Смесь наливная формовочная с повышенной газопроницаемостью для получения отливок из цветных сплавов

Изобретение относится к области литейного производства. Смесь содержит, мас.%: гипс высокопрочный 12,7-19,8; мелкодисперсный кварцевый песок 49,9-61,1; нитрат алюминия девятиводный 0,9-2,4; вода - остальное. Достигается повышение газопроницаемости смеси и качества готовых отливок. 2 табл.

 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении форм и стержней по постоянным и разовым моделям в производстве точных отливок из сплавов цветных металлов, преимущественно склонных к газонасыщению.

В настоящее время в ювелирном литье широко используются импортные формовочные смеси: "К-90", "Суперкаст", "Сатинкаст", "Ультравест", а также отечественные серии "Ювелирная", содержащие гипс высокопрочный, мелкодисперсный наполнитель на основе кремнезема в фазе кристобалита или тридимита, технологические добавки, замедляющие схватывание гипса, и воду в качестве затворителя [Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литье. - СПб.: Политехника, 1996. - с.172-174]. Однако, являясь узкоспециализированными на производство ювелирных изделий методом литья по выплавляемым моделям, эти смеси не обеспечивают требуемого качества машиностроительных отливок, в особенности крупногабаритных и сложнопрофильных. Кроме того, они являются дорогостоящими из-за наличия в их составе в качестве наполнителя кристобалита или электродинаса.

Известна смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов [Патент РФ №2175909. Смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов / Ердаков И.Н., Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Дубровин В.К. и др. Бюл. №32, 2000 г.], состоящая из мелкодисперсного наполнителя на основе кремнезема в виде диспергированного кварцевого песка, гипса высокопрочного, воды и дигидрофосфата натрия в качестве замедлителя схватывания гипса. Данная смесь предназначена в основном для литья художественных отливок из медных сплавов по выплавляемым моделям.

Наиболее близкой по технической сущности является смесь, содержащая мелкодисперсный наполнитель на основе кремнезема в виде динасового порошка, гипс, воду, а в качестве добавки - азотнокислую соль алюминия, безводный нитрат алюминия Al(NO₃)₃. Добавка вводится в затворитель в количестве 5 мг на 1 л воды с целью замедления схватывания гипса [Иванов В.Н., Карпенко В.М. Художественное литье. - Минск, Высшая школа, 1999 г., с.139-141] (прототип).

Формы, изготовленные из данной смеси, обладают практически нулевой газопроницаемостью из-за малой пористости, что затрудняет получение качественных отливок из сплавов цветных металлов, склонных к образованию газовых дефектов, в частности алюминиевых, а также при изготовлении форм по выжигаемым и газифицируемым пенополистироловым моделям. Применение выжигаемых моделей затруднено из-за недостаточного доступа кислорода воздуха к моделям на этапе их выжигания, получение годных отливок по газифицируемым моделям практически невозможно из-за поражения отливок дефектами вследствие проникновения в них сажистых отложений. Безводный нитрат алюминия Al(NO)₃)₃, вводимый в составе прототипа в смесь в количестве 5 мг на 1 л воды, позволяет замедлить схватывание гипса, но не увеличивает газопроницаемость формы. Безводный нитрат алюминия является неустойчивым химическим соединением, при хранении он постепенно гидратируется. В промышленных масштабах не выпускается.

В основу изобретения положена техническая задача - создание наливной формовочной смеси с повышенной газопроницаемостью, обеспечивающей получение качественных отливок из сплавов цветных металлов, склонных к образованию газовых дефектов.

Указанная техническая задача решается таким образом, что в смеси в качестве связующего применяется гипс высокопрочный, а в качестве добавки, повышающей газопроницаемость литейной формы, согласно изобретению используется нитрат алюминия девятиводный. Наполнителем является мелкодисперсный кварцевый песок, затворителем - вода, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

гипс высокопрочный	12,7…19,8;
мелкодисперсный кварцевый песок	49,9…61,1;
нитрат алюминия девятиводный	0,9…2,4;
вода	остальное.

Нитрат алюминия девятиводный Al(NO₃)₃·9H₂O (например, ГОСТ 3757-75) вводится путем его растворением в водопроводной или дистиллированной воде в процессе приготовления формовочной смеси. В процессе заполнения оснастки формовочная суспензия обладает хорошей текучестью, а после заполнения оснастки в процессе затвердевания нитрат алюминия вступает в химическое взаимодействие с гипсом с образованием газообразных продуктов, которые создают пористость в объеме смеси. Положительным моментом заявляемого состава смеси является качественная гладкая рабочая поверхность формы и увеличивающаяся пористость формы и, следовательно, газопроницаемость, от рабочей поверхности к внешней. Это создает при заливке форм металлом благоприятные условия отвода газов от отливки через форму. Формирование такой структуры связано с тем, что образование газообразных продуктов взаимодействия гипса и нитрата алюминия начинается после прочной адгезии на модели тонкого слоя формовочной смеси, не участвующего впоследствии в процессах газообразования. Добавка также сама выступает в роли связующего, обволакивая частицы наполнителя и повышая тем самым прочность формы.

Содержание в предлагаемой смеси гипса менее 12,7 мас.% отрицательно сказывается на прочности готовых форм и снижает качество поверхности готовой отливки. Напротив, содержание гипса более 19,8 мас.% приводит к удорожанию формовочной смеси без улучшения качества.

Количество нитрата алюминия девятиводного Al(NO₃)₃·9H₂O в составе смеси 0,9…2,4 мас.% является оптимальным с позиции образования необходимой пористости и газопроницаемости форм, при этом реологические свойств гипсовой суспензии (текучесть, живучесть и др.) находятся также в оптимальных пределах. Снижение содержания нитрата алюминия менее 0,9% не позволяет получить достаточную пористость и газопроницаемость форм. Увеличение количества нитрата девятиводного более 2,4% приводит к появлению повышенной шероховатости рабочей поверхности форм и, следовательно, отливок.

Подготовку заявляемой наливной формовочной смеси с повышенной газопроницаемостью осуществляют следующим образом. Навешивают расчетное количество высокопрочного гипса и мелкодисперсного кварцевого песка. Затем отмеряют необходимое количество воды и растворяют в ней нужное количество нитрата алюминия девятиводного. Перед непосредственным изготовлением форм в предварительно подготовленный затворитель, из расчета 360…380 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих, засыпают гипс, перемешивают в течение 0,5-1 минуты и уже потом засыпают песок. Затем смесь тщательно перемешивают при скорости вращения крыльчатки 3000…6000 об/мин. После чего суспензия может быть использована для изготовления форм.

Примеры вариантов предлагаемого состава наливной формовочной смеси с различным содержанием добавки в сравнении с прототипом приведены в табл.1.

Таблица 1
Составы смесей
Наименование ингредиентов	Количество ингредиентов, % мас., в смесях
прототип	1	2	3
Гипс высокопрочный	14,47	12,9	16,35	19,8
Динас молотый	57,89	-	-	-
Мелкодисперсный кварцевый песок		61,1	57,95	49,9
Нитрат алюминия безводный	0,0002	-	-	-
Нитрат алюминия девятиводный		0,9	1,8	2,4
Вода	Остальное	Остальное

Подготовленные смеси используют для изготовления форм с фиксацией их технологических свойств.

Показателями для сравнения являются продолжительность затвердевания (живучесть) суспензии, газопроницаемость, прочность форм, шероховатость поверхности и наличие газовых дефектов в отливках.

Время начала и конца затвердевания определяют по игле Вика, прочность форм измеряли, испытывая на сжатие стандартные образцы диаметром и высотой 50 мм после выдержки на воздухе через 24 часа. Газопроницаемость форм измеряли по ГОСТ 23409.6-78 на приборе польской фирмы «WADAP».

Формы заливают алюминиевым сплавом АК7 при температуре 680°С. По каждому варианту было изготовлено около 20 отливок.

Шероховатость отливок определяют на профилометре модели 296. Наличие дефектов газового происхождения на поверхности отливок оценивают визуально, в теле отливок - с помощью рентгеновского контроля.

Результаты испытаний смесей приведены в табл.2.

Таблица 2
Результаты испытаний
Показатели	Результаты испытаний смесей по составам
прототип	1	2	3
1. Время затвердевания с момента затворения смеси, мин	18-22	16-22	18-24	20-26
2. Прочность форм при сжатии, МПа после выдержки на воздухе в течение 24-х часов	2,1	2,1	2,4	2,3
3. Газопроницаемость формы, единиц газопроницаемости	1	18	25	30
4. Шероховатость поверхности отливки, RZ, мкм	30	21	21	19
5. Наличие газовых раковин	есть	нет	нет	нет

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси позволяет более чем в 18 раз увеличить газопроницаемость форм и тем самым предотвратить образование дефектов газового происхождения на отливках, при этом основные технологические свойства смеси и форм остаются на достаточно высоком уровне.

Смесь прошла технологические испытания в лаборатории литейных процессов кафедры «Литейное производство" Южно-Уральского государственного университета (г.Челябинск).

Смесь наливная формовочная с повышенной газопроницаемостью для получения отливок из цветных сплавов, включающая мелкодисперсный наполнитель на основе кремнезема, гипс высокопрочный, азотнокислую соль алюминия, воду, отличающаяся тем, что она в качестве азотнокислой соли алюминия содержит нитрат алюминия девятиводный при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

гипс высокопрочный	12,7-19,8
мелкодисперсный кварцевый песок	49,9-61,1
нитрат алюминия девятиводный	0,9-2,4
вода	остальное