ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ ИЗОЛЯЦИОННОЙ СПОСОБНОСТЬЮ ДЛЯ ПОКРЫТИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ
HEAT-RESISTANT MATERIALS WITH HIGH ISOLATION CAPACITY FOR COATING CASTING MOULDS

Изобретение относится к материалам для покрытия или композициям обмазок, включающим компоненты растворителя и компоненты твердых веществ, при этом компонент твердых веществ включает метакаолинит и пирофиллит, которые могут быть нанесены на литейные формы; к литейным формам, включающим композиции обмазки, и их применению, в частности, в процессах центробежного литья и в процессах изготовления крупных отливок.
Жидкие расплавленные материалы в процессе литья приобретают форму геометрических изделий, имеющих определенные свойства обрабатываемых деталей. Большая часть продуктов черной металлургии, а также обрабатываемые изделия металлургии цветных металлов проходят через процессы литья, которые являются первоначальным формообразованием. Предпосылкой для изготовления отливок является, помимо прочего, производство литейных форм для заливки расплавленной массы, которые в некоторых случаях имеют сложную форму. Литейные формы подразделяют на расходуемые формы, в основном состоящие из минерального, огнеупорного, гранулированного материала и содержащие связующее, и, зачастую, также различные дополнительные добавки, например, для получения хороших литейных поверхностей, при этом расходуемые формы разрушаются после каждого процесса литья; и постоянные формы, при помощи которых может быть получено большое количество фасонных отливок. Промытый классифицированный кварцевый песок и, в некоторых случаях, также хромитовый, цирконовый и оливиновый песок используют в качестве огнеупорного, гранулированного основного материала для расходуемых форм. Помимо этого используют формовочные материалы на базе шамота, а также магнезита, силлиманита, корунда и т.п. Связующее для формовочного песка может быть неорганическим и органическим. Расходуемые формы в основном изготавливают из связанных бентонитом формовочных материалов для форм меньших размеров или из связанных синтетической смолой формовочных материалов для форм больших размеров, которые должны быть подвергнуты механическому уплотнению для обеспечения достаточной стабильности. Для постоянных форм в качестве формовочного материала и в зависимости от области применения пригодны литейный чугун, а также нелегированные и легированные стали, и медь, алюминий, графит, спеченные металлы и керамические материалы. Процессы литья с использованием постоянных форм включают литье в кокиль, литье под давлением, центробежное литье и непрерывное литье.
Способ получения литейных форм и стержней, изготовленных из связанного синтетической смолой формовочного песка, включает, например, изготовление основной формы или основного стержня из формовочного песка и нанесение на них покрытия, содержащего огнеупорные неорганические компоненты, также называемые обмазкой, по меньшей мере на поверхности основной формы/основного стержня, контактирующие с залитым металлом. С одной стороны, покрытия для литейных форм служат для сохранения поверхности формы, улучшения внешнего вида фасонной отливки, металлургического воздействия на фасонную отливку и/или предотвращения дефектов при литье. Кроме того, такие покрытия или различные виды обмазок выполняют функцию по химической изоляции литейной формы от жидкого металла во время литья, тем самым предотвращая адгезию и облегчая последующее разделение формы и отливки. Более того, обмазка гарантирует термическое разделение литейной формы и отливки. Если данная функция не выполняется, то металлическую форму, например, подвергают такой термической нагрузке во время последующих процессов литья, что приводит к преждевременному разрушению формы. Для влияния на охлаждение отливки может, в частности, управляться процесс переноса тепла. Для получения металлических деталей, например, из литейного чугуна, помимо прочего используют процесс изготовления крупных отливок и процесс центробежного литья. Во время изготовления крупных отливок форма и стержень подвергаются воздействию чрезвычайно высокого металлостатического давления, а также температурной нагрузке в течение весьма длительного времени. Поэтому особенно в данном процессе обмазка выполняет очень важную защитную функцию по предотвращению инфильтрации (проникновения) металла в формовочный песок, разрушения стержней (листовые ребра) или взаимодействия с формовочным песком (пригар). В процессе центробежного литья литейный металл заливают в трубчатую или круглую емкость, вращающуюся вокруг своей оси, под воздействием центробежной силы формируя из него, например, банки, кольца и трубы. Необходимо, чтобы отливка полностью затвердела до ее удаления из формы, поэтому требуется достаточно длительный период контакта между формой и отливкой. В таком случае литейную форму покрывают изолирующей обмазкой в виде однослойного или многослойного покрытия.
Обычно используемые виды обмазок в качестве основных материалов содержат, например, глины, кварц, диатомит, кристобалит, тридимит, силикат алюминия, силикат циркония, слюду, шамот, а также кокс и графит. Такие основные материалы составляют функциональную часть обмазки, покрывающей поверхность формы и закрывающей поры таким образом, чтобы литейный металл не мог проникнуть в них.
По причине своей высокой изоляционной способности зачастую предпочтительными являются изделия, изготовленные из диоксида кремния и диатомита, благодаря тому, что они имеют низкую производственную стоимость и хорошую доступность.
В настоящее время существуют три следующих способа получения труб центробежным литьем. В первом способе используют порошковую обмазку на основе затравочного материала и графита, иногда с добавкой алюминия. Такую обмазку распределяют при помощи трубы с прорезями, заполненной порошковой обмазкой путем загрузки и вращения во вращающейся изложнице. Во втором способе используют готовую обмазку на основе воды с огнеупорными компонентами, такими как силикат циркония, силикат алюминия и/или оксид алюминия. Такую обмазку распыляют в горячую вращающуюся изложницу во время одной или более операций из емкости с высоким давлением через фурму с разбрызгивающим или щелевым соплом. В третьем процессе используют заранее приготовленную водную обмазку из наполнителей, состоящих из обожженного диатомита (такого, как, например, коммерчески доступные продукты Celite, Dicalite) с бентонитом и водой.
Обмазки для центробежного литья, в основном используемые в настоящее время, имеют основу из диатомита. Однако вращение формы во время процесса центробежного литья и последующая обработка отливки часто приводят к попаданию части обмазки в окружающую среду. В настоящее время считается, что пылевые формы диатомита, обожженного диатомита и продуктов, образующихся во время спекания диатомита, таких как, например, содержащая кристобалит тонкая пыль, вызывают силикоз и рак. Рабочие, занятые на таком производстве, подвергаются высокому риску. Таким образом, существует большая потребность в другом огнеупорном материале с высокой изоляционной способностью для покрытия литейных форм.
В EP-B-0806258 описан способ получения изоляционного покрытия для металлических литейных форм, предназначенных для отливки железосодержащих металлов, при этом по меньшей мере одно нижнее покрытие наносят на поверхность литейной формы, а верхнее покрытие наносят на нижнее покрытие, при этом верхнее покрытие полностью или частично обновляется во время каждой операции отливки, содержит метакаолин. Однако использование только метакаолина в процессе центробежного литья приводит к заеданию труб и трудностям при их волочении.
В FR-A-2 829048 описана композиция обмазки, включающая воду, метакаолинит, активированный натриевый или кальциевый бентонит, нейтрализованную кокосовую жирную кислоту, этоксилированный жирный спирт и этоксилированный нонилфенол. Волочение труб из изложницы с использованием такой композиции зачастую является очень затруднительным.
Поэтому целью настоящего изобретения явилась разработка композиции обмазки, по существу не содержащей диатомит и обеспечивающей хорошие результаты, особенно в процессе центробежного литья и в процессе литья крупных отливок.
Один из аспектов настоящего изобретения относится к композициям обмазок (материалам покрытий) для литейных форм, включающим такие компоненты растворителя и компонент твердого вещества, при этом твердое вещество включает в качестве основной составляющей смесь метакаолинита и пирофиллита. Композиция обмазки предпочтительно содержит менее 5 мас.%, более предпочтительно - менее 3 мас.%, еще более предпочтительно - менее 1 мас.%, в расчете на массу всех компонентов композиции обмазки, и, наиболее предпочтительно, не содержит диатомита. В дальнейших предпочтительных вариантах твердый компонент композиции обмазки согласно данному изобретению включает смесь метакаолинита и пирофиллита в соотношении от 1:3 до 20:1, предпочтительно - от 1:1 до 14:1, более предпочтительно - от 1:1 до 10:1, еще более предпочтительно - от 2:1 до 6:1 и наиболее предпочтительно - в диапазоне от 2:1 до 5:1.
Другой предпочтительный вариант композиции обмазки согласно данному изобретению также включает по меньшей мере один дополнительный компонент, выбранный из группы, состоящей из бентонита и гекторита. Обмазка согласно данному изобретению может при необходимости дополнительно содержать связующие, увлажнители, противопенные добавки, пигменты, красители и биоциды.
Следующий аспект настоящего изобретения относится к литейным формам, имеющим верхнее покрытие по меньшей мере на одной части поверхностей литейных форм, вступающих в контакт с литейным металлом, при этом верхнее покрытие получают путем нанесения и сушки композиции обмазки согласно данному изобретению. В дальнейшем варианте литейной формы верхнее покрытие согласно данному изобретению наносят на нижнее покрытие и, необязательно, на другие участки поверхности литейной формы, свободные от нижнего покрытия, при этом в предпочтительном варианте нижнее покрытие также получают из композиции обмазки согласно данному изобретению.
Следующий аспект настоящего изобретения относится к процессам центробежного литья и процессам изготовления крупных отливок с использованием литейных форм, имеющих по меньшей мере одно верхнее покрытие, получаемое из композиций обмазок согласно данному изобретению.
Дальнейший аспект настоящего изобретения относится к процессу изготовления литейной формы. В одном из вариантов слой обмазки согласно данному изобретению наносят один или более раз на, по меньшей мере, один участок поверхности или на всю поверхность литейной формы, вступающую в контакт с литейным металлом, и сушат его. В другом варианте сначала, по меньшей мере, один слой нижнего покрытия наносят на поверхность основы литейной формы или на участки ее поверхности, а затем на полученное нижнее покрытие и, при необходимости, на другие участки поверхности литейной формы наносят обмазку для получения верхнего покрытия и сушат ее. В следующем варианте для получения нижнего покрытия также используют обмазку композицию согласно данному изобретению, при этом состав обмазки для получения нижнего покрытия может быть таким же или отличным от состава обмазки для получения верхнего покрытия. Для нижних покрытий часто используют содержащие силикат циркония виды обмазок, которые, при необходимости, также создают дополнительную защиту для основ литейных форм благодаря усиленной тенденции к проникновению в основу.
В предпочтительных вариантах литейные формы согласно данному изобретению используют для получения труб, гильз цилиндров, двигателей и компонентов двигателей, станин станков и турбин.
Настоящее изобретение основано на удивительном открытии, заключающемся в том, что композиции обмазок согласно данному изобретению, включающие твердые компоненты, которые в качестве основной составляющей включают смесь метакаолинита и пирофиллита, обеспечивают такие же хорошие и лучшие результаты литья, чем обмазки, твердый компонент которых содержит диатомит в качестве основного компонента. Преимущества обмазок согласно данному изобретению по сравнению с содержащими диатомит видами обмазок для центробежного литья, в частности, включают аспекты, касающиеся здоровья, безопасности и маркировки. Неизвестным является тот факт, что метакаолинит и пирофиллит представляют такую же большую опасность для здоровья, как и диатомит. Помимо вышесказанного содержащие диатомит вещества, вероятно, должны быть отмечены как опасные для здоровья, и диатомит, который, например, сметают с отливок или получают в результате их дробеструйной обработки, должен утилизироваться в будущем только как опасные отходы. Кроме того, смесь согласно данному изобретению имеет то преимущество, что благодаря своему химическому составу она является огнеупорной и инертной. По сравнению с циркониевой обмазкой, а также чистой пирофиллитной обмазкой, смесь метакаолинита/пирофиллита проявляет отличные свойства при изготовлении крупных отливок благодаря способности метакаолинита взаимодействовать с пирофиллитом и огнеупорности и мелкости зерна (заполнение песчаных пустот) метакаолинита. Высокая изоляционная способность смеси метакаолинита/пирофиллита обеспечивает особенно хорошую защиту против так называемых «листовых ребер», которые могут часто возникать в кварцевом песке при его тепловом расширении (растрескивание) и недостаточной тепловой стабильности, особенно в холодных ящиках со стержнями из полиуретана.
Каолинит представляет собой триклинный, двухслойный глинистый минерал и является основным компонентом каолином. В зависимости от размера частиц, степени ориентации, продолжительности тепловой обработки и парциального давления водяных паров дегидратация каолинита приводит к образованию метакаолинита. Каолинит выделяет воду из своих гидроксильных групп при температуре около 450°С и выше. В настоящем изобретении термин «метакаолинит» означает материал, который может быть получен из натурального каолина, из которого, в предпочтительном варианте, были удалены все загрязняющие примеси и который нагревали при температуре в диапазоне от 750 до 950°С с целью по существу полного, предпочтительно, полного удаления химически связанной воды. Подходящие метакаолинитовые материалы коммерчески доступны, например, в виде продукта под названием Satintone, выпускаемого компанией Engelhard Cooperation, Iseli, USA.
2
2
В настоящем изобретении предпочтительно используют метакаолинит, имеющий удельную поверхность по ВЕТ, составляющую по меньшей мере 10 м/г, предпочтительно - по меньшей мере 25 м/г, измеряемую согласно DIN 66131. Потеря метакаолинита при сгорании, измеряемая согласно DIN 38414, должна составлять менее 3 мас.%, предпочтительно - менее 1 мас.%.
Согласно DIN 53194, предпочтительные метакаолинитовые материалы имеют объемную плотность в не спрессованном состоянии, составляющую от 100 до 300 г/л, предпочтительно - от 150 до 200 г/л. В следующем предпочтительном варианте метакаолинит имеет высокую удельную поверхность, выражающуюся в маслоемкости, измеряемой согласно DIN 53109 и составляющей от 50 до 120%, предпочтительно - от 85 до 120%. Порошок метакаолинита предпочтительно имеет размер зерен от 0,05 до 20 мкм, более предпочтительно - от 0,1 до 10 мкм и предпочтительный средний размер зерен в диапазоне от 1 до 5 мкм.
3
Термин «пирофиллит», который в настоящем изобретении используют в смеси с метакаолинитом, в дальнейшей части описания означает материал, получаемый из натуральных, содержащих пирофиллит руд в различных районах его извлечения. Используемый пирофиллитовый материал имеет содержание пирофиллита, составляющее по меньшей мере 40%, предпочтительно - по меньшей мере 50% и более предпочтительно - по меньшей мере 60%. Могут быть также использованы “Roseki”, агальматолит и руда, содержащая более 90% пирофиллита, называемые “волшебным камнем». В настоящем изобретении могут быть использованы многие коммерчески доступные пирофиллитовые материалы. При желании используемый пирофиллитовый материал может быть подвергнут предварительной очистке при помощи обычных способов очистки для удаления сопутствующих минералов и загрязняющих примесей. Пирофиллитовый сырьевой материал перед использованием предпочтительно подвергают предварительной обработке. Предпочтительным способом предварительной обработки является измельчение сырья в специальных дробилках, обеспечивающее получение пирофиллита, имеющего пластинчатую структуру. Другим способом предварительной обработки является снятие небольших пластинок пирофиллита с пирофиллитовых сырьевых материалов. При помощи обычных процессов разделения, таких как просеивание, воздушная сепарация и т.п., предварительно обработанный пирофиллитовый материал может быть при необходимости классифицирован. При этом нежелательные сопутствующие минералы также могут быть отделены. Небольшие пластинки предварительно обработанного пирофиллита предпочтительно имеют определяемый под микроскопом размер, составляющий от 10 до 100 мкм, и толщину от 1 до 10 мкм. Примером вида пирофиллита, применимого в данном изобретении, является серия Pyrax RG, например Pyrax RG 140 и Pyrax RG 200, коммерчески выпускаемые R.T. Vanderbilt Company Inc., Norwalk, USA. Особенно предпочтительный вид пирофиллита имеет твердость по Моссу, равную от 1 до 2, плотность от 2,8 до 2,9 г/см и РСЕ (ASTM C-24) от 27 до 28. При помощи крупного зернения содержание вторичных компонентов пирофиллита, вызывающих нежелательные эффекты, может быть снижено. В результате зернения содержание вторичных компонентов, таких как кварц и слюда, вызывающих снижение преломляемости материала, снижается.
3
3
В предпочтительном варианте используемый пирофиллит имеет отношение длины к толщине, равное по меньшей мере 5, предпочтительно - от 10 до 30. Предпочтительно использование пирофиллита, имеющего объемную плотность в не спрессованном состоянии, составляющую от 300 до 600 г/л, предпочтительно - от 300 до 400 г/л, измеряемую согласно DIN 53194. Предпочтительный пирофиллитовый материал имеет плотность после уплотнения, равную от 800 до 1800 кг/см, предпочтительно - от 900 до 1550 кг/см(DIN 55943). Предпочтительный пирофиллитовый материал имеет размер зерен от 5 до 600 мкм, предпочтительно - от 10 до 300 мкм, более предпочтительно - от 10 до 200 мкм. Более того, предпочтительный пирофиллитовый материал имеет максимальную усадку 2%, предпочтительно - 1%. В настоящем изобретении пирофиллит используют в гидратированном виде, т.е. гидратированную воду, присутствующую в натуральном виде, перед использованием не удаляют путем нагревания или кальцинирования. Однако могут быть также использованы пирофиллитовые материалы, которые перед использованием были частично или полностью дегидратированы.
Композиция обмазки по данному изобретению включает твердый компонент, основной составляющей которого является смесь метакаолинита и пирофиллита. Отношение метакаолинита к пирофиллиту в такой смеси предпочтительно составляет от 1:3 до 20:1, предпочтительно - от 1:1 до 14:1, более предпочтительно - от 1:1 до 10:1, еще более предпочтительно - от 2:1 до 6:1 и наиболее предпочтительно - от 2:1 до 5:1. Композиция обмазки по данному изобретению предпочтительно содержит менее 5 мас.%, более предпочтительно - менее 2 мас.%, еще более предпочтительно - менее 1 мас.%, и наиболее предпочтительно - вовсе не содержит диатомита.
В предпочтительном варианте композиции обмазки согласно данному изобретению твердый компонент дополнительно содержит бентонит, гекторит или их смесь. Содержание бентонита, гекторита или их смеси обычно составляет от 0,1 до 10 мас.%, предпочтительно - от 0,1 до 5 мас.%, и более предпочтительно - от 0,3 до 3 мас.%, в расчете на все компоненты композиции.
Более того, композиция обмазки согласно данному изобретению может при необходимости дополнительно содержать традиционно используемые двухслойные силикаты и трехслойные силикаты, такие как, например, аттапульгит, серпентины, каолины, смектиты, такие как сапонит, монтмориллонит, бейделлит и нонтронит, вермикулит, иллит и слюда, в меньших количествах, например, от 0,5 до 4,0 мас.%, предпочтительно - от 1,0 до 2,0 мас.%.
Композиция обмазки согласно данному изобретению может необязательно содержать один или более дополнительных компонентов, таких как, например, связующие, увлажняющие агенты, противопенные добавки, пигменты, красители и биоциды.
Целью связующего прежде всего является придание способности связывать ингредиенты композиции обмазки, включающей метакаолинит и пирофиллит, которая была нанесена на литейную форму после сушки. Связующее предпочтительно необратимо отверждают, таким образом формируя износостойкое покрытие на литейной форме. Износостойкость имеет большое значение для готового покрытия, поскольку при недостаточной износостойкости покрытие может быть повреждено. В частности, связующее не должно повторно смягчаться под действием влажности. В предпочтительных вариантах связующее отверждают общеизвестными способами. В акрилатных системах, например, отверждение может быть осуществлено при помощи радикалообразователей, например формирующих радикалы после воздействия на них УФ-излучением. Согласно данному изобретению могут быть использованы все связующие, обычно используемые в водных и/или водно-спиртовых системах. В качестве связующих могут быть использованы крахмал, декстрин, пептиды, поливиниловый спирт, сополимеры поливинилацетата, полиакриловая кислота, полистирол, дисперсии поливинилацетата-полиакриала и их смеси. В предпочтительном варианте данного изобретения связующее представляет собой дисперсию алкидной смолы, растворимую в воде, а также в низших спиртах, таких как этанол, пропанол и изопропанол. Как описано в US 3442835, примеры алкидных смол включают немодифицированные, диспергируемые в воде алкидные смолы на основе натурального масла или его жирных кислот с многоатомными спиртами, или, предпочтительно, как описано в US 3639315, модифицированные изоцианатом алкидные смолы, или модифицированные эпоксиуретаном алкидные смолы, описанные в DE 4308188. Могут быть, например, использованы продукты серии Necowel от ASK GmBH, 40721 Hilden, Germany. Дополнительными предпочтительными связующими являются поливиниловые спирты и сополимеры поливинилацетата. Связующие предпочтительно используют в количестве, составляющем предпочтительно от 0,1 до 5 мас.%, более предпочтительно - от 0,5 до 2 мас.%, в расчете на все компоненты композиции обмазки.
Анионные и неионные поверхностно-активные вещества, имеющие среднюю и высокую полярность (величина HSB составляет 7 или более), известные специалисту, могут быть использованы в качестве увлажняющих агентов. Примером увлажняющего агента, который может быть использован в настоящем изобретении, является диоктилсульфосукцинат динатрия. Увлажняющие агенты предпочтительно используют в количестве, составляющем предпочтительно от 0,01 до 1 мас.%, и более предпочтительно - от 0,05 до 0,3 мас.%, в расчете на все компоненты обмазки.
Пеногасители или противопенные добавки используют для предотвращения образования пены во время получения и нанесения композиции обмазки согласно данному изобретению. Образование пены во время нанесения обмазки может вызвать нерегулярную толщину слоя и несплошности в покрытии. В качестве пеногасителей могут быть использованы кремний и минеральные масла. В данном изобретении пеногасители используют в количестве, составляющем от 0,01 до 1 мас.%, более предпочтительно - от 0,05 до 0,3 мас.%. В композиции обмазки согласно данному изобретению могут быть необязательно использованы традиционно используемые пигменты и красители. Их при необходимости добавляют для получения другого контраста, например между различными слоями, или для улучшения отделения обмазки от заготовки. Примеры пигментов включают красный и желтый оксид железа, а также графит. Примеры красителей включают коммерчески доступные красители, такие как красители серии Luconyl от BASF. Красители и пигменты обычно используют в количестве, составляющем предпочтительно от 0,01 до 10 мас.%, предпочтительно - от 0,1 до 5 мас.%.
В композициях обмазок, растворяющий компонент которых в основном состоит из воды, так называемая «водная обмазка», обычно добавляют биоциды для предотвращения бактериальной инвазии и, в результате, устранения негативного влияния на реологию и способность связующих к связыванию. Примеры используемых биоцидов включают формальдегид, 2-метил-4-изотиазолин-3-он (MIT), 5-хлор-2-метил-4-изотиазолин-3-он (CIT) и 1,2-бензоизотиазолин-3-он (BIT). Предпочтительно используют BIT, MIT или их смесь. Биоциды обычно используют в количестве, составляющем от 0,01 до 0,5 мас.% или от 10 до 1000 м.д. (ppm), предпочтительно - от 50 до 500 м.д.
1
5
1
5
Растворитель в композиции обмазки согласно данному изобретению в качестве дополнительного компонента включает воду или один, или более летучих, предпочтительно, алифатических спиртов, или смеси спирта (спиртов) и воды, и, необязательно, один или более органических летучих растворителей, отличных от вышеупомянутых спиртов. Композиции обмазки, растворители в которых в основном состоят из воды, обычно обозначают как «водная обмазка», а композиции обмазок, растворители которых в основном состоят из спирта или спиртовых смесей, обозначают как «спиртовая обмазка». Согласно одному из вариантов настоящего изобретения растворитель включает от 0 до 100 мас.%, предпочтительно - от 20 до 80 мас.%, более предпочтительно - от 60 до 40 мас.% воды, а в качестве дополнительного компонента - от 0 до 100 мас.%, предпочтительно - от 40 до 60 мас.%, одного или более летучих спиртов в расчете на все компоненты растворителя. Данное изобретение может быть использовано для чистых водных видов обмазки, а также для чистых спиртовых видов шихты, а также для смесей воды/спирта и для видов водной обмазки, которые могут быть разбавлены спиртом. Примеры предпочтительных спиртов включают алифатические С-С-спирты. Примеры предпочтительных С-С-спиртов включают метанол, этанол, n-пропанол и изопропанол. Этанол, изопропанол и их смеси предпочтительно используют в качестве летучих спиртов. Кроме того, могут быть необязательно использованы дополнительные органические летучие растворители, предпочтительно, в небольших количествах. Их примеры включают сложный алкиловый эфир уксусной кислоты, такой как сложный этиловый эфир уксусной кислоты и сложный бутиловый эфир уксусной кислоты, и кетоны, такие как ацетон и метилэтилкетон.
В предпочтительном варианте композиция обмазки согласно данному изобретению включает от 10 до 40 мас.% метакаолинита, от 5 до 20 мас.% пирофиллита и от 10 до 85 мас.% воды, в расчете на все компоненты композиции. Следующий предпочтительный вариант композиции обмазки согласно данному изобретению включает следующие компоненты: от 15 до 40 мас.% метакаолинита, от 7 до 20 мас.% пирофиллита, от 0,1 до 5 мас.% бентонита, гекторита или их смеси, от 0,5 до 2 мас.% связующего, от 0,01 до 0,5 мас.% биоцида и от 10 до 78 мас.% воды. Также могут быть получены композиции обмазок, растворяющий компонент в которых состоит только из воды. При разбавлении таких видов обмазки спиртом или спиртовой смесью они могут быть использованы в качестве спиртовых видов обмазки. В таком случае предпочтительно используют этанол, изопропанол и их смеси.
Композиции обмазки согласно данному изобретению получают обычными способами. Например, композицию обмазки согласно данному изобретению получают с использованием большой части всего количества растворителя, предпочтительно всего количества растворителя, например всего количества воды, в котором растворяют глинистые минералы, такие как бентонит и гекторит, при помощи мешалки с большими сдвиговыми усилиями (например, от 400 до 2000 об/мин). Затем огнеупорные компоненты, например вначале метакаолинит, затем пирофиллит, пигменты и красители смешивают до формирования однородной смеси. Порядок добавления не играет никакой роли или играет второстепенную роль и может быть легко определен специалистом в данной области техники. Наконец, примешивают смачивающие агенты, противопенные добавки, биоциды и связующие. Композиции обмазки получают при температуре предпочтительно от 5 до 50°С, более предпочтительно - от 10 до 30°С, количество оборотов смесителя предпочтительно составляет от 400 до 2000 об/мин, причем смеситель имеет зубчатый диск, при этом предпочтительно d/D=0,3 до 0,7, более предпочтительно, d/D=от 0,4 до 0,6.
Для коммерческих целей композиция обмазки согласно данному изобретению может производиться и продаваться в виде готовой к использованию сформулированной композиции для покрытий, например готовой к использованию обмазки. Кроме того, композиция обмазки согласно данному изобретению может производиться и продаваться в концентрированном виде. В последнем случае для получения готовой к использованию обмазки должно быть добавлено подходящее количество растворителя, который необходим для получения нужной вязкости и плотности обмазки. Более того, композиция обмазки согласно данному изобретению может производиться и продаваться в виде набора (многокомпонентная упаковка, содержащая два или более контейнеров для различных компонентов), в котором, например, твердые вещества и растворитель находятся в одном ряду в отдельных контейнерах. При этом твердый компонент может иметь вид смеси твердых веществ в порошковом виде в отдельном контейнере. С другой стороны, необязательно используемые дополнительные жидкие компоненты, такие как, например, связующие, смачивающие агенты, противопенные добавки, пигменты, красители и биоциды, могут содержаться в таком наборе в одном или более отдельных контейнерах. Растворитель может либо включать компоненты, которые могут быть необязательно дополнительно использованы, например в общем контейнере, либо он может содержаться в отдельном контейнере, изолированном от дополнительных необязательных компонентов. Для получения готовой к использованию обмазки подходящие количества твердых компонентов, необязательные дополнительные компоненты и растворитель смешивают друг с другом. В готовом к использованию состоянии композиция обмазки согласно данному изобретению предпочтительно содержит твердые вещества в количестве от 20 до 80 мас.%, предпочтительно - от 30 до 70 мас.%, в расчете на все компоненты обмазки. Более того, согласно данному изобретению также может быть получена композиция обмазки, растворяющий компонент которой, прежде всего, состоит только из воды. Путем добавления летучего спирта или спиртовой смеси, предпочтительно этанола, пропанола, изопропанола и их смесей, в предпочтительных количествах от 40 до 200 мас.% в расчете на водную обмазку, из такой водной обмазки может быть получена готовая к использованию спиртовая обмазка. При этом содержание твердых веществ в спиртовой обмазке согласно данному изобретению предпочтительно составляет от 20 до 60 мас.%, более предпочтительно - от 30 до 40 мас.%.
В зависимости от желаемого использования композиции обмазки, например в виде нижнего покрытия или верхнего покрытия, и желаемой толщины слоя наносимой обмазки могут быть отрегулированы дополнительные параметры характеристики композиции обмазки. Таким образом, композиции обмазки согласно данному изобретению, используемые для покрытия форм и стержней в литейном деле, имеют, в предпочтительном варианте вязкость от 12 до 25 сек, более предпочтительно - от 14 до 16 сек (определена согласно DIN 53211; проточная воронка 4 мм, воронка Форда). Предпочтительная плотность готовой к использованию обмазки составляет от 20 до 50°Вé, более предпочтительно - от 25 до 35°Вé (определяемой согласно флотационному методу потери в массе Боме; DIN 12791).
2
2
Композиции обмазки согласно данному изобретению могут быть использованы для покрытия литейных форм. Под термином «литейная форма» в данном описании подразумеваются все виды деталей, необходимых для получения отливки, таких как стержни, формы и изложницы. Использование композиций обмазок согласно данному изобретению также включает частичное покрытие литейных форм. Покрытия предпочтительно наносят на поверхности литейной формы, вступающие в контакт с литейным металлом. Композиции обмазок подходят для всех видов использования, в которых желательно покрытие литейных форм различными видами обмазок. В качестве примеров для литейных форм, стержней и форм в литейном деле могут быть упомянуты песчаные стержни, связанные PUR (полиуретан) для холодного ящика, СО жидкого стекла, MF резолом, СО резола, фурановой смолой, фенолоальдегидной смолой или жидким стеклом/сложным эфиром. Другие примеры предпочтительных литейных форм, на которые могут быть нанесены обмазки согласно данному изобретению, включают, например, формы, описанные в “Formstoffe und Formverfahren”, Eckart Flemming and Wrner Tilch, Wiley VCH, 1993, ISBN 3-527-30920-9.
Способ покрытия литейной формы обмазкой согласно данному изобретению включает следующие стадии:
(a) получение основной формы литейной формы (основная литейная форма без покрытия);
(b) получение композиции обмазки согласно данному изобретению;
(c) при необходимости нанесение и сушка по меньшей мере одного слоя композиции для нижнего покрытия на по меньшей мере одну часть поверхности основной литейной формы;
(d) нанесение по меньшей мере одного слоя обмазки согласно данному изобретению на по меньшей мере одну часть поверхности основной литейной формы или литейной формы, содержащей нижнее покрытие;
(e) сушка обмазки; и
(f) при необходимости отверждение высушенной обмазки;
в результате которого получают верхнее покрытие.
Вообще в литейных формах для процессов центробежного литья обмазку наносят в результате нескольких операций, то есть слоев, во время которых нанесенный слой обмазки обычно сушат частично или полностью перед нанесением следующего слоя обмазки. Как правило, наносят от двух до пяти слоев. Обычно при изготовлении крупных отливок (литье >10 тонн (т)) обмазку наносят только один раз, при этом в критических местах вначале наносят нижнее покрытие. При мелких отливках (литье до 2 т) и среднем литье (от 2 до 10 т) нижнее покрытие обычно не наносят.
Нанесение нижнего покрытия на основную литейную форму, при желании, может быть осуществлено при помощи всех способов нанесения, традиционно используемых в данной области техники. В качестве основных материалов нижние покрытия могут содержать, например, глины, тальк, кварц, слюду, силикат циркония, магнезит, силикат алюминия и шамот. Такие основные материалы являются частью нижнего покрытия и определяют его функцию. Они покрывают поверхность литейной формы, предохраняют поры песка от проникновения в них литейного металла и, помимо прочего, также служат для тепловой изоляции литейной формы. Традиционно используемые способы нанесения покрытий включают окунание, обливание, распыление и растекание. В предпочтительном варианте в качестве нижнего покрытия может быть также использована обмазка согласно данному изобретению. Нижнее покрытие имеет толщину сухого слоя, составляющую по меньшей мере 0,1 мм, предпочтительно - по меньшей мере 0,2 мм, более предпочтительно - по меньшей мере 0,45 мм и наиболее предпочтительно - в диапазоне от 0,3 до 1,5 мм. В качестве нижних покрытий могут быть использованы водные виды обмазок, а также спиртовые виды обмазок.
Для получения верхнего покрытия композиция обмазки согласно данному изобретению может быть нанесена при помощи всех традиционных способов нанесения, известных в данной области техники. Примеры предпочтительных способов нанесения включают окунание, обливание, распыление и растекание. Традиционные способы нанесения описаны, например, в “Formstoffe und Formverfahren”, Eckart Flemming and Wrner Tilch, Wiley VCH, 1993, ISBN 3-527-30920-9.
При использовании окунания в качестве способа нанесения покрытия, литейную форму, необязательно имеющую нижнее покрытие погружают в контейнер, содержащий готовую к использованию композицию обмазки согласно данному изобретению, на период, составляющий приблизительно от 2 секунд до 2 минут. Время, необходимое для стекания лишней обмазки после нанесения покрытия окунанием, зависит от показателя текучести используемой композиции обмазки. После достаточно длительного периода стекания литейную форму с нанесенным на нее покрытием подвергают сушке.
При использовании распыления в качестве способа нанесения покрытия используют коммерческие распылители с резервуарами под давлением. Согласно данному изобретению композицию обмазки помещают в резервуар под давлением. Под действием регулируемого избыточного давления композиция обмазки может быть подана под давлением в пистолет-распылитель, откуда ее распыляют при помощи отдельно регулируемого воздуха для распыления. При распылении предпочтительно необходимо позаботиться о том, чтобы пистолет-распылитель был отрегулирован таким образом, чтобы распыляемая шихта ударялась о форму или стержень, будучи еще во влажном состоянии, и наносилась равномерно. Нанесение обмазки согласно данному изобретению может быть осуществлено в виде одного или более слоев. При нанесении большего количества слоев каждый слой по отдельности после нанесения может быть подвергнут частичной или полной сушке.
Могут быть использованы все традиционные способы сушки, известные в данной области техники, такие как, например, сушка воздухом, сушка осушенным воздухом, сушка микроволновым или инфракрасным излучением, сушка в конвекционной печи или т.п. В предпочтительном варианте данного изобретения литейную форму с нанесенным на нее покрытием сушат в конвекционной печи при температуре от 100 до 250°С, более предпочтительно - от 120 до 180°С. При использовании спиртовой обмазки ее согласно данному изобретению предпочтительно сушат, сжигая спирт или смесь спиртов. При этом литейная форма с покрытием дополнительно нагревается теплотой сгорания. В следующем предпочтительном варианте литейную форму с покрытием сушат на воздухе без дальнейшей обработки.
После сушки высушенная обмазка может быть необязательно подвергнута дальнейшему отверждению. Для этого могут быть использованы все известные способы отверждения. Добавленные отверждающие агенты могут быть активированы при помощи теплоты или электромагнитного излучения. Водная или спиртовая обмазка может быть высушена, например, при температурах ниже 100°С. Для отверждения некоторых связующих, например фенольных смол, требуются температуры приблизительно от 140 до 160°С. В зависимости от используемой температуры сушка и отверждение обмазки могут быть осуществлены в виде одной или нескольких отдельных стадий. Могут быть также использованы способы свободно-радикального и ионного отверждения.
Толщина сухого слоя верхнего покрытия, полученного из композиции обмазки согласно данному изобретению, составляет по меньшей мере 0,1 мм, предпочтительно - по меньшей мере 0,2 мм, более предпочтительно - по меньшей мере 0,3 мм, еще более предпочтительно - по меньшей мере 0,45 мм, особенно предпочтительно - по меньшей мере 0,55 мм и наиболее предпочтительно - в диапазоне от 0,3 до 1,5 мм. При этом толщиной сухого слоя является толщина слоя высушенной обмазки, полученной в результате сушки обмазки путем по существу полного удаления растворителя и, необязательно, последующего отверждения. Толщину сухого слоя нижнего покрытия и верхнего покрытия предпочтительно определяют измерением, используя гребенку для определения толщины влажной пленки. Толщина слоя может быть, например, измерена гребенкой путем частого соскребания обмазки у конечных отметок гребенки до тех пор, пока не появится основа. Затем толщина сухого слоя может быть определена у отметок зубьев. Альтернативно толщина влажного слоя может быть определена в неполированном состоянии, при котором толщина сухого слоя составляет от 70 до 80% от толщины неполированного слоя. («Неполированный» слой представляет собой слой, более не обладающий текучестью, в котором содержание растворителя снижено настолько, что поверхность больше не блестит).
Литейные формы, покрытые высушенной обмазкой согласно данному изобретению, в дальнейшем также называемой «верхним покрытием», предпочтительно используют в процессах центробежного литья и процессах крупномасштабного литья. Основные принципы упомянутых способов литья описаны, например, в Stefan Hasse, “GieBereilexikon”, Schiele und Schőn, Berlin, 1997. При изготовлении крупных отливок пустую постоянную форму, например изготовленную из песка, стали или литейного чугуна, наполняют жидким литейным металлом, обычно под действием силы тяжести. Конфигурация литейной формы полностью определяется шаблоном. В процессе центробежного литья литейный металл заливают в трубчатую или кольцеобразную изложницу, вращающуюся вокруг своей оси, при этом литейный металл формируют в виде банок, колец и труб (например, напорные трубы, изготовленные из литейного чугуна; трубы, изготовленные из меди и медных сплавов; поршневые кольца, гильзы цилиндров, ребристые цилиндры) под действием центробежной силы. Под действием такой силы образуется осесимметричная впадина, которая остается до затвердения отливки. Толщина стенок зависит от количества добавленного металла. В процессе изготовления крупных отливок обмазку согласно данному изобретению предпочтительно наносят, окуная или обливая основную литейную форму в ванне для окунания или заливки. В результате крупномасштабного литья из обмазокующей композиции согласно данному изобретению предпочтительно получают верхние покрытия, имеющие толщину от 0,3 до 1,5 мм. Для центробежного литья из композиции обмазки согласно данному изобретению предпочтительно формируют верхнее покрытие, имеющее толщину от 0,3 до 1,2 мм.
Литейные формы, имеющие верхнее покрытие, полученное из композиции обмазки согласно данному изобретению, являются одними из многих приспособлений, используемых для изготовления труб, гильз цилиндров, двигателей и компонентов двигателей, станин станков, турбин и общих компонентов машин.
Далее данное изобретение проиллюстрировано следующими примерами.
Примеры
Обмазка для центробежного литья
Обмазка для центробежного литья, используемая в описываемых примерах, содержит следующие компоненты ( мас.%):
Satintone Plus
25,00
Pyrax RG 140
25,00
Бентонит
00,60
Гекторит
00,20
Биоцид
00,20
Вода
49,00
Santintone Plus: метакаолинит, размер частиц 2,0 мкм;
изготовлен Engelhard Cooperation, Iseli, USA
Pyrax RG 140: пирофиллит, имеющий размер частиц около 80 мкм; изготовлен R.T. Vanderbilt Company Inc., Norwalk, USA
Бентонит: Greenbond; изготовлен Sűdchemie AG, 80333 Munich, Germany
Гекторит: Bentone EW; изготовлен Elementis Specialities Inc., NJ 08520 Hightstown, USA
Биоцид: Acticide MBS (BIT, MIT) от Thor Ltd., Margate Kent CT9 4JY, UK.
Обмазку для центробежного литья готовят следующим образом: берут общее количество воды и при помощи мешалки с большими сдвиговыми усилиями Ekato (1000 об/мин, зубчатый диск имеет d/D=0,5) в течение по меньшей мере 15 минут растворяют в нем бентонит и гекторит. Затем добавляют огнеупорные компоненты метакаолинит и пирофиллит и перемешивание продолжают в течение по меньшей мере 15 минут до формирования однородной смеси. Наконец, примешивают биоцид. Вязкость составляет 9,6 сек при использовании воронки DIN 6 или 33 секунды при использовании воронки DIN 4.
Разбавляемая водой обмазка для литья под давлением
Разбавляемая водой обмазка для литья под давлением, используемая в описываемых примерах, содержит следующие компоненты (мас.%):
Satintone W
25,00
Pyrax RG 140
25,00
Бентонит
02,00
Смачивающий агент
00,05
Пеногаситель
00,20
Раствор связующего
02,00
Биоцид
00,20
Вода
45,55
Santintone W: метакаолинит, объемная плотность (сыпучая) - около 300 г/л, размер частиц - около 1,5 мкм;
изготовлен Engelhard Cooperation, Iseli, USA
Pyrax RG 140: пирофиллит, имеющий размер частиц около 80 мкм; изготовлен R.T. Vanderbilt Company Inc., Norwalk, USA
Бентонит: Greenbond; изготовлен Sűdchemie AG, 80333 Munich, Germany
Смачивающий агент: традиционный смачивающий агент от компании “Henkel AG”, 40589 Dűsseldorf, Germany
Пеногаситель: традиционный пеногаситель от компании “Henkel AG”, 40589 Dűsseldorf, Germany
Раствор связующего: Polyviol; Wacker-Chemie GmBH, 81737 Munich, Germany
Биоцид: Acticide MBS (BIT, MIT) от Thor Ltd., Margate Kent CT9 4JY, UK.
3
Обмазку для литья под давлением готовят согласно описанной выше методике для обмазки для центробежного литья. Плотность полученной обмазки составляет от 1,3 до 1,4 г/см, а вязкость по Брукфилду составляет от 2 до 5 Па·сек.
Разбавляемая спиртом обмазка для литья под давлением
Разбавляемая спиртом обмазка для литья под давлением, используемая в описываемых примерах, содержит следующие компоненты (мас.%):
Satintone W
25,80
Pyrax RG 140
25,80
Бентонит
02,06
Графит
05,16
Оксид железа
03,10
Смачивающий агент
00,05
Пеногаситель
00,20
Раствор связующего
01,91
Биоцид
00,05
Вода
36,12
Santintone W: метакаолинит, изготовлен Engelhard Cooperation, Iseli, USA, имеет объемную плотность (сыпучая) около 300 г/л и размер частиц около 1,5 мкм;
Pyrax RG 140: пирофиллит, имеющий размер частиц около 80 мкм; изготовлен R.T. Vanderbilt Company Inc., Norwalk, USA
Бентонит: Greenbond; изготовлен Sűdchemie AG, 80333 Munich, Germany
Смачивающий агент: традиционный смачивающий агент от компании “Henkel AG”, 40589 Dűsseldorf, Germany
Графит: компания “Georg H. Luh GmbH", 65396 Walluf, Germany
Оксид железа: желтый оксид железа, Bayer AG, 51368 Leverkusen, Germany
Раствор связующего: Necowel, ASK GmbH, 40721 Hilden, Germany
Биоцид: Acticide MBS (BIT, MIT) от Thor Ltd., Margate Kent CT9 4JY, UK.
Обмазку для литья под давлением готовят согласно описанной выше методике для обмазки для центробежного литья. Готовая обмазка имеет плотность шпинделя, равную 80°Вé.
Пример 1
Процесс центробежного литья с использованием вышеописанной обмазки для центробежного литья
Вышеописанная обмазка для центробежного литья имеет следующие характеристики:
плотность
50°Вé
вязкость:
9,6 секунд при использовании воронки DIN 6;
33 секунды при использовании воронки DIN 4.
Для получения рабочей консистенции 15 л (20 кг) обмазки дополнительно разбавляют 5 л воды, получая плотность 37°Вé и вязкость 13,2 сек (воронка DIN 4).
Трубу получают при помощи процесса центробежного литья. На используемую изложницу (внутренний диаметр около 90 мм), предварительно нагретую до температуры около 200°С, наносят покрытие из композиции обмазки согласно данному изобретению под давлением 0,9 бар, используя шлицевую распылительную трубку Дюкера и скорость подачи 500 мм/сек. Толщина сухого слоя составляет 0,65 мм. Благодаря теплосодержанию изложницы обмазка сохнет во время процесса распыления. Получают верхнее покрытие, имеющее подходящую поверхность. При центробежном литье труба проявляет хорошие волочильные свойства. Металлургические испытания показывают желательное присутствие графита в отливке из серого чугуна, что свидетельствует о достаточном изолирующем эффекте обмазки.
Пример 2
Процесс центробежного литья с использованием вышеописанной обмазки для центробежного литья
Как и в примере 1, трубу получают при помощи процесса центробежного литья. Однако в отличие от примера 1, толщина сухого слоя верхнего покрытия составляет 0,85 мм. Полученное верхнее покрытие имеет подходящую поверхность. Волочильные свойства трубы хорошие. Металлургические испытания показывают желательное формирование графита и соответствующий уровень твердости отливки из серого чугуна, что свидетельствует о достаточном изолирующем эффекте обмазки.
Пример 3
Стержень для PUCB для V-образного двигателя
Стержень для PUCB (полиуретановый холодный ящик) для V-образного двигателя обрабатывают вышеописанной растворимой в воде обмазкой для литья под давлением. Для стержня используют 100% отвержденный холодным способом песок (холодное отверждение означает процесс самоотверждения, при котором фурановую смолу отверждают при помощи паратолуолсульфоновой кислоты). Песок таких стержней или форм регенерируют, т.е. его делают пригодным для повторного использования при помощи процесса притирки. В данном примере песок используют для процесса отверждения газом (амин) PUBC. Для получения рабочей консистенции 100 мас.ч. обмазки для литья под давлением разбавляют 5 мас.ч. воды:
изготовление обмазки: плотность
44°Вé
вязкость:
>25 сек (воронка DIN 4)
Обмазку наносят на стержень при помощи обливания. Текучесть обмазки является высокой, а толщина влажного слоя составляет 250 мкм. Стержень сушат в камерной печи с рециркулирующим воздухом при температуре от 160 до 180°С. Покрытие из высушенной обмазки для данного стержня является минимальным. Отливка не имеет дефектов.
Пример 4
Стержень для внутренней полости картера двигателя, фурановая смола
Подобно методике из примера 3 вышеописанную растворимую в воде обмазку для литья под давлением наносят на необработанный стержень для внутренней полости картера двигателя, изготовленный из фурановой смолы. Для получения рабочей консистенции 100 мас.ч. обмазки разбавляют 5 мас.ч. воды
обмазка имеет: плотность
44°Вé
вязкость:
>18,4 сек (воронка DIN 4)
Текучесть обмазки является высокой, а толщина влажного слоя составляет 300 мкм. Отливка не имеет дефектов.
Пример 5
Отвержденные холодным способом литейные формы обрабатывают вышеупомянутой разбавленной спиртом обмазкой для литья под давлением. После доставки вышеописанную обмазку для литья под давлением, имеющую шпиндельную плотность 80°Вé, разбавляют до шпиндельной плотности 9°Вé, в результате 80% разбавления (60% изопропанола, 40% этанола) от общего количества обмазки получают вязкость 13,0 сек и массу на литр, составляющую 1000 г/л. После такой наводки отвержденные холодным способом формы заливают. По сравнению с традиционной обмазкой из пирофиллита/изопропанола на участке для заливки чувствуется существенно менее сильный неприятный запах. Толщина влажного слоя составляет от 250 до 300 мкм. Литейные формы могут быть также полностью высушены путем сжигания спирта и иметь высокое сопротивление истиранию. Возникновения при сушке трещин или газовых полостей не наблюдается. По сравнению с обмазкой из пирофиллита/изопропанола при осуществлении описанного литья явных проблем не возникло.