ФОРМОВОЧНАЯ СМЕСЬ
MOULDING MIXTURE

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изготовлению форм из формовочной смеси на основе зольно-жидкостекольной композиции для мелкого и среднего литья цветных металлов, сплавов металлов по выплавляемым моделям и может найти применение в литейных цехах заводов машиностроения, приборостроения, а также стоматологии и ювелирном производстве.
На современном рынке формовочных смесей существует потребность в легкодоступных компонентах, не требующих дорогостоящего помола и сепарации и способных легко разрушаться при изъятии готовой отливки из форм.
Известна формовочная смесь, для изготовления литейных форм, состоящая из гипса, песка и минеральной добавки (Цветное литье. Справочник под общей редакцией Н.М.Талдина. - М.: Машиностроение, 1989, с.397).
Однако эта смесь имеет недостаточно высокие физико-механические показатели.
Наиболее близкой к предложенной является формовочная смесь для изготовления литейных форм, включающая гипс и кварцевый песок, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит в своем составе отход производства керамических изделий, содержащий глину, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: гипс - 30-40; отход производства керамических изделий - 20-60; кварцевый песок - остальное (патент RU 2207932 C1, B22C 1/18, 10.06.2002).
Указанный состав имеет следующие недостатки: необходимы измельчение и сепарация входящих в состав смеси компонентов; необходимо вакуумировать раствор формовочной смеси для удаления пузырьков воздуха из состава; затруднена выемка отливки из формы.
Задачей настоящего изобретения является улучшение функционально-эксплуатационных характеристик формовочной смеси путем удержания зольно-жидкостекольного раствора на маловязкой стадии, предшествующей образованию вязкого геля, достаточное время, чтобы маловязкий раствор мог быть залит в опоку и точно повторить форму выплавляемой модели, без принудительной вакуумной дегазации раствора.
Важным является подбор состава таким образом, чтобы он имел низкую водостойкость, то есть легко разрушался при взаимодействии с водой, но при этом имел достаточную для работы прочность в сухом виде. Кроме того, гранулометрический состав смеси способствовал наиболее плотной упаковке частиц смеси, что в свою очередь приводит к повышению качества поверхности отливки.
Предложенный состав формовочной смеси не требует дополнительного измельчения и сепарации; не требуется стадия вакуумирования; теряет прочность под воздействием воды; изначально содержит в себе антиадгезионную добавку - графит (не прогоревший углерод).
Предложенное изобретение направлено на резкое удешевление формовочных смесей, упрощение работы с ними при сохранении высокого качества получаемых отливок, а также вторичного использования отходов производства электроэнергии - золы-уноса.
2
Зола-унос - тонкодисперсный продукт высокотемпературной обработки минеральной части углей. Зола-унос по своей природе может быть кислой (богатой кварцем - SiO) либо основной (богатой оксидами кальция - CaO). Первая проявляет пуццоланические свойства, вторая дополнительно проявляет свойства самостоятельного вяжущего.
Поставленная задача решается тем, что формовочная смесь зольно-жидкостекольной композиции используемой для литья по выплавленным моделям содержит:
Высококальциевая зола-унос (основная) - 18-22%
Кислая зола-унос - 59-73%
Микрокремнезем (МКМ) - 2-4%
Жидкое стекло (Силикат натрия) - 7-15%
Вода дистиллированная В/Т - 0,45-0,55
Указанный состав позволяет получить маловязкую, с высокой текучестью смесь, не образующую пузырьков воздуха при перемешивании, то есть не требующую вакуумирования, а также путем создания плотной структуры за счет содержащихся в смеси высокодисперсных частиц различной дисперсии (от 100 до 0,1 мкм), когда пустоты между крупными частицами заполняются все более и более мелкими), что в частности, позволяет получить отливки с высоким качеством поверхности и предотвратить усадочные явления.
Технологические свойства предлагаемой в заявке формовочной смеси в сравнении со свойствами смеси-прототипа иллюстрируются таблицами:
табл.1 - фракционный состав золы образующейся при сжигании кузнецких углей на ТЭЦ-22, филиале ОАО МОСЭНЕРГО;
табл.2 - химический состав золы-уноса (кислой) (% массовые доли);
табл.3 - химический состав золы-уноса (основной) (% массовые доли);
табл.4 - изменение физико-механических свойств формовочной смеси при изменении соотношения зола-унос (основная)/жидкое стекло;
табл.5 - изменение физико-механических свойств формовочной смеси при изменении соотношения зола-унос (кислая)/жидкое стекло;
табл.6 - изменение физико-механических свойств формовочной смеси при введении 2% микрокремнезема (МКМ). Использовалось жидкое стекло, силикатный модуль - 2.5.
Из таблицы 1 следует, что фракционный состав золы-уноса (кислой) достаточно разнообразен и содержит в своем составе частицы размером, в основном, от 100 до 1 мкм. Самая многочисленная 26% фракция (от 40 до 100 мкм) примерно соответствует размеру частиц цемента не очень высокого качества, а вот последние три фракции соответствуют по своей размерности добавкам для цемента, уплотняющих плотность структуры цементного камня. Это происходит за счет того, что промежутки между крупными частицами заполняются более мелкими, промежутки между более мелкими заполняются еще более мелкими и так далее. По аналогии подобный механизм уплотнения структуры был выбран и для формовочной смеси путем подбора соответствующего рецептурного состава.
Из таблиц 2 и 3 видно, что состав компонентов золы-уноса (кислой) и золы-уноса (основной) примерно одинаков и отличается в основном процентным содержанием и, следовательно, смесь из двух зол в любом процентном соотношении имеет химическое сродство друг к другу. Кроме того, достаточно высокое содержание окиси кальция в золе (основной) позволяет ее использовать в качестве отвердителя для жидкого стекла и не вводить в качестве отвердителя посторонние компоненты.
2
Таблица 4 показывает, что при увеличении количества вводимого жидкого стекла, прочность формовочной смеси растет, причем значительно, но из-за высокой скорости схватывания и достаточно высокой вязкости раствора пузырьки воздуха не успевают удалиться из смеси. Небольшое количество высокодисперсных частиц в золе-уносе (основной) приводит к тому, что получаемая структура очень пористая. «Водоразрушение» происходит только при прочности около 10 кг/см.
Структура очень пористая, скорость схватывания высокая, содержит пузырьки воздуха.
Из таблицы 5 видно, что формовочная смесь, состоящая только из золы-уноса (кислой) имеет следующие недостатки:
очень низкая скорость схватывания;
из-за очень высокой плотности смеси затруднено удаление влаги из раствора, что при повышенных температурах приводит к образованию трещин.
Но при этом получаемый раствор имеет низкую вязкость, не способен удерживать пузырьки воздуха и готовая форма имеет плотную структуру и достаточно хорошо разрушается под действием воды.
Структура плотная, скорость схватывания очень низкая, низкая трещиностойкость, пузырьков не содержит.
После множества экспериментов, проведенных авторами, был выбран рецептурный состав, представленный в табл. 6.
Высококальциевая зола-унос (основная) - 18-22%
Кислая зола-унос - 59-73%
Микрокремнезем (МКМ) - 2-4%
Жидкое стекло (Силикат натрия) - 7-15%
Вода дистиллированная В/Т - 0,45-0,55
Смесь из двух зол-уносов представляется оптимальной по скорости схватывания, по вязкости, по плотности. Введение микрокремнизема увеличило плотность структуры и повысило трещиностойкость состава.
Структура очень плотная, скорость схватывания нормальная, не содержит пузырьков, трещины отсутствуют.
Увеличение количества основной золы свыше 22% приводит к повышению скорости схватывания раствора до 1-2 минут, что вносит неудобства при работе с формовочной смесью и оставляет слишком мало времени для естественного выхода пузырьков воздуха из раствора. Вследствие, более низкого дисперсного состава основной золы по сравнению с кислой - увеличивается пористость структуры получаемой формы, что снижает качество отливки.
Снижение количества основной золы менее 18% приводит, соответственно, к сильному замедлению скорости схватывания (до нескольких часов), а также снижается прочность готовых форм.
Количество золы-уноса (кислой) в процентном соотношении связано с количеством золы-уноса (основной). Недостатки слишком высокого содержания золы-уноса (кислой) отражены в описании к табл.5 (низкая скорость схватывания, высокая вероятность образования трещин, низкая прочность получаемых форм). Низкое содержание кислой золы автоматически ведет к высокому содержанию золы основной (см. выше).
Снижение количества МКМ ниже 2% не оказывает на смесь какого-либо положительного действия, тогда как повышение свыше 4% приводит к резкому повышению водопотребления, что ведет к снижению прочности формы, тещинообразовонию, в то время как содержание МКМ в пределах 2-4% уплотняет структуру формы и снижает вероятность образования трещин.
2
Введение жидкого стекла в количестве 7-15% обусловлено способностью формы к «водоразрушению». Форма, содержащая менее 7% жидкого стекла, имеет очень низкую прочность в сухом виде (2-4 кг/см). Форма, содержащая более 15% жидкого стекла плохо, или вовсе не разрушается под воздействием воды.
Учитывая все выше перечисленное, и был выбран предлагаемый состав формовочной смеси.
Действие компонентов формовочной смеси следующее: жидкое стекло - связующее, зола-унос (основная) - отвердитель для жидкого стекла и одновременно наполнитель, содержащий большое количество окиси кремния (табл.3), зола-унос (кислая) - мелкодисперсный наполнитель, состоящий практически из тех же компонентов (т.к. введение дополнительных компонентов в качестве неорганических отвердителей увеличивает риск образования трещин, а органические не обладают достаточной жаропрочностью), что и зола-унос (основная), но содержащая значительно меньшее количество окиси кальция, вследствие чего является отвердителем в значительно меньшей степени, чем зола-унос (основная), микрокремнезем - добавка, увеличивающая плотность структуры смеси (имеет размер 0,1-1 мкм).
Процентное соотношение компонентов формовочной смеси определяется необходимой прочностью литейной формы в сухом состоянии, плохой влагостойкостью, что приводит при взаимодействии с водой к достаточно легкому разрушению формы при извлечении отливки. Способностью смеси образовывать высокоплотную структуру при отжиге, стойкостью к усадочным явлениям и трещинообразованию (хотя на процесс трещинообразования в большей степени оказывает влияние режим тепловой обработки формовочной смеси), а также неспособностью удерживать образующиеся пузырьки воздуха в растворе. Увеличение количества жидкого стекла приводит к увеличению прочности формовочной смеси и, одновременно, снижает способность к «водоразрушению» готовой формы, увеличение количества основной золы-уноса приводит к резкому возрастанию скорости схватывания, при этом растет пористость структуры формовочной смеси, вследствие более крупного дисперсного состава основной золы-уноса, по сравнению с кислой. Увеличение количества микрокремнезема приводит к повышению способности к трещинообразованию.
Формовочную смесь готовят следующим образом:
2
2
2
Необходимое количество сухих компонентов: золы-уноса (кислой), золы-уноса (основной), микрокремнезема, перемешивается в любом смесителе пригодном для приготовления сухих смесей, либо при небольших количествах вручную. Затем затворяется необходимым количеством воды и интенсивно перемешивается 2-3 мин. При затворении золы водой, окись кальция (CaO - негашеная известь) превращается в гидроокись кальция (Ca(OH) - гашеную известь) CaO+HO→Ca(OH).
2
3
2
2
3
3
При добавлении к полученному зольному раствору необходимого количества силиката натрия (NaSiO - жидкое стекло) образуется силикат кальция: Ca(OH)+NaSiO→CaSiO↓+2NaOH,
- малорастворимое в воде соединение, что приводит к практически мгновенному (15-20 с) схватыванию полученной смеси. Столь короткие сроки схватывания делают зольно-жидкостекольную композицию непригодной к работе с ней в качестве формовочной смеси.
Однако, при добавлении силиката натрия небольшими дозами при интенсивном перемешивании, вначале происходит рост вязкости раствора, затем, через некоторое время, вязкость возвращается к исходной величине. Так происходит до тех пор, пока вся известь и другие активные, с точки зрения силиката натрия, компоненты не будут «нейтрализованы». Разрушенные за счет механо-деструкции, образующиеся структурные связи имеют достаточную активность, чтобы эту структуру восстановить (десятки минут), но их активности недостаточно, чтобы сделать это мгновенно. При таком подходе становится неважным исходный состав золы, так как «нейтрализация» исходных активных компонентов золы жидким стеклом осуществляется как бы автоматически. Процесс можно считать законченным, как только очередная добавка жидкого стекла не будет приводить к росту вязкости раствора. Далее, добавляется оставшееся жидкое стекло, при этом вязкость раствора резко падает и раствор уже не способен удерживать образующиеся при перемешивании пузырьки воздуха. После перемешивания в течение 30-40 секунд готовая формовочная смесь заливается в подготовленную опоку и оставляется в комнатных условиях на один час.
Далее, в опоке, смесь подвергается сушке:
1) t° - 50-60°C в течение трех часов.
2) t°=100-110°C - 30 минут, разборка опоки.
Далее нагрев по следующей схеме, предотвращающей образование трещин
20 мин→
0
20 мин→
0
20 мин→
0
40 мин
3) t°300° выдержка t600 выдержка t800° выдержка t950° выдержка
4) Заливка металла.
5) Охлаждение.
6) Обработка водой - 3-5 мин.
7) Разборка формы.
Зола-унос содержит в своем составе не прогоревший углерод, который является антиадгезионной добавкой и препятствует прилипанию металла к поверхности формы, что также облегчает выемку отливки из формы. Быстрое испарение влаги при сушке приводит к неполному протеканию реакций гидратации и образованию небольшого количества геля кремниевой кислоты, недостаточного для формирования прочной структуры камня, ведет к образованию открытой пористости, что увеличивает водопоглощение и уменьшает водостойкость. Все эти отрицательные качества, с точки зрения изготовления строительных материалов, являются положительными, с точки зрения изготовления формовочных смесей, способных разрушаться под воздействием воды. Кроме того, открытая пористость способствует отводу газов при заливке металлов в форму.
Предложенная формовочная смесь имеет улучшенные функционально-эксплуатационные характеристики за счет удержания зольно-жидкостекольного раствора на маловязкой стадии, предшествующей образованию вязкого геля, достаточное время, чтобы маловязкий раствор мог быть залит в опоку и точно повторить форму выплавляемой модели, без принудительной вакуумной дегазации раствора.
Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящем изобретении возможны разнообразные модификации и изменения. Соответственно, предполагается, что настоящее изобретение охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.
Таблица 1
Размер частиц, мкм
Процентное содержание в пробе
Более 100
10%
40-100
26%
20-40
9%
10-20
15%
6-10
13%
4-6
12%
1-2
15%
Таблица 2
Наименование
Символ
Содержание в золошлаках, %
Диоксид кремния
SiO<sub>2</sub>
52,2-64,3
Оксид алюминия
AlO<sub>3</sub>
23,5-29,0
Оксид железа (III)
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
6,0-10
Диоксид титана
TiO<sub>2</sub>
0,6-1,0
Оксид кальция
CaO
2,2-5,8
Оксид магния
MgO
1,0-2,0
Оксид калия
K<sub>2</sub>O
1,0-2,3
Серный ангидрид
SO<sub>2</sub>
0,2-0,8
Оксид железа
FeO
0,8-1,5
Фосфорный ангидрид
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0,2-1,0
Оксид марганца
MnO
0,3-0,4
Несгоревший углерод
------
12,0-16,0
Таблица 3
№
Определяемый показатель
Символ
Содержание, мас.%
1.
Оксид натрия
Na<sub>2</sub>O
0.30
2.
Оксид магния
MgO
5.79
3.
Оксид алюминия
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
7.59
4.
Оксид кремния
SiO<sub>2</sub>
45.3
5.
Сера сульфатная
SO<sub>3</sub>
1.62
6.
Оксид калия
K<sub>2</sub>O
0.28
7.
Оксид кальция
CaO
29.3
8.
Оксид титана
TiO<sub>2</sub>
0.43
9.
Оксид железа общего
Fe<sub>2</sub>O<sub>3 общ</sub>
7.55
10.
Потери при прокаливании (при 1000°С)
п.п.п.
0.44
Таблица 4
Состав, мас.%
Прочность на сжатие, кг/см<sup>2</sup>
Скорость схватывания, мин.
«Водоразрушение»
Зола-унос (основная)
80
70
1-2
Не происходит
Жидкое стекло
20
Вода
40
Зола-унос (основная)
85
40
1-2
Не происходит
Жидкое стекло
15
Вода
40
Зола-унос (основная)
90
10-15
1-2
Разрушается
Жидкое стекло
10
Вода
40
Таблица 5
Состав, мас.%
Прочность на сжатие, кг/см<sup>2</sup>
Скорость схватывания
«Водоразрушение»
Зола-унос (кислая)
80
30-40
18 часов
Не происходит
Жидкое стекло
20
Вода
60
Зола-унос (кислая)
85
15-20
20 часов
Разрушается плохо
Жидкое стекло
15
Вода
60
Зола-унос (кислая)
90
4-5
24 часа
Разрушается хорошо
Жидкое стекло
10
Вода
60
Таблица 6
Состав, мас.%
Прочность на сжатие, кг/см<sup>2</sup>
Скорость схватывания
«Водоразрушение»
Зола-унос (основная)
35
Зола-унос (кислая)
55
9-15
3-5 мин
Разрушается, есть трещины
Жидкое стекло
10
Вода
50
Зола-унос (основная)
20
Зола-унос (кислая)
69
9-15
15 мин
Разрушается
Жидкое стекло
9
Вода
50
Микрокремнезем
2