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 полуформ, 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 В22С 9/04, 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 В22С 9/00, 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 В22С 9/08, 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.
Технический результат - улучшение выбиваемости отливок и стержней.
2
3
Технический результат достигается при использовании литейной формы, состоящей из нижней и верхней полуформ, стержня и литниковой системы, при этом литейная форма выполнена из смеси 92 мас. % кварцевого песка 1КО03, 6 мас. % жидкого стекла и 2 мас. % отхода контактной очистки масел.
2
Выполнение полуформ и стержня литейной формы из песчано-жидкостекольной смеси с использованием разупрочняющей добавки - 2 мас. % отхода контактной очистки масел, влияет на структуру пленки водного силиката натрия на зернах огнеупорного наполнителя - 92 мас. % кварцевого песка. В связи с окислением углерода при деструкции отхода контактной очистки масел 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 СО и CO и парами воды. Наличие подобных дефектов снижает остаточную прочность литейной формы и стержня за счет нарушения сплошности силикатной пленки, образования ее надрывов, что положительно влияет на выбиваемость.
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) и смеси, используемой для выполнения заявленной литейной формы с разупрочняющей добавкой -отходом контактной очистки масел (ОКОМ) (пример 2).
Для подтверждения характеристик литейной формы, в соответствии с ГОСТ 23409.7-78, определялись следующие ее свойства: прочность на сжатие во влажном состоянии, предел прочности на сжатие и разрыв.
Определение прочности образцов на сжатие во влажном состоянии производилось 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 мин 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 мин 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 при введении в материал литейной формы ОКОМ (пример 2), в сравнении с классической песчано-жидкостекольной смесью (пример 1), наблюдается снижение остаточной прочности в каждом интервале температур.
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 х1000), 400°С (увеличение х1000), 600°С (увеличение х500), 900°С (увеличение х131).
На фигурах 5-8 - показана структура жидкостекольных пленок на зернах огнеупорного кварцевого наполнителя с добавлением ОКОМ при температуре нагрева образца, равной соответственно 180°С (увеличение х1200), 400°С (увеличение х1200), 600°С (увеличение х600), 900°С (увеличение х600).
Литейная форма из песчано-жидкостекольной смеси, содержащей заявленное соотношение жидкого стекла, кварцевого песка, отхода контактной очистки масел состоит из нижней и верхней полуформ, стержня-вставки и литниковой системы. Для приготовления песчано-жидкостекольной смеси в лабораторные бегуны загружались компоненты смеси в следующей последовательности: кварцевый песок (92 мас. %), разупрочняющая добавка (2 мас. % отхода контактной очистки масел) и жидкое стекло (6 мас. %).
Литейная форма работает следующим образом.
При заливке металла в литейную форму, выполненную из песчано-жидкостекольной смеси с разупрочняющей добавкой - отход контактной очистки масел, литейная форма нагревается. При нагреве формы до температуры 180°С структура пленок водного силиката натрия с добавлением ОКОМ сплошная, не имеет дефектов в виде надрывов (фиг. 5). В интервале температур 400-600°С (фиг. 6, 7) на структуре пленки силикатного связующего наблюдаются дефекты (надрывы пленки, поры), вызванные газовыделением при деструкции ОКОМ, а также удалением (выкипанием) воды, входящей в состав жидкого стекла. Интенсивное протекание процесса карбонизации с образованием кристаллов карбонатов натрия наблюдается при температуре нагрева образцов при 600°С (фиг. 7). При дальнейшем нагреве до 900°С (фиг. 8) образца происходит оплавление жидкостекольного связующего. При этом ранее образованные дефекты препятствует полному сплавлению силикатной пленки, на поверхности наблюдаются дефекты в виде пор и трещин, что снижает 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 углеродосодержащей добавки снижаются прочностные показатели, 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, 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 793°С, сопровождая полное 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
Таким образом, использование литейной формы, выполненной из смеси 92 мас. % кварцевого песка 1КО03, 6 мас. % жидкого стекла и 2 мас. % отхода контактной очистки масел, состоящей из нижней и верхней полуформ, стержня и литниковой системы, обеспечивает улучшение выбиваемости отливок и стержней.