Суспензия для изготовления многослойных оболочковых форм
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
H А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3598286/22-02 (22) 12,04.83 (46) 30.04.86. Бюл. Ф 16 (71) Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химикотехнологический институт им.Д.И.Менделеева и Всесоюзный научно-исследовательский институт литейного машиностроения, литейной технологии и автоматизации литейного производства (72) А.Ф.Кривощепов, Л.В.Самуйлова, Ю.Г.Фролов, Е.Н.Лебедев, Н.P.Ðoøàí, Ю.Ш.Холоденко и К.А.Буланова (53) 621.742.4:621.74.045(088.8) (56) 1. Литье по выплавляемым моделям. Инженерная монография. Под ред.
Я.И.Шкленника и В.А.Озерова. M.: Машиностроение, 1971, с. 434.
2. Лех-Люсняк Л. и др. Сизол-30 новое связующее для литья IIQ BbIIIJlàâляемым моделям. — Литейное производство, 1974, Ф 12, с. 7-9.
3. Патент США У 3583468, кл. В 22 С 9/04, опублик. 1971. (54)(57) 1.СУСПЕНЗИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ по выплавляемым моделям, содержащая кремнезоль, воду, пылевидный кварц, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения прочности прокаленных и непрокаленных оболочковых форм, она дополнительно содержит бинарную смесь из водорастворимых полимеров, выбранных из группы, содержащей амифлок и натрий карбоксиметилцеллюлозу или амифлок и полиэтиленгликоль, или полиэтиленимин и полиэтиленгликоль, .или полиэтиленимин и натрий карбоксиметилцеллюлозу, или поли-4-винил-N„.SU 1227310 А1 (59 4 В 22 С 1/16, В 22 С .1/18 бензилтриметил (ВА-2) и натрий карбоксиметилцеллюлоэу, или амифлок и тампакрил, причем в каждой укаэанной паре полимеры имеют массовое соотношение (1-4):1, а суспензия содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.X:
Пылевидный кварц 55,0-75,0
Кремнеэоль 24,0-44, О
Бинарная смесь из водорастворимых полимеров 0,001-0,01
Вода Остальное
2. Суспензия по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что в бинарной смеси водорастворимых полимеров амифлок и натрий карбоксиметилцеллюлоэа имеют массовое соотношение 4:1.
3. Суспензия по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что в бинарной смеси водорастворимых полимеров амифлок и полиэтиленгликоль имеют массовое соотношение 1:1.
4. Суспензия по п. t о т л ич а ю щ а я с я тем, что в бинарной смеси водорастворимых полимеров полиэтиленимин и натрий карбоксиметилцеллюлоза имеют массовое соотношение 2:1.
5. Суспензия по и. 1, о т л ич а ю щ а я с я тем, что в бинарной смеси водорастворимых полимеров поли-4-винил-N-бензилтриметил (ВА-2) и натрий карбоксилитилцеллюлоза имеют массовое соотношение 1:1.
6. Суспензия по и. 1, о т л ич а ю щ а я с я тем, что в бинарной смеси водорастворимых полимеров амифлок и тампакрил имеют массовое соотношение 1:1.
1227
Изобретение относится к литейному производству, а именно к изготовлению оболочковых форм по выплавляемым моделям.
Известно, что в качестве связующего при изготовлении оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям применяют гидролизованные растворы этилсиликата, Формы, изготовленные с гидролизованным этилсиликатом об- 10 ладают высокими физико-механическими характеристиками (11 .
Однако применение данного связующего связано с рядом трудностей, так как оно не поставляется в гото- 15 вом виде и при производстве оболочковых форм остается необходимой операция приготовления гидролизованного этилсиликата, являющаяся вредной и пожароопасной. 2О
Известно применение суспензий со связующим кремнезоль, представляющим собой .готовое связующее, которое в суспензии применяют как в обработанном, так и в необработанном виде (2). 25
Однако оболочки из суспензии с кремнезолем обладают недостаточной прочностью и их применяют для облицовочных слоев оболочек.
Наиболее близкой к предлагаемой является суспензия L 31, содержащая водный коллоидный кремнезем (кремнезоль) с концентрацией SiOq от 20 до 60 мас.Ж и огнеупорный наполнитель (кристаллический кварц, циркон, муллит и др.) при следующем соотношении ингредиентов, мас.Ж:
Кремнезоль . 20-50
Огнеупорный наполнитель Остальное
Однако прочность прокаленных оболочек, полученных из суспензии с этим связующим невысока (20-22 кгс/см ), поэтому данную суспензию используют только для облицовочного слоя оболочковых форм, что обеспечивает получение отливок с повышенной чистотой поверхности. Для достижения необходимой прочности сырых (непрокаленных) и прокаленных оболочек последующие слои наносят из суспензии с этилсиликатным связующим или с комЗ10 2 бинированным связующим этилсиликат кремнезоль.
Цель изобретения — повышение прочности прокаленных и непрокаленных оболочковых форм.
Поставленная цель достигается тем, что суспензия для изготовления многослойных оболочковых форм по выплавляемым моделям„ содержащая кремнезоль, воду, пылевидный кварц, дополнительно содержит бинарную смесь из водорастворимых полимеров, выбранных из группы, содержащей амифлок и натрий карбоксиметилцеллюлозу или амифлок и полиэтиленгликоль, или полиэтиленимин и полиэтиленгликоль, или полиэтиленимин и натрий карбоксиметилцеллклозу, или поли-4-винил-Nбензилтриметил (ВА-2) и натрий карбоксиметилцеллюлозу, или амифлок и тампакрил, причем в каждой указанной паре полимеры имеют массовое соотношение (1-4):1, а суспензия содержит ингредиенты при следующем соотношении, мас.7:
Пылевидный кварц 55,0-75,0
Кремнезоль 24,0--44,0
Бинарная смесь из водорастворимых полимеров 0,001-0,01
Вода Остальное
В бинарной смеси водорастворимых полимеров амифлок и натрий карбоксиметилцеллюлоза имеют массовое соотношение 4:1.
В бинарной смеси водорастворимых полимеров амифлок и полиэтиленгликоль имеют массовое соотношение 1:1.
В бинарной смеси водорастворимых полимеров полиэтиленимин и натрий карбоксиметилцеллюлоза имеют массовое соотношение 2:1.
В бинарной смеси водорастворимых полимеров амифлок и тампакрил имеют массовое соотношение 1:1.
Составы рабочих суспензий с различным содержанием водорастворимых полимеров при постоянном соотношении пылевидного кварца (огнеупорного наполнителя)и кремнезоля приведены в табл . 1, а их свойства — в табл .2.
1227310
>> 1
СЧ
С>
Ю л
>>
СЧ
С>
С>
1
Ch
О> л
Ю
1/
С>
С>
Ю о
Ch
О1
О1 ь
Ю л
v o о «
U л (««
С>
Ю
Ю л
«>3 I
>1
Ch
О>
Ch е
C) O л î
О
tt«
1 1
1 М
1 1
СЧ
Ю л
С>
С"1
С>
С> л
>>
СО
Ch о
С>
СО
С>
С> л
С>
СЧ
С>
С> л
С>
Ю
Ch
Ch
Ф
С>
Ю
Ю л
Ю г
Ch
Ch л
Ю с6
K а
« о о
О1
СЧ
О>
СЧ
СЧ
Ю
С>
Ю . °
С>
О1
О
Ch л ь
Ю л
«>
Ю ь
O л
C) С>
Ю
Ю л
>/
СЬ
Ch л
Ю л ь
C) л ь е л,.ь
И сч I и
С>
С> л
>Г
Ch
Ch л
C) С> л
С>
Ю л
Ю а
° >
С«
>Я ж
1 «-
1 Е
I l««
1 «««а
1Я Ф
1 д «>!
1«:» Х
Д
1 М о
II C«
С«<««
Ж Е
Е о
>о nO аи >
М II л
««« о
Е» х
>«« ж
Ц
Э а
4 х ж
1
I cO
1 «
I ! !
I л — «
I
1 О
1 « !
1
1
О 1
1 1
I
1
I
1 !
» ь
Ю
С>
>>
<Ч
С>
С>
С> л
Ю
С> л
С>
СО
С>
Ю
C) л
Д
Ц о
Е М 1
g >g
«>««» Ж
;>. 4 0i а
1 Ж Р1 о еа. х! I г
«Й* « око а, f g I«I
I 1
Х
1 ««« х
Х
«>«Х- 1 Ф >««
Я » g >О X хл«".и оэ«о а
Ц Х Е
1227310 о
in
1 I
C)
«4
Я х
О! х
Ю
СЬ
Ch л
Ю л
Ю о л о о ф в (4 ((1 (4
C)
Ю
Ю й!
О
О1 л
C) ю
О1 л
«Ч (4
О
C) ь о л
Ch
«h
«h л
C) О л сп о (4 (Г\ (4 о
C)
Ю в о
О (Ч л
О О
«V
О
Ю о л о
in
Ю о л о о (;!1
Оъ л
Оi I (4 (Г1 (М
C)
C)
C) (Г) (! о
Ю л
C) и
О1
«h о
Ch 1 (Ч
1 — — — —.
I
1
1 л
1 (( ь
Ю о л о
М
C) о
Ю (>
О
ОП
О1 л
C) м о о л
Ю о
О1
О\ в о л о
Ю л о,р о
I
М1 м о о к
О1 о
Ю
О 1
О1
«h л
Ю о
1 !
О 1 (4 о о о л
Ю о
Ю о л о
<:Ь
О
О\ о о
1л — — ч
«h 1 (л л
Ю
Ю л о (l о
О О л
C) (Г
«О
О1 л ь
М 1О
1л
Ю
Я ь
О1 л
Ю (Г
Ю
C) л
Ю ((1
C) о
«ci л сч о! (ч !о
1л
1Я
1Х
1 В
1 Ф х х
0 1л х х м х 01 4
IPC
Ю 6 CJ
Э (0
° в
o,u cn В4 !! I ! ОООО,1 "хуо хх Р. 5б! й 5 о ! «) Ь Ф о ((! Е л Ф о ч х Р «ч х х Э х х Щ С4 (: о о I .л 3 .. В 1Я х!о 1 Е! «О uI !. !!1 Ь 1(ч Icl l ((1 I 1- — — 4 I l м (О I 64 1 1 I «Ч 1О 1 (Ч 1 — < 1 I о «4 1 1 I ! о !о (4 ! I I 1 О О I - 1 I" 1 I 1 I 1 l I ! 1 «О 1 i- I w о 1 х!« лИ Q et cd cd d! и Ф Ц Ж !«Х 1227310 Таблица2 Составы М9 Свойства Условная вязкость суспенэий по ВЗ 4, с 62 40 44 37 45 50 52 104 35 37 43 48 непрокаленных, снятых . (су- -..их) 18 18 26 11 20 45 40 40 12 18 40 34 непрокаленных, после выплавления модельной массы в кипящей воде, сырых (после выплавки) 16 после прокаливания 30 26 28 19 35 60 58 56 20 29 55 43 Прочность образцов оболочко вых форм при изгибе, кгс/см (a=20 C) 1 J2 3 L4 I9 l6 i7 8 (9 (10 11 12 13 20 9 16 35 31 32 9 15 33 28 12273 ll0 0 Продолжение табл.2 Составы У Свойства Условная вяэкость суспенвий по В3-4, с ленных, снятых (су- хих) 33 22 непрокаленных,, после выплавления модельной массы в кипящей воде, сырых (после выплав-. ки) после прокаливания 42 43 56 45 38 52 45 25 29 43 43 22-25 Проч-, ность образ цов оболочковых форм при изгибе, кгс./см (a=20 С) .непрока- 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 98 42 60 82 4 1 60 86 36 38 44 50 -50 38 33 22 35 32 14 19 38 34 12-15 26 16 30 25 17 28 24 12 15 30 26 8-10 1227310 Приготовление суспензий начинают с приготовления растворов полимеров известной концентрации. Рассчитанное количество растворов полимеров добавляют в кремнезоль и после непродолжительного перемешивания вводят огнеупорный наполнитель. Суспензию перемешивают 15- 20 мин. Проверяют условную вязкость суспензии по ВЗ-4. Полу.ченную суспензию наносят послойно 10 на модель образца, присыпают каждый слой грубодисперсной фракцией наполйителя и проводят сушку каждого из трех слоев в течение 1,0-1,5 ч. Испытывают на изгиб образцы до их про- 15 каливания (сухие), прокаленные при о 960 С и охлажденные. Введение индивидуальных добавок водорастворимых полимеров (составы 1 — 3 в табл.1и 2) обеспечивает некоторое повышение прочности непрокаленной оболочки по сравнению с прототипом. Однако достигаемый при этом уровень прочности не является достаточным для изготовления многослойных 25 оболочковых форм с применением кремнезоля в качестве связующего. Использование бинарной смеси полимеров различной природы значительно повышает механические характеристики оболочек (составы 4 — 23 в табл. 2) . Эффект повышения прочности сырых оболочковых форм достигается за счет образования полиэлектролитного комплекса (ПЭК) . Полиэлектролитные комплексы образуются в результате кооперативного взаимодействия катионоактивного полиМера с анионоактивным, причем полиэлектролиты (полимеры) реагируют в сте-4О хиометрическом соотношении. В качестве комплексообразующих полимеров используют катионные поли-. электролиты, например, амифлок, полиэтиленимин, поли-4-винил-N-бензил45 триметиламмоний хлорид (ВА-2) . В качестве анионного полиэлектролита ис— пользуют, например, Na — соль карбоксиметилцеллюлозы (Иа-КМЦ), полиэтиленгликоль (ПЭГ), полиакриловую или по— лиметакриловую кислоту, тампакрил. На отрицательно заряженных частицах Si0 кремнезоля и частицах огнеупорного наполнителя в суспензии адсорбируются катионактивные полиэлектролиты, которые одновременно образуют ПЭК с введенным.анионактивным полиэлектролитом. Таким образом, ПЭК образуется и на поверхности частиц дисперсной фазы и в объеме дисперсионной среды, создавая в системе дополнительную упрочняющую структуру, что приводит к повышению прочности оболочек. Образование ПЭК обеспечивает синергетное увеличение прочности непрокаленной оболочки, т.е. при использовании бинарной смеси комплексообразующих полимеров повышение прочности значительно превышает аналогичное действие отдельных полимеров. Например, введение одного амифлока в состав суспензии увеличивает прочность непрокаленных образцов по сравнению с прототипом на 3-6 кгс/см (состав 1 в табл. 2) . Добавка Na-КМЦ (состав 3 в табл. 2) увеличивает прочность на 11 — 14 кгс/см . Тогда, по аддитивности, амифлок и Na-КМЦ вместе должны были бы увеличить прочность образцов на 14-20 кгс/см . Однако даже при уменьшении концентрации каждого полимера (при сохранении их общей концентрации 0,005 мас.Е) прочность повышается на 30-33 кгс/см (соста 6 в табл . 2) по сравнению с прототипом. Наиболее высокая прочность у образцов оболочек из суспензии для случаев граничного и промежуточного содержания полиэлектролитов приведены в табл. 2.:для пары амифлок Na-КМЦ составы ¹ 5 и 7 — граничные, № 6 — промежуточный; для пары амифлок — ПЭГ составы № 10 и 12 - граничные, № 11 — промежуточный; для пары Na-КМЦ вЂ” ПЭИ составы № 14 и 16 граничные, № 15 — ; для пары ВА-2 — Na-КМЦ составы ¹ 17 и 19— граничные, № 18 — промежуточнык; для пары амифлок — тампакрил составы ¹ 21 и 23 — граничные, Ф 22 — промежуточный. При содержании ПЭ меньше 0,001Е падает прочность непрокаленных оболочек (составы 4 и 9), при содержании ПЭ больше 0,01Š— ухудшается технологичность рабочих суспензий за счет повышения их вязкости (составы 8 и 13 в табл. 2) . Рекомендуемые содержания ПЭ (суммарно) находятся в диапазоне 0,001— 0,01 мас.7. Соотношения между полиэлектролитами по реакции образования полиэлектролитного комплекса (ПЭК) определяют экспериментально методом потенциометрического титрования смесей поли13 1227 т Характеристики суспензии и образцов оболочек форм Значения вязкости суспензии и прочность образцов оболочек при соотношении амифлок: :Na-КМЦ 20 0,5:1 1:1 4:1 9:1 19:1 Условная вязкость с (по ВЗ-4) Прочность образцов на изгиб, кгс/см2 (снятые образцы) 44 46 50 80 106 28 40 45 38 20 10 Таблица4 1 ! Компоненты суспенэий и оболочковых форм Количественное I содержание ингредненсоставов Ф тов, мас. для 1 28 29 25 26 27 75 76 24 23 Пылевидный кварц Кремнеэоль (Сз о =30 мас. . 50 55 49 44 Вода электролитов в присутствии кремнезоля. Полученные результаты подтверждены соответствующими изменениями физикомеханически2 характеристик рабочих суспензий и образцов керамических 5 форм в зависимости от соотношения ПЭ (на примере реологических характерис.тик и прочностных свойств образцов для пары ПЭ амифлок - Na-КИЦ). Состав суспензии везде постоянен: 70% пы-10 левидного кварца, 29 кремнезоля с концентрацией $ 02-30 мас., общее содержание ПЭ 0,005, остальное— вода (табл. 3) ° Таблица Бинарная смесь водорастворимых полимеров, амифлок — Na-КМЦ 310 14 Оптимальное соотношение амифлок: :Na-КМЦ для образования ПЭК равно 4:1. Уменьшение содержания амифлока в смеси обусловливает неполное образование ПЭК, что приводит к снижению прочности оболочковых форм. Повышение содержания амифлока вызывает флокуляцию частиц наполнителя, ухудшает рео1 логические свойства суспензий н снижает механическую прочность оболочек. Аналогичные закономерности соблюдаются для остальных пар ПЭ. В табл. 4 приведены составы рабочих суспензий с различным содержанием огнеупорного наполнителя. При содержании пылевидного кварца менее 55 мас. прочность оболочек снижается (состав 25 в табл . 4). С увеличением количества пылевидного кварца выше 75 мас. вязкость суспенэий возрастает, что делает их нетехнологич.ными. Составы 25-29 в табл. 4 приведены для пары ПЭ амифлок — Na-КМЦ. .,Аналогичные зависимости прочностных и технологических характеристик от содержания наполнителя сохраняются и для других используемых ПЭ (свойства для составов В 25-29 приведены в табл. 5) . 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,995 0,995 0,995 0,995 0,995 15 1227310 Таблица 5 Свойства Составы N 26 27 25 28 29 Условная вяз25 102 120 Прочность образцов оболочковых форм при изгибе (=20 С), кгс/см необожженных (сухих) снятых 19 30 40 42 44 необожженных, после выплавления модельной массы в кипящей воде 16 26 30 32 34 30 обожженных (прокапенных) при t=22 С Пыпевидный кварц 70 70 70 29 29 21 50 58 65 80 Кремнезоль 29 КонцентраS .Ог в кремне40 золе, Соотношение n-Sio .золь/Si02 кварц Бинарная смесь водорастворимых полимеров амифлок+ +ПЭГ Вода кость суспензий по ВЗ-4, с 12 18 Рекомендуемое сбдержание наполнителя (пылевидного кварца) в суспензии составляет 55-75 мас.X. В табл. 4 приведены составы рабочих суспензий с кремнезолем, у которого различная концентрация двуокиси кремния. Характеристикой такой суспензии является соотношение Sio золь/Sion кварц, принятым за и. Увеличение содержания Sio@ в кремнезоле усиливает его связующую способность и приводит к повышению прочности форм (табл . 6 и 7) . Удовлетворительные прочностные характеристики керамики достигаются при n=0,12-0,17 (составы 6 и 7 в табл . 4), т.е. при использовании кремнезоля с концентрацией дисперсной фазы 30-40 мас.X. Дальнейшее увеличение этого соотношения при рекомендуемом количестве огнеупорного наполнителя в суспензии затруднено вследствие технологических трудностей при получении высококонцентрированных кремнезолей. Пример (приготовление 100 кг рабочей суспензии состава 6, табл;t) . Приготовление растворов полимеров. Готовят растворы ПЭ с концентрацией 0,5 мас.X. Для этого взвешивают на аналитических весах.по 5 г каждого ПЭ, заливают водой (800 мл) в от" дельных стаканах и дают набухать в течение суток. Затем размешивают раствор пропеллерной мешалкой до полного растворения полимера. После этого в мерной колбе доводят объем раствора до 1000 мл. Точность приготовления указанных растворов обеспечивает и точность их дозирования в суспензию, которое осуществляется либо мерным цилиндром (если известна плотность раствора), либо с помощью технических весов, при этом допускаются небольшие откло" кения содержания полимеров в суспензии от оптимального (0,001X) . Т а б л и ц а 6 Ингредиенты Содержание компонентов, мас.Х, в составах Р 30 31 32 33 20 30 40 50 0,083 0,124 0,166 0,207 0,005 0,005 0,005 0,005 0,995 0,995 0,995 0,995 1227310 Т а б л и ц а 7 Свойства Составы Р 30 31. 32 33 Условная вязкость суспензий по В3-4, мас.7 32 43 46 50 Прочность образцов оболочковых форм на изгиб, KI C/ÑM (с=20 С) необожженных сня тых (сухих) 25 40 45 53 необожжен-. 25 после выплавл ения Mo,дельной ассы в кк пящей во1де, сыРiлх (IIo Г ле выплавки) 24 33 38 46 обожженных (прокаленных), при t=22 C 42 55 60 55 Составитель Л.Шкленник Техрец В.Кадар Корректор A.ÇHìîêîññâ Редактор А.Ревин Заказ 2244/10 Тираж 757 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам и эобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул .Проектная, 4 Полученные растворы полимеров устойчивы по своим свойствам в течение длительного времени, 18 Приготовление суспензии. Связующее — кремнезоль с концентрацией SiO<=30 мас.X. Наполнитель пылевидный кварц (ПК) . В мешалку загружают 29 кг кремнезоля и добавляют 0,2 кг приготовленного раствора Na-КМЦ и 0,8 кг приготовленного раствора амифлока. Всю жидкую составляющую перемешивают 1О 5-10 мин. Затем порциями в мешалку загружают пылевидный кварц. Общее количество ПК должно быть 70 кг. Перемешивают суспензию после загрузки последней порции кварца 20 мин при скорости мешалки 2800 об/мин. Таким образом получают суспензию с содержанием наполнителя 707 и с содержанием полимеров 0,005 мас.Ж. Условную вязкость суспензий проверяют по ВЭ-4 (она должна составлять 35-50 с). В дальнейшем приготовление оболочковых форм ведут по известной технологии послойным нанесе..ием покрытий на поверхность модели. Прочность непрокаленных оболочек, полученных с использованием смеси полиэлектролитов, превышает прочность оболочек по прототипу для пары амиЗО Флак — Na — КМЦ в -3 3 раза для пары У У амифлок — ПЭГ в 3 раза, для пары ПЭИ— Na-КМЦ в 2.,8 раза, для пары ВА-2 — NaКМ11, в 2, 6 р аз а, для пары амифлок тампакрил в 3,0 раза, а прокаленных образцов в 2 — 2,5 раза. 3 4 Использование предлагаемых составов позволит полностью заменить дорогостоящий и дефицитный этилсиликат при изготовлении оболочковых форм, повысить чистоту поверхности отливок, улучшить условия труда в литейных цехах. Экономический эффект от использования предлагаемых суспензий составляет 80-85 руб на 1 т годных отливок.
