004 г. - №8. - С.23-24).
Однако до настоящего времени существенной проблемой остается обеспечение экологической безопасности процессов получения отливок с использованием фурановых, фенольных и других смол и их влияние на окружающую среду (Перспектива применения фосфатных холоднотвердеющих смесей («фоскон»-процесс) / Г.А.Коллодий, С.С.Ткаченко, B.C.Кривицкий // Литейщик России. - 2004 г. - №8. - С.23-24).
Перспективными в этом направлении являются ХТС на неорганических связующих материалах, например на растворах алюмоборфосфатного концентрата (АБФК). Такие смеси имеют следующие достоинства (Перспектива применения фосфатных холоднотвердеющих смесей («фоскон»-процесс) / Г.А.Коллодий, С.С.Ткаченко, B.C.Кривицкий // Литейщик России. - 2004 г. - №8. - С.23-24). Полное отсутствие прилипаемости, более легкая выбиваемость из отливок, высокая термостойкость и низкая газотворность смеси по сравнению с другими ХТС. Возможность использования недорогих отечественных материалов, а также до 80% регенерата после механической регенерации и универсального смесеприготовительного оборудования, экологичность АБФК.
Наиболее близкой по технической сущности является смесь для изготовления литейных форм и стержней (RU №2281830, МПК В22С 1/00, заявл. 21.06.2004, опубл. 20.08.2006), включающая раствор алюмоборфосфатного концентрата, периклазовый порошкообразный отвердитель и кварцевый песок при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
раствор алюмоборфосфатного концентрата
3…5;
периклазовый порошкообразный отвердитель
1,0…1,5;
кварцевый песок
остальное.
Способ приготовления такой смеси состоит в том, что в кварцевый песок с периклазовым порошкообразным отвердителем вводят раствор АБФК, указанные ингредиенты перемешивают и полученную смесь незамедлительно уплотняют в оснастке, например, вибрацией. Смесь прототипа и способ ее приготовления дает возможность получать отливки из сплавов черных и цветных металлов.
Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:
- физико-механические свойства смеси не позволяют обеспечить стабильное изготовление стержней и форм при крупносерийном производстве отливок (например, недостаточный уровень прочности стержней через 1 час не дает возможности ускоренно извлекать стержни из оснастки, тем более если изготавливаются стержни сложной конфигурации);
- длительный цикл формирования манипуляторной прочности литейных форм и стержней, в особенности для условий крупносерийного производства, например в автомобиле- и тракторостроении;
- способ приготовления смеси не обеспечивает равномерное распределение порошкообразного отвердителя и, следовательно, вызывает нестабильность получаемых свойств;
- способ прототипа не позволяет эффективно провести активацию АБФК и повысить физико-механические свойства смеси для изготовления стержней и форм, в особенности для сложнопрофильных отливок.
В основу изобретения положена техническая задача - повышение физико-механических свойств смеси, в особенности прочности через 1 час и ускоренного формирования манипуляторной прочности стержней и форм, необходимых для улучшения качества изготовления сложнопрофильных и тонкорельефных отливок.
Указанная техническая задача решается тем, что смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая раствор алюмоборфосфатного концентрата, периклазовый порошкообразный отвердитель и кварцевый песок, согласно изобретению, дополнительно содержит раствор карбоксиметилцеллюлозы при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
раствор алюмоборфосфатного концентрата
2…8;
периклазовый порошкообразный отвердитель
0,8…1,7;
раствор карбоксиметилцеллюлозы
1…3;
кварцевый песок
остальное.
3
Задача решается также тем, что в способе приготовления смеси для изготовления литейных форм и стержней, включающем введение в кварцевый песок с периклазовым порошкообразным отвердителем раствора алюмоборфосфатного концентрата, согласно изобретению, перед введением раствора алюмоборфосфатного концентрата его обрабатывают наносекундными электромагнитными импульсами с удельной импульсной мощностью 400…900 МВт/м.
Кроме того, поставленная техническая задача также решается тем, что в способе приготовления смеси для изготовления литейных форм и стержней, включающем введение в кварцевый песок раствора алюмоборфосфатного концентрата, согласно изобретению, перед введением раствора алюмоборфосфатного концентрата осуществляют плакирование кварцевого песка предварительно подготовленной суспензией из раствора карбоксиметилцеллюлозы и периклазового порошкообразного отвердителя с последующей обработкой плакированного песка в кипящем слое теплым воздухом с температурой 50…80°С.
Применение в качестве связующего водного раствора алюмоборфосфатного концентрата и периклазового порошкообразного отвердителя обеспечивает требуемый цикл формообразования и исключает сушку изготавливаемых форм и стержней вследствие химического затвердевания смеси.
Введение в состав смеси дополнительно карбоксиметилцеллюлозы в количестве 1…3 мас.% создает условия для плакирования и равномерного распределения периклазового поршкообразного отвердителя смеси, а также повышение прочностных характеристик стержней и форм, в особенности сразу после затвердевания смеси.
Плакирование песка суспензией из раствора карбоксиметилцеллюлозы и периклазового поршкообразного отвердителя обеспечивает равномерное распределение отвердителя в объеме смеси. При этом плакированный песок может храниться в отдельной таре неограниченное время и при необходимости использоваться для подготовки ХТС, что обеспечивает высокую технологичность заявляемого способа приготовления смеси.
Обработка плакированного песка в кипящем слое теплым воздухом с температурой 50…80°С создает условия для ускоренной подготовки плакированного отвердителем наполнителя и улучшения физико-механических свойств ХТС и качества отливок.
Обработка наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) повышает когезионную прочность и позволяет существенно улучшить физико-механические свойства смеси за счет ее электрофизической активации.
3
2
3
2
Подготовку заявляемой смеси для изготовления литейных форм и стержней осуществляют следующим образом. Навешивают расчетное количество раствора АБФК и порошкообразного периклазового отвердителя к нему, а также раствора карбоксиметилцеллюлозы и кварцевого песка. Затем готовят суспензию из раствора карбоксиметилцеллюлозы и периклазового порошкообразного отвердителя, заливают ее в кварцевый песок, например, марок 3КО03 или 5КО03 (ГОСТ 2138-91), предварительно перемешивают и обрабатывают в кипящем слое теплым воздухом с температурой 50…80°С. Подготовленный плакированный песок может храниться неограниченное время. По мере необходимости его засыпают в смесеприготовительное оборудование, например бегуны или шнековый смеситель, добавляют расчетное количество раствора АБФК, перемешивают ингредиенты и после удаления смеси из оборудования осуществляют изготовление стержней и форм в оснастке, например, путем уплотнения вибрацией.
5
7
-9
-10
3
Для дополнительного улучшения физико-механических свойств смеси при изготовлении особо сложных по конфигурации отливок может быть осуществлена обработка НЭМИ связующего раствора АБФК. Для этого в раствор АБФК погружают медный излучатель, подсоединенный к генератору НЭМИ с параметрами: 1 МВт в импульсе, напряженность поля 10-10 В/м, продолжительность одного импульса 10-10 с. Удельная импульсная мощность составляет 400…900 МВт/м.
Расширение диапазона значений по количеству раствора АБФК в смеси по сравнению с прототипом диктуется, с одной стороны, необходимостью ее упрочнения для изготовления крупногабаритных массивных отливок особо сложной конфигурации (верхний предел), с другой, возможностью уменьшения количества жидкой фазы в смеси при тех же свойствах за счет электрофизической обработки (эффект «разжижения») по экономическим соображениям для отливок неответственного назначения (нижний предел). В связи с расширением диапазона значений по раствору АБФК также изменяется интервал значений по периклазовому порошкообразному отвердителю.
Содержание в предлагаемой смеси АБФК менее 2 мас.% отрицательно сказывается на прочности и осыпаемости готовых форм и стержней, а следовательно, приводит к снижению качества поверхности готовой отливки. Причиной этого является недостаток связующего материала в смеси. Напротив, содержание АБФК более 8 мас.% приводит к ухудшению выбиваемости, а также удорожанию смеси.
Количество периклазового порошкообразного отвердителя в составе смеси 0,8…1,7 мас.% является оптимальным с позиций обеспечения требуемой продолжительности ее затвердевания и живучести. Содержание в смеси периклазового порошкообразного отвердителя менее 0,8 мас.% приводит к чрезмерному увеличению продолжительности затвердевания смеси. Содержание периклазового порошкообразного отвердителя более 1,7 мас.% вызывает существенное снижение живучести смеси.
Раствор карбоксиметилцеллюлозы в предлагаемой смеси 1…3 мас.% обеспечивает высокую степень равномерности плакирования частиц кварцевого песка. Если его количество менее 1 мас.%, то не удается равномерно распределить и адгезировать частицы порошкообразного периклазового отвердителя на поверхности зерен песка. В результате - нестабильность свойств смеси и низкое качество отливок. Если количество карбоксиметилцеллюлозы более 3 мас.%, то наблюдается нежелательное комкование при подготовке кварцевого песка.
Обработка плакированного песка в кипящем слое с температурой 50…80°С ускоряет процесс его подготовки. Если температура менее 50°С, то не удается обеспечить существенного уменьшения продолжительности подготовки плакированного кварцевого песка. Если температура больше 80°С, то нарушается целостность плакирующего слоя на частицах кварцевого песка в результате его разрыхления из-за испарения влаги с высокой скоростью.
3
3
3
Для изготовления особо сложных по конфигурации тонкорельефных отливок рекомендуется удельная импульсная мощность НЭМИ в пределах 400…900 МВт/м для обработки раствора АБФК с целью повышения когезионной прочности и текучести смеси. При удельной импульсной мощности НЭМИ менее 400 МВт/м не удается существенно повлиять на физико-механические свойства смеси, а при превышении уровня 900 МВт/м неоправданно возрастают энергетические затраты.
Предлагаемые состав смеси для изготовления литейных форм и стержней и способ ее приготовления иллюстрируются следующими примерами.
3
2
Пример 1. Готовят плакированный кварцевый песок марки 5КО03 (ГОСТ 2138-91) с использованием раствора карбоксиметилцеллюлозы (ТУ 6-15-1077-92) и периклазового порошкообразного отвердителя марки (ТУ 2149-215-10964029-2004) в кипящем слое с продувкой теплым воздухом (температура 60°С). Затем вводят раствор АБФК (ТУ 113-08-606-87) в плакированный песок, перемешивают ингредиенты и изготавливают образцы форм с последующим их испытанием.
Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют приготовление смеси согласно прототипу. Составы смесей приведены в табл.1.
Таблица 1
Составы смесей
Наименование ингредиентов
Количество ингредиентов, мас.%, в смесях
прототип
1
2
3
4
5
Раствор АБФК
4
2
5
8
5
5
Периклазовый порошкообразный отвердитель
1,5
1,2
1,2
1,2
0,8
1,7
Раствор карбоксиметилцеллюлозы
-
2
2
1
2
3
Кварцевый песок
Остальное
Остальное
Результаты испытаний смесей приведены в табл.2. Номера составов смесей соответствуют приведенным в табл.1.
Таблица 2
Результаты испытаний смесей
Показатели
Результаты испытаний смесей по составам
прототип
1
2
3
4
5
1. Продолжительность затвердевания, мин
30
10
15
20
22
12
2. Живучесть, мин
6
20
25
30
40
28
3. Прочность при разрыве, МПа:
а) через 1 час;
0,15
0,15
0,45
0,47
0,41
0,38
б) через 24 часа
1,0
1,5
1,9
1,7
1,72
1,6
4. Выбиваемость (остаточная прочность), МПа
0,20
0,08
0,09
0,12
0,10
0,09
5. Осыпаемость, %
0,06
0,04
0,01
0,012
0,019
0,01
Пример 2. Готовят аналогично примеру 1 смесь состава 2 (см. табл.1), показавшего наиболее рациональное сочетание служебных свойств (см. табл.2). При этом перед введением раствора АБФК осуществляют его обработку НЭМИ в течение 15 мин. Для этого в раствор вводится излучатель, подсоединенный к генератору НЭМИ (RU №2030097, МКИ Н03К 3/33, КЗ/45. Формирователь наносекундных электромагнитных импульсов. Белкин B.C., Шульженко Г.И. Заявл. 17.01.92). Влияние НЭМИ на свойства смеси представлено в табл.3.
Таблица 3
Влияние обработки НЭМИ на свойства смесей
Показатели
Обработка НЭМИ с удельной импульсной мощностью, МВт/м<sup>3</sup>
400
600
900
1. Продолжительность затвердевания, мин
12
9
8
2. Живучесть, мин
26
24
20
3. Прочность при разрыве, МПа:
а) через 1 час;
0,73
0,75
0,63
б) через 24 часа
2,6
2,8
2,3
4. Выбиваемость (остаточная прочность), МПа
0,08
0,06
0,05
5. Осыпаемость, %
0,01
0,01
0,012
Воздействие НЭМИ открывает возможность дополнительно улучшить физико-механические свойства смеси, в частности уменьшить продолжительность затвердевания смеси, существенно упрочнить ее при затвердевании с сохранением приемлемого диапазона значений улучшенных по сравнению с прототипом осыпаемости и выбиваемости литейных стержней и форм.
В целом, результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси и способ ее приготовления позволяют ускорить цикл формообразования, повысить прочность форм и стержней более чем в 2 раза, в особенности на ранних этапах формообразования, практически исключить осыпаемость форм и стержней, облегчить выбиваемость отливок. Это позволило значительно улучшить качество поверхности сложнопрофильных, тонкорельефных отливок из черных и цветных сплавов.
Смесь и способ ее приготовления прошли промышленные испытания на ЗАО "Уральская бронза" (г.Челябинск) и ОАО «AЗ Урал» (г.Миасс). Учитывая улучшенный комплекс зафиксированных технологических свойств смеси, ее универсальный характер, заявленный состав смеси и способ ее приготовления могут быть использованы практически на любых отечественных предприятиях, применяющих ХТС.