Смесь для изготовления литейных форм и стержней и способ ее приготовления (варианты)

Изобретение относится к области литейного производства. Смесь приготавливают путем плакирования кварцевого песка предварительно подготовленной суспензией из раствора карбоксиметилцеллюлозы и периклазового порошкообразного отвердителя с последующей обработкой плакированного песка в кипящем слое теплым воздухом с температурой 50…80°С и введения в кварцевый песок раствора алюмоборфосфатного концентрата. Обеспечивается повышение физико-механических свойств смеси и ускоренное формирование манипуляторной прочности стержней и форм. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления керамических форм и стержней в производстве отливок из сплавов цветных и черных металлов.

Общемировой тенденцией в развитии процессов формообразования для литейного производства является применение холоднотвердеющих смесей (ХТС). Затвердевание в оснастке при комнатной температуре обеспечивает стержням и формам высокую точность и малые энергетические затраты на их изготовление. При этом наибольшее распространение получили ХТС на органических связующих материалах - синтетических смолах. Эти смеси обладают рядом преимуществ по сравнению с известными ХТС на неорганических связующих материалах (жидкоподвижные самотвердеющие смеси (ЖСС), пластичные самотвердеющие смеси, СО₂-процесс и др.). Такими преимуществами являются лучшая чистота поверхности, несравнимая с ЖСС легкость удаления стержней из отливок и регенерируемость отработанных смесей (Перспектива применения фосфатных холоднотвердеющих смесей («фоскон»-процесс) / Г.А.Коллодий, С.С.Ткаченко, B.C.Кривицкий // Литейщик России. - 2004 г. - №8. - С.23-24).

Однако до настоящего времени существенной проблемой остается обеспечение экологической безопасности процессов получения отливок с использованием фурановых, фенольных и других смол и их влияние на окружающую среду (Перспектива применения фосфатных холоднотвердеющих смесей («фоскон»-процесс) / Г.А.Коллодий, С.С.Ткаченко, B.C.Кривицкий // Литейщик России. - 2004 г. - №8. - С.23-24).

Перспективными в этом направлении являются ХТС на неорганических связующих материалах, например на растворах алюмоборфосфатного концентрата (АБФК). Такие смеси имеют следующие достоинства (Перспектива применения фосфатных холоднотвердеющих смесей («фоскон»-процесс) / Г.А.Коллодий, С.С.Ткаченко, B.C.Кривицкий // Литейщик России. - 2004 г. - №8. - С.23-24). Полное отсутствие прилипаемости, более легкая выбиваемость из отливок, высокая термостойкость и низкая газотворность смеси по сравнению с другими ХТС. Возможность использования недорогих отечественных материалов, а также до 80% регенерата после механической регенерации и универсального смесеприготовительного оборудования, экологичность АБФК.

Наиболее близкой по технической сущности является смесь для изготовления литейных форм и стержней (RU №2281830, МПК В22С 1/00, заявл. 21.06.2004, опубл. 20.08.2006), включающая раствор алюмоборфосфатного концентрата, периклазовый порошкообразный отвердитель и кварцевый песок при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

раствор алюмоборфосфатного концентрата	3…5;
периклазовый порошкообразный отвердитель	1,0…1,5;
кварцевый песок	остальное.

Способ приготовления такой смеси состоит в том, что в кварцевый песок с периклазовым порошкообразным отвердителем вводят раствор АБФК, указанные ингредиенты перемешивают и полученную смесь незамедлительно уплотняют в оснастке, например, вибрацией. Смесь прототипа и способ ее приготовления дает возможность получать отливки из сплавов черных и цветных металлов.

Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:

- физико-механические свойства смеси не позволяют обеспечить стабильное изготовление стержней и форм при крупносерийном производстве отливок (например, недостаточный уровень прочности стержней через 1 час не дает возможности ускоренно извлекать стержни из оснастки, тем более если изготавливаются стержни сложной конфигурации);

- длительный цикл формирования манипуляторной прочности литейных форм и стержней, в особенности для условий крупносерийного производства, например в автомобиле- и тракторостроении;

- способ приготовления смеси не обеспечивает равномерное распределение порошкообразного отвердителя и, следовательно, вызывает нестабильность получаемых свойств;

- способ прототипа не позволяет эффективно провести активацию АБФК и повысить физико-механические свойства смеси для изготовления стержней и форм, в особенности для сложнопрофильных отливок.

В основу изобретения положена техническая задача - повышение физико-механических свойств смеси, в особенности прочности через 1 час и ускоренного формирования манипуляторной прочности стержней и форм, необходимых для улучшения качества изготовления сложнопрофильных и тонкорельефных отливок.

Указанная техническая задача решается тем, что смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая раствор алюмоборфосфатного концентрата, периклазовый порошкообразный отвердитель и кварцевый песок, согласно изобретению, дополнительно содержит раствор карбоксиметилцеллюлозы при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

раствор алюмоборфосфатного концентрата	2…8;
периклазовый порошкообразный отвердитель	0,8…1,7;
раствор карбоксиметилцеллюлозы	1…3;
кварцевый песок	остальное.

Задача решается также тем, что в способе приготовления смеси для изготовления литейных форм и стержней, включающем введение в кварцевый песок с периклазовым порошкообразным отвердителем раствора алюмоборфосфатного концентрата, согласно изобретению, перед введением раствора алюмоборфосфатного концентрата его обрабатывают наносекундными электромагнитными импульсами с удельной импульсной мощностью 400…900 МВт/м³.

Кроме того, поставленная техническая задача также решается тем, что в способе приготовления смеси для изготовления литейных форм и стержней, включающем введение в кварцевый песок раствора алюмоборфосфатного концентрата, согласно изобретению, перед введением раствора алюмоборфосфатного концентрата осуществляют плакирование кварцевого песка предварительно подготовленной суспензией из раствора карбоксиметилцеллюлозы и периклазового порошкообразного отвердителя с последующей обработкой плакированного песка в кипящем слое теплым воздухом с температурой 50…80°С.

Применение в качестве связующего водного раствора алюмоборфосфатного концентрата и периклазового порошкообразного отвердителя обеспечивает требуемый цикл формообразования и исключает сушку изготавливаемых форм и стержней вследствие химического затвердевания смеси.

Введение в состав смеси дополнительно карбоксиметилцеллюлозы в количестве 1…3 мас.% создает условия для плакирования и равномерного распределения периклазового поршкообразного отвердителя смеси, а также повышение прочностных характеристик стержней и форм, в особенности сразу после затвердевания смеси.

Плакирование песка суспензией из раствора карбоксиметилцеллюлозы и периклазового поршкообразного отвердителя обеспечивает равномерное распределение отвердителя в объеме смеси. При этом плакированный песок может храниться в отдельной таре неограниченное время и при необходимости использоваться для подготовки ХТС, что обеспечивает высокую технологичность заявляемого способа приготовления смеси.

Обработка плакированного песка в кипящем слое теплым воздухом с температурой 50…80°С создает условия для ускоренной подготовки плакированного отвердителем наполнителя и улучшения физико-механических свойств ХТС и качества отливок.

Обработка наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) повышает когезионную прочность и позволяет существенно улучшить физико-механические свойства смеси за счет ее электрофизической активации.

Подготовку заявляемой смеси для изготовления литейных форм и стержней осуществляют следующим образом. Навешивают расчетное количество раствора АБФК и порошкообразного периклазового отвердителя к нему, а также раствора карбоксиметилцеллюлозы и кварцевого песка. Затем готовят суспензию из раствора карбоксиметилцеллюлозы и периклазового порошкообразного отвердителя, заливают ее в кварцевый песок, например, марок 3К₃О₂03 или 5К₃О₂03 (ГОСТ 2138-91), предварительно перемешивают и обрабатывают в кипящем слое теплым воздухом с температурой 50…80°С. Подготовленный плакированный песок может храниться неограниченное время. По мере необходимости его засыпают в смесеприготовительное оборудование, например бегуны или шнековый смеситель, добавляют расчетное количество раствора АБФК, перемешивают ингредиенты и после удаления смеси из оборудования осуществляют изготовление стержней и форм в оснастке, например, путем уплотнения вибрацией.

Для дополнительного улучшения физико-механических свойств смеси при изготовлении особо сложных по конфигурации отливок может быть осуществлена обработка НЭМИ связующего раствора АБФК. Для этого в раствор АБФК погружают медный излучатель, подсоединенный к генератору НЭМИ с параметрами: 1 МВт в импульсе, напряженность поля 10⁵-10⁷ В/м, продолжительность одного импульса 10^-9-10^-10 с. Удельная импульсная мощность составляет 400…900 МВт/м³.

Расширение диапазона значений по количеству раствора АБФК в смеси по сравнению с прототипом диктуется, с одной стороны, необходимостью ее упрочнения для изготовления крупногабаритных массивных отливок особо сложной конфигурации (верхний предел), с другой, возможностью уменьшения количества жидкой фазы в смеси при тех же свойствах за счет электрофизической обработки (эффект «разжижения») по экономическим соображениям для отливок неответственного назначения (нижний предел). В связи с расширением диапазона значений по раствору АБФК также изменяется интервал значений по периклазовому порошкообразному отвердителю.

Содержание в предлагаемой смеси АБФК менее 2 мас.% отрицательно сказывается на прочности и осыпаемости готовых форм и стержней, а следовательно, приводит к снижению качества поверхности готовой отливки. Причиной этого является недостаток связующего материала в смеси. Напротив, содержание АБФК более 8 мас.% приводит к ухудшению выбиваемости, а также удорожанию смеси.

Количество периклазового порошкообразного отвердителя в составе смеси 0,8…1,7 мас.% является оптимальным с позиций обеспечения требуемой продолжительности ее затвердевания и живучести. Содержание в смеси периклазового порошкообразного отвердителя менее 0,8 мас.% приводит к чрезмерному увеличению продолжительности затвердевания смеси. Содержание периклазового порошкообразного отвердителя более 1,7 мас.% вызывает существенное снижение живучести смеси.

Раствор карбоксиметилцеллюлозы в предлагаемой смеси 1…3 мас.% обеспечивает высокую степень равномерности плакирования частиц кварцевого песка. Если его количество менее 1 мас.%, то не удается равномерно распределить и адгезировать частицы порошкообразного периклазового отвердителя на поверхности зерен песка. В результате - нестабильность свойств смеси и низкое качество отливок. Если количество карбоксиметилцеллюлозы более 3 мас.%, то наблюдается нежелательное комкование при подготовке кварцевого песка.

Обработка плакированного песка в кипящем слое с температурой 50…80°С ускоряет процесс его подготовки. Если температура менее 50°С, то не удается обеспечить существенного уменьшения продолжительности подготовки плакированного кварцевого песка. Если температура больше 80°С, то нарушается целостность плакирующего слоя на частицах кварцевого песка в результате его разрыхления из-за испарения влаги с высокой скоростью.

Для изготовления особо сложных по конфигурации тонкорельефных отливок рекомендуется удельная импульсная мощность НЭМИ в пределах 400…900 МВт/м³ для обработки раствора АБФК с целью повышения когезионной прочности и текучести смеси. При удельной импульсной мощности НЭМИ менее 400 МВт/м³ не удается существенно повлиять на физико-механические свойства смеси, а при превышении уровня 900 МВт/м³ неоправданно возрастают энергетические затраты.

Предлагаемые состав смеси для изготовления литейных форм и стержней и способ ее приготовления иллюстрируются следующими примерами.

Пример 1. Готовят плакированный кварцевый песок марки 5К₃О₂03 (ГОСТ 2138-91) с использованием раствора карбоксиметилцеллюлозы (ТУ 6-15-1077-92) и периклазового порошкообразного отвердителя марки (ТУ 2149-215-10964029-2004) в кипящем слое с продувкой теплым воздухом (температура 60°С). Затем вводят раствор АБФК (ТУ 113-08-606-87) в плакированный песок, перемешивают ингредиенты и изготавливают образцы форм с последующим их испытанием.

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

Таблица 1
Составы смесей
Наименование ингредиентов	Количество ингредиентов, мас.%, в смесях
прототип	1	2	3	4	5
Раствор АБФК	4	2	5	8	5	5
Периклазовый порошкообразный отвердитель	1,5	1,2	1,2	1,2	0,8	1,7
Раствор карбоксиметилцеллюлозы	-	2	2	1	2	3
Кварцевый песок	Остальное	Остальное

Результаты испытаний смесей приведены в табл.2. Номера составов смесей соответствуют приведенным в табл.1.

Таблица 2
Результаты испытаний смесей
Показатели	Результаты испытаний смесей по составам
прототип	1	2	3	4	5
1. Продолжительность затвердевания, мин	30	10	15	20	22	12
2. Живучесть, мин	6	20	25	30	40	28
3. Прочность при разрыве, МПа:
а) через 1 час;	0,15	0,15	0,45	0,47	0,41	0,38
б) через 24 часа	1,0	1,5	1,9	1,7	1,72	1,6
4. Выбиваемость (остаточная прочность), МПа	0,20	0,08	0,09	0,12	0,10	0,09
5. Осыпаемость, %	0,06	0,04	0,01	0,012	0,019	0,01

Пример 2. Готовят аналогично примеру 1 смесь состава 2 (см. табл.1), показавшего наиболее рациональное сочетание служебных свойств (см. табл.2). При этом перед введением раствора АБФК осуществляют его обработку НЭМИ в течение 15 мин. Для этого в раствор вводится излучатель, подсоединенный к генератору НЭМИ (RU №2030097, МКИ Н03К 3/33, КЗ/45. Формирователь наносекундных электромагнитных импульсов. Белкин B.C., Шульженко Г.И. Заявл. 17.01.92). Влияние НЭМИ на свойства смеси представлено в табл.3.

Таблица 3
Влияние обработки НЭМИ на свойства смесей
Показатели	Обработка НЭМИ с удельной импульсной мощностью, МВт/м3
400	600	900
1. Продолжительность затвердевания, мин	12	9	8
2. Живучесть, мин	26	24	20
3. Прочность при разрыве, МПа:
а) через 1 час;	0,73	0,75	0,63
б) через 24 часа	2,6	2,8	2,3
4. Выбиваемость (остаточная прочность), МПа	0,08	0,06	0,05
5. Осыпаемость, %	0,01	0,01	0,012

Воздействие НЭМИ открывает возможность дополнительно улучшить физико-механические свойства смеси, в частности уменьшить продолжительность затвердевания смеси, существенно упрочнить ее при затвердевании с сохранением приемлемого диапазона значений улучшенных по сравнению с прототипом осыпаемости и выбиваемости литейных стержней и форм.

В целом, результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси и способ ее приготовления позволяют ускорить цикл формообразования, повысить прочность форм и стержней более чем в 2 раза, в особенности на ранних этапах формообразования, практически исключить осыпаемость форм и стержней, облегчить выбиваемость отливок. Это позволило значительно улучшить качество поверхности сложнопрофильных, тонкорельефных отливок из черных и цветных сплавов.

Смесь и способ ее приготовления прошли промышленные испытания на ЗАО "Уральская бронза" (г.Челябинск) и ОАО «AЗ Урал» (г.Миасс). Учитывая улучшенный комплекс зафиксированных технологических свойств смеси, ее универсальный характер, заявленный состав смеси и способ ее приготовления могут быть использованы практически на любых отечественных предприятиях, применяющих ХТС.

1. Смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая раствор алюмоборфосфатного концентрата, периклазовый порошкообразный отвердитель и кварцевый песок, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит раствор карбоксиметилцеллюлозы при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

раствор алюмоборфосфатного концентрата	2-8
периклазовый порошкообразный отвердитель	0,8-1,7
раствор карбоксиметилцеллюлозы	1-3
кварцевый песок	остальное

2. Способ приготовления смеси для изготовления литейных форм и стержней, включающий введение в кварцевый песок раствора алюмоборфосфатного концентрата, отличающийся тем, что перед введением раствора алюмоборфосфатного концентрата осуществляют плакирование кварцевого песка предварительно подготовленной суспензией из раствора карбоксиметилцеллюлозы и периклазового порошкообразного отвердителя с последующей обработкой плакированного песка в кипящем слое теплым воздухом с температурой 50-80°С.

3. Способ приготовления смеси для изготовления литейных форм и стержней по п.2, отличающийся тем, что перед введением раствора алюмоборфосфатного концентрата его обрабатывают наносекундными электромагнитными импульсами с удельной импульсной мощностью 400-900 МВт/м³.