Смесь наливная самотвердеющая на цементном связующем для производства точных отливок

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к производству художественных, ювелирных и точных отливок из цветных и черных сплавов. Смесь содержит 28,9-44,1 мас.% мелкодисперсного кварцевого песка, 32,4-11,0 мас.% рециклированной цементной формовочной смеси, 10,8-18,2 мас.% портландцемента, 0,6-1,5 мас.% нитрата алюминия девятиводного и воду остальное. Добавка рециклированной цементной формовочной смеси позволяет снизить стоимость производства смеси при сохранении ее высоких технологических свойств и увеличить производительность изготовления цементных форм. 2 табл.

 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении форм и стержней в производстве художественных, ювелирных и точных технических отливок из сплавов цветных и черных металлов.

В настоящее время для получения таких отливок наибольшее распространение получили смеси на гипсовом связующем /Патент 2175909 РФ, МПК⁷ В22С 1/00. Смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов / И.Н.Ердаков, Л.Г.Знаменский, Б.А.Кулаков, В.К.Дубровин, С.А.Зорин, В.И.Бобер (РФ). - №2000125253/02; заявлено 5.10.2000; опубл. 30.07.01. Бюл. №32. - 5 с./, а также смеси на основе гидролизованного этилсиликата (ЭТС) /Магницкий О.Н. Художественное литье / О.Н.Магницкий, В.Ю.Пирайнен. - СПб.: Политехника, 1996. - 213 с./.

Однако первые не позволяют получать отливки из черных металлов с высокой температурой заливки. Гипс неустойчив при температурах выше 1200°С, а железо является катализатором его разложения, поэтому при заливке, например, чугуна, гипс разлагается с выделением газообразных продуктов реакции (SO₃, SO₂), которые поражают отливки газовыми раковинами по всей поверхности.

Производство отливок в формы на основе ЭТС (оболочковые и разъемные керамические формы) обладает рядом недостатков: высокая стоимость компонентов связующего - этилсиликата и спирта; вредные и пожароопасные условия труда в связи с использованием этилсиликатного связующего; при изготовлении оболочковых форм - длительность и многостадийность формирования многослойной оболочки.

Наиболее близкой по технической сущности является самотвердеющая смесь с цементом в качестве связующего /Патент 2252103 РФ, МПК⁷ В22С 1/00. Смесь наливная самотвердеющая для изготовления форм и стержней при производстве отливок по выплавляемым моделям / В.К.Дубровин, Б.А.Кулаков, А.В.Карпинский, Л.Г.Знаменский, И.Н.Ердаков, О.В.Ивочкина (РФ). - №2004104585/02; заявлено 16.02.2004; опубл. 20.05.2005. Бюл. №14. - 5 C./. Смесь включает следующее соотношение ингредиентов, мас.%:

портландцемент 12,72...17,9;

мелкодисперсный кварцевый песок 53,00...58,80;

нитрат алюминия девятиводный 1,79...3,18;

вода - остальное.

Принцип изготовления объемных форм заключается в том, что модель или модельный блок, установленные в опоку, заливают формовочной массой. Поэтому по своей консистенции формовочная масса должна быть суспензией с хорошей жидкотекучестью.

Формовочная смесь данного состава имеет следующие недостатки: длительный период схватывания и затвердевания смеси; ухудшение экологической обстановки в местах ее использования, так как отработанная смесь полностью идет в отвал; формовочная смесь состоит только из свежих материалов, ускоритель схватывания - нитрат алюминия девятиводный является дорогостоящим компонентом смеси, что сказывается на стоимости отливок.

В основу изобретения положена техническая задача - создание более технологичной, экологичной, экономичной наливной самотвердеющей смеси для изготовления отливок из черных и цветных сплавов как по выплавляемым, так и по постоянным моделям. Формовочная смесь должна обеспечить получение высококачественных отливок, преимущественно сложнопрофильных за счет оптимальных технологических и физико-механических свойств форм и стержней (реология, прочность, трещиноустойчивость, температурный коэффициент линейного расширения, выбиваемость) и стабильности техпроцесса их изготовления. Новый технологический процесс должен быть высокопроизводительным и ресурсосберегающим, себестоимость изготовления изделий должна быть ниже, чем при аналогичных способах.

Указанная задача достигается тем, что смесь наливная самотвердеющая на цементном связующем для изготовления точных отливок, включающая мелкодисперсный наполнитель на основе кремнезема, портландцемент, нитрат алюминия девятиводный и воду, согласно изобретению содержит рециклированную цементную формовочную смесь в качестве наполнителя при следующих соотношениях ингредиентов, мас.%:

мелкодисперсный кварцевый песок - 28,9...44,1

рециклированная цементная смесь - 11,0...32,4

портландцемент - 10,8...18,2

нитрат алюминия девятиводный - 0,6...1,5

вода - остальное.

Рециклированная формовочная смесь - это отработанная смесь для повторного использования, содержащая зерна гидратированного цемента.

Предложенное технологическое решение дает возможность повторного использования (рециклирования) отработанной цементной формовочной смеси. Зерна такой смеси имеют на поверхности остатки гидратированной цементной составляющей, которые являются центрами зарождения новых кристаллогидратов, значительно ускоряя процессы схватывания и затвердевания предлагаемой наливной самотвердеющей смеси. Это позволяет более чем в два раза уменьшить в предлагаемой смеси по сравнению с прототипом содержание наиболее дорогостоящего компонента - ускорителя схватывания - нитрата алюминия и при этом увеличить производительность изготовления качественных цементных форм. Следует отметить, что отработанная смесь не содержит нитрата алюминия, так как он полностью разлагается при температурах 150...200°С в процессе сушки и обжига литейных форм. Перед использованием отработанную смесь подвергают дроблению до зернистости свежего диспергированного наполнителя (мелкодисперсного кварцевого песка). Рециклирование отработанной цементной формовочной смеси также позволяет возвратить отходы в повторный производственный цикл, значительно уменьшить площади земель, используемых для их хранения, сократить расход природных ресурсов, затрачиваемых на производство свежего наполнителя для смеси. Предложенное количество рециклированной цементной смеси 11,0...32,4 мас.% является оптимальным с позиции живучести, консистенции предлагаемой смеси и водоцементного (В/Ц) соотношения, а также позволяет значительно сократить потребление дорогостоящих компонентов смеси-прототипа. Введение менее 11,0 мас.% рециклированной смеси приводит к увеличению времени схватывания предлагаемой наливной самотвердеющей смеси, уменьшению ее седиментационной устойчивости и необходимости повышения содержания в ней дорогостоящего компонента - нитрата алюминия девятиводного. Увеличение содержания рециклированной цементной смеси в предлагаемом составе более 32,4 мас.% ведет к снижению текучести предлагаемой смеси, необходимости значительного повышения В/Ц соотношения из-за высокой удельной поверхности зерен рециклированной цементной смеси и, как следствие, к понижению прочности формы и увеличению ее осыпаемости.

Диспергирование частиц кварцевого песка марок 3К3О203 или 5К₃О₂03 (ГОСТ 2138-91) до зернистости 50...160 мкм обеспечивает высокое качество отпечатка форм. Для упрощения технологического процесса возможно совмещение диспергирования кварцевого песка и дробления отработанной цементной формовочной смеси.

В качестве связующего в заявленном составе рекомендуется использовать портландцемент марки ПЦ-400 (ГОСТ 10178-85). Содержание в предлагаемой смеси менее 10,8 мас.% приводит к увеличению времени ее загустевания и уменьшению седиментационной устойчивости, снижению прочности и увеличению осыпаемости готовых форм, ухудшению качества поверхности отливок. Напротив, содержание портландцемента более 18,2 мас.%, приводит к чрезмерному увеличению прочности и ухудшению выбиваемости, а также удорожанию формовочной смеси.

Нитрат алюминия девятиводный ГОСТ 3757-75 вводится растворением его в водопроводной или дистиллированной воде в процессе приготовления наливной самотвердеющей смеси. Добавка сокращает время загустевания смеси, так как нитрат алюминия ускоряет процесс начала образования кристаллогидратов цемента, а также сам выступает в роли связующего, обволакивая частицы наполнителя. При прокалке форм нитрат алюминия разлагается в интервале температур 150...200°С с образованием оксидов азота и Al₂О₃, что увеличивает пористость форм и препятствует трещинообразованию. Также добавка улучшает выбиваемость формовочной смеси как за счет повышения пористости, так и за счет уменьшения остаточной прочности. В то же время прочность остается на достаточном уровне, обеспечивающем заливку металла и высокое качество форм. Применение рециклированного наполнителя позволяет значительно уменьшить содержание самого дорогого химического компонента в прототипе - нитрата алюминия девятиводного. В предлагаемой смеси он количественно рекомендован в интервале 0,6...1,5 мас.%, который является оптимальным с позиции живучести смеси, максимальной седиментационной устойчивости суспензии, малой осыпаемости форм и легкой выбиваемости формовочной смеси. Содержание в смеси нитрата алюминия менее 0,6 мас.% приводит к увеличению времени начала затвердевания смеси, ее расслоению, а также затрудненной выбиваемости отливок из форм вследствие высокой прочности смеси после заливки металлом. Содержание нитрата более 1,5 мас.% приводит к быстрому схватыванию смеси, то есть к потере способности перемешиваться, заполнять полость опоки и, следовательно, невозможности получения качественных отливок.

Также на эти свойства наливной самотвердеющей смеси и готовой формы оказывает влияние затворитель (вода), оптимальное количество которого находится в пределах 33...39 мас.ч. на 100 мас.ч. сухих компонентов. Такое содержание затворителя делает смесь суспензией по консистенции, пригодной для изготовления наливных объемных форм для литья как мелких, так и крупногабаритных изделий.

Подготовку предлагаемой смеси осуществляют следующим образом. Навешивают расчетное количество портландцемента, наполнителя - диспергированного кварцевого песка с рециклированной цементной смесью. Затем отмеряют необходимое количество воды и растворяют в ней нужное количество нитрата алюминия.

Перед изготовлением форм и стержней в предварительно подготовленный затворитель, из расчета 330...390 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих засыпают портландцемент, перемешивают в течение 0,5...1 мин и затем засыпают наполнитель. Допускается производить предварительное перемешивание сухих компонентов - портландцемента, мелкодисперсного кварцевого песка и рециклированной цементной смеси, и затем вводить их совместно в затворитель. Далее смесь тщательно перемешивают при скорости вращения крыльчатки 3000...6000 об/мин. После этого наливная цементная смесь используется для изготовления форм и стрежней. После изготовления форма сушится, затем производится удаление модели: вытопка модельного состава горячим воздухом при температуре 120...160°С или съем постоянной модели, прокалка форм при 550...600°С. Температура форм перед заливкой металла снижается до 300...500°С.

Предлагаемый состав смеси для изготовления форм и стержней на цементном связующем иллюстрируется следующим примером.

Пример. Готовят сухую смесь из портландцемента ПЦ-400 (ГОСТ 10178-85), диспергированного кварцевого песка и рециклированной цементной смеси. Затем взвешивают нитрат алюминия и растворяют его в затворителе - дистиллированной воде, далее вводят сухую смесь в затворитель с последующим перемешиванием в течение 1,5...2 мин.

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют приготовление смеси на цементном связующем согласно прототипу. Составы смесей приведены в табл.1.

Таблица 1 Составы смесей
Наименование ингредиентов	Количество ингредиентов, %мас., в смесях
прототип	1	2	3
Мелкодисперсный кварцевый песок	56,9	28,9	36,4	44,1
Рециклированная смесь	-	32,4	21,8	11,0
Портландцемент	14,5	10,8	14,5	18,2
Нитрат алюминия девятиводный	2,5	0,6	1,1	1,5
Вода	остальное

Подготовленные смеси используют для изготовления форм и стержней на цементном связующем с фиксацией их физико-механических свойств.

Показателями для сравнения являются коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) каждой смеси в интервале температур 20...700°С, прочность форм на сжатие после сушки и после прокалки, осыпаемость формовочной смеси после прокалки форм, шероховатость поверхности отливок, полученных в эти формы.

КТЛР определяли на дилатометре «PAULIK», используя образцы диаметром 5 мм и высотой 30 мм.

Прочность форм определяли, испытывая на сжатие стандартные образцы диаметром и высотой 50 мм после выдержки в воздухе через 24 и 72 часа, после прокалки (700°С, 3 часа) и охлаждения до комнатной температуры.

Осыпаемость формовочной смеси оценивали по стандартной методике на приборе модели 056 для определения осыпаемости формовочных смесей.

Шероховатость отливок из бронзы БрО5Ц5С5 определяли на профилометре модели 296.

Результаты испытаний смесей (по прототипу и заявленной) приведены в табл.2.

Таблица 2 Результаты испытаний
Показатели	Результаты испытаний смесей по составам
прототип	1	2	3
1. КТЛР смеси в интервале температур 20...800, 10-5, °C-1	0,91	0,89	0,92	0,90
2. Прочность форм при сжатии, МПа:
а) выдержка на воздухе 24 часа	2,8	2,6	2,9	0,30
б) выдержка на воздухе 72 часа	5,5	5,1	5,4	5,7
в) после прокалки	2,2	1,8	2,0	2,3
3. Осыпаемость форм после прокалки, %	1,18	1,22	1,19	1,15
4. Шероховатость поверхности отливки Rz, МКМ	20-80	20-80	20-80	20-80

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси практически не уступает по всем основным физико-механическим характеристикам, при этом позволяет решить многие технологические, экономические и экологические проблемы.

Предлагаемая смесь прошла испытания на ЗАО «Уральская бронза» (г.Челябинск) на широкой номенклатуре художественных отливок массой от 40 г до 75 кг. Были получены качественные отливки, себестоимость которых в 1,3...1,5 раза ниже, чем при производстве в известные цементные формы, изготовленные только на свежих материалах.

Смесь наливная самотвердеющая на цементном связующем для изготовления точных отливок, содержащая мелкодисперсный кварцевый песок, портландцемент, нитрат алюминия девятиводный и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит рециклированную цементную формовочную смесь при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

мелкодисперсный кварцевый песок	28,9-44,1
рециклированная цементная формовочная смесь	11,0-32,4
портландцемент	10,8-18,2
нитрат алюминия девятиводный	0,6-1,5
вода	остальное