Стержень на солевой основе и способ его изготовления

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при литье под давлением металлических деталей с полостями. Стержень изготавливают из материала, представляющего собой смесь водорастворимой соли NaCl с размером зерен от 0,04 до 0,6 мм, связующего в виде жидкого стекла и при необходимости наполнителя, присадок и катализаторов. Смесь формуют пескодувным методом под давлением 6-10 бар и термически отверждают. Стержень имеет прочность на изгиб от 800 до 1500 Н/см², что обеспечивает сохранение его конфигурации при изготовлении отливок литьем под давлением и повышает качество отливок. 2 н. и 8 з.п. ф-лы.

 

Изобретение касается стержня, а также способа изготовления стержня из соли пескодувным методом для применения в качестве заполнителей полостей при изготовлении металлических литых деталей, предпочтительно методом литья под давлением, которые полностью растворяются в растворителе, не оставляя твердых остатков, и поэтому могут быть полностью и без сложностей удалены из заготовок.

К стержням, которые вставляют в формы, чтобы при заполнении форм расплавом сохранять предусмотренные в деталях полости, при литье под давлением деталей из металла предъявляют значительно более высокие требования, чем, например, при литье в землю или при кокильном литье под низким давлением. Эти стержни должны быть просты в изготовлении, хорошо сохранять форму и точно соответствовать контурам, а материалы, применяемые для их изготовления, а также растворяющие их растворители не должны отрицательно сказываться ни на качестве литья, ни на окружающей среде и не должны быть вредны для здоровья.

Если к поверхности и к точности соответствия контурам полостей в деталях предъявляют особые требования, то поверхность стержней должна быть особенно гладкой и точно соответствовать контурам, а стержни должны полностью растворяться в надлежащем растворителе, и их удаление из полостей деталей должно быть возможно без каких-либо твердых остатков. Остатки стержней, содержащие нерастворимые компоненты, как, например, кварцевый песок, могут приводить к повреждению подлежащих улучшению поверхностей или выводить из строя оборудование, например, если из-за остатков стержня закупоривается форсунка в системе непосредственного впрыска (Commonrailsystem) топлива в дизельных двигателях.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы изготавливать из соли стержни, которые при литье деталей под давлением демонстрируют необходимую прочность и которые можно легко и полностью удалить из деталей.

До сих пор на нынешнем техническом уровне не удавалось изготавливать соляные стержни пескодувным методом (стержни, изготовленные в пескодувной машине), которые выдерживали бы чрезвычайно высокие нагрузки, возникающие, например, при литье алюминия под давлением. Это значит, что, с одной стороны, стержни должны обладать высокой прочностью, а с другой стороны, их должно быть легко удалять из литой детали после литья. На нынешнем техническом уровне удается изготовить песочные стержни с жидким стеклом в качестве связующего агента, имеющие максимальный предел прочности в 500 Н/см². Стержни согласно изобретению позволяют достичь значительно более высоких значений, но тем не менее после литья стержни удается просто и без остатка удалить.

Решение задачи получают посредством стержня, соответствующего первому пункту формулы изобретения, а также способа изготовления этого стержня по пункту 9. Предпочтительные варианты исполнения изобретения являются объектом зависимых пунктов.

Стержни согласно изобретению состоят из соли, к которой можно подмешивать связующий агент и, по выбору, наполнители, присадки и катализаторы. Эти стержни предусмотрены для деталей, которые изготавливают методом литья под давлением из цветных металлов, например из алюминия, латуни или меди. Стержни согласно изобретению состоят из веществ, которые полностью растворяются в воде, как в растворителе, предпочтительном из экологических соображений, и которые, таким образом, можно без остатка удалить из полостей деталей.

Стержни согласно изобретению обладают тем преимуществом, что они состоят из веществ, которые при надлежащем обращении не вступают в реакции, протекающие с отщеплением газов, отрицательно влияющих на окружающую среду, ни при изготовлении стержней, ни в процессе литья. Благодаря тому что при литье не образуются газы, улучшается качество отливок, поскольку удается избежать пороков литья из-за возникающих газов, как то усадочных раковин, газовых пор и т.п. При удалении стержней не образуются остатки, требующие особой утилизации. В зависимости от состава возможно повторное извлечение веществ из жидкой фазы посредством надлежащего способа, например, соли - распылительной сушкой или выпариванием.

Все рецептуры материалов для стержней можно, используя в качестве способа формования пескодувную формовку стержней, обрабатывать в обычных пескодувных машинах. Сложность геометрических показателей стержней определяет параметры пескодувной формовки стежней, а также конструкцию и изготовление инструмента для изготовления стержней и головки пескодувной машины. В сравнении с формованием прессовкой, при котором материалы стержня помещают в инструмент для формовки, а затем сжимают под давлением, набивка стержней позволяет изготавливать стержни очень сложной геометрической формы с высокой точностью воспроизведения контуров, а также гомогенной структурой с равномерным распределением плотности и прочности.

В качестве материала для стержней согласно изобретению можно использовать водорастворимые соли щелочных и щелочноземельных элементов, как то, в частности, хлорид натрия, хлорид калия и хлорид магния, водорастворимые сульфаты и нитраты щелочных и щелочноземельных элементов, как, например, в частности, сульфат калия, сульфат магния, а также водорастворимые соли аммония, в частности сульфат аммония. Эти вещества можно применять по отдельности либо же в смеси, при условии что они не реагируют друг с другом и, таким образом, не влияют отрицательно на желательные свойства, поскольку при изготовлении стержня его материал не должен подвергаться какому-либо преобразованию вещества, отрицательно влияющему на его растворимость. В принципе, можно использовать все легко растворимые соли, температура разложения или плавления которых превышает температуру жидкого расплава металла. В сравнении с песком эти материалы стержней легче и проще подразделить по желательным размерам зерен или же классам зерен. Выбранное распределение по размерам зерна влияет, в частности, на качество поверхности стержня. Чем меньше размер зерна, тем глаже поверхность. В принципе, стремятся к максимально высокой степени заполнения, чего можно добиться посредством смешения различных солей и, при необходимости, дополнительных веществ с различными кривыми распределения по размеру, например, при бимодальном или тримодальном распределении зерен смеси.

Согласно изобретению выбирают размеры зерна в пределах от 0,01 до 2 мм, причем выбор зависит от материала, желаемого качества поверхности и точности воспроизведения контуров изделия, подлежащего отливке.

При необходимости можно заменять часть соли водорастворимыми наполнителями (до 30% об.) в той мере, в которой это не влияет отрицательно на плотность и прочность. Целесообразно согласовывать размер зерна наполнителя с размером зерна или распределением зерен соли по размеру.

Чтобы обеспечить потребную прочность стержней после пескодувной формовки, в соль перед пескодувной формовкой добавляют надлежащий связующий агент либо же надлежащую связующую систему. Можно применять все связующие агенты, которые полностью водорастворимы после затвердевания, хорошо смачивают соль, и при необходимости наполнители, причем из смеси этих веществ можно с помощью пескодувной формовки формировать стержни. В общем случае можно применять силикатные связующие агенты, если они растворимы в воде. Можно также использовать водорастворимые фосфаты щелочных металлов и аммония или же связующие агенты из моноалюминий-фосфата. Предпочтительны связующие агенты из водорастворимого жидкого стекла. Добавляемый объем зависит от силикатного модуля (1-5) и составляет, в зависимости от показателей смачивания, от 0,5% мас. до 15% мас., предпочтительно от 5% мас. до 8% мас. Чтобы получить свойства, необходимые для литья под давлением, например прочность и стабильность в сохранении формы, можно также применять особые смеси связующих агентов.

На свойства смеси соли, при необходимости наполнителя и связующего агента, либо же системы связующих агентов можно влиять целенаправленным добавлением присадок. В данном случае предварительное условие также заключается в том, чтобы эти присадки или продукты реакции этих присадок можно было полностью и без остатка удалить из полости детали путем растворения в воде и чтобы при литье не выделялись газы, отрицательно влияющие на процесс литья и способные привести к образованию пороков литья. В зависимости от состава материалов стержней это могут быть следующие присадки: средства, способствующие смачиванию, добавки, влияющие на консистенцию смеси, средства, способствующие скольжению, добавки, обеспечивающие деагломерацию, желирующие агенты, добавки, изменяющие термофизические свойства стержня, например теплопроводность, добавки, препятствующие приклеиванию металла к стержням, добавки, ведущие к улучшению гомогенизации и показателям смешивания, добавки, улучшающие способность к длительному хранению, добавки, препятствующие преждевременному затвердеванию, добавки, препятствующие дымообразованию и образованию конденсата, а также добавки, ускоряющие затвердевание. Эти добавки известны специалисту из процессов изготовления обычных стержней. Количество, в котором их добавляют, определяют в зависимости от вида и состава материала стержня.

Чтобы после пескодувной формовки стержни обладали необходимой прочностью, в зависимости от состава материала стержней может понадобиться добавлять соответствующие ему катализаторы, инициирующие и ускоряющие затвердевание.

При использовании газообразных катализаторов в еще закрытую форму после пескодувной формовки можно нагнетать воздействующий на материал стержня газ, предпочтительно СО₂ или воздух, предпочтительно для затвердевания и сушки стержней. Давление может быть ниже, чем при набивке стержней, и составлять примерно до 5 бар.

Возможна также последующая термическая обработка стержней при температурах до 500°С. Как правило, термическая обработка протекает уже во время формовки в форме посредством нагрева последней до температуры, отрегулированной соответственно конкретному материалу стержня.

Материал стержня составляют из соли и связующего агента, а также добавок, как то: наполнителей, присадок и катализаторов, если они требуются, причем наполнители и связующий агент - неорганические. Все вещества можно смешать до гомогенного состояния с помощью известного смесительного оборудования. Количество добавляемых наполнителя и добавок выбирают в зависимости от целей применения стержней, они определяют качество поверхности, а также плотность и прочность стержней.

Дальнейшую обработку материалов стержней осуществляют в отдельности от пескодувного процесса изготовления стержней, причем при необходимости следует предусмотреть надлежащие защитные меры, предотвращающие агломерацию и преждевременное затвердевание. Например, в зависимости от состава материала стержня последующую обработку, транспортировку и хранение можно также осуществлять в атмосфере защитного газа.

Вещества, которые изменяют свойства других веществ материала стержня, в особенности те, которые необходимы для затвердевания, целесообразно вводить непосредственно в пескодувную машину. В этом случае перемешивание проводят в потоке газа, который транспортирует другие вещества в форму. Материал стержня нагнетают в форму под давлением в 1-10 бар, отрегулированном в соответствии с составом материала стержня либо же со способностью массы к заполнению и ее текучестью. При этом давление заполнения зависит от распределения зерен по размеру либо же от размера зерен и их формы. В общем случае мелкозернистые соли требуют более высокого давления набивки.

Состав и свойства стержня оказывают существенное влияние на качество детали, изготовленной литьем под давлением. Поэтому здесь на основании примера исполнения рассмотрены важнейшие свойства. Указанные свойства касаются стержней, не покрытых шлихтой.

Используют стержень из NaCl с дальнейшими дополнительными веществами, как то: связующим агентом на основе жидкого стекла и прочими добавками, как то: разделяющим агентом, замедлителем схватывания, смачивающим агентом и т.п. Стержень формовали в пескодувной машине под давлением 6 бар. Для затвердевания его подвергли термической обработке длительностью 1 мин при 200°С. Представленный стержень особо удобен для применения в литье алюминия под давлением. При литье алюминия под давлением жидкий алюминий нагнетают в форму под давлением в 10-200 МПа. В форму он течет со скоростью до 120 м/с. Чтобы противостоять силам, возникающим при литье, стержень должен сохранять форму. Механические свойства материала определяли на образце длиной 180 мм, шириной 22 мм и высотой 22 мм. Предел прочности на изгиб, измеренный согласно памятке VDG Р73 (февраль 1996 г.), составляет 1400 Н/см².

При вхождении потока металла вымывание или повреждение поверхности стержня не допускается. По этой причине стержень должен обладать соответствующей прочностью поверхности. Решающую роль играет также пористость. В настоящем примере исполнения доля пор составляет 30%.

Как правило, плотность солевых стержней на основе хлорида натрия, определенная методом с ареометром, составляет от 1,2 г/см³ до 1,8 г/см³. Это соответствует пористости в 10%-35%. Предел прочности на изгиб, измеренный согласно памятке VDG Р73, находится в пределах от 400 до 1500 Н/см².

После того как деталь, изготовленная литьем под давлением, затвердеет, стержень необходимо удалить. При этом важно, чтобы стержень растворялся сразу, не давая твердых остатков, полностью и легко. Скорость растворения материала стержня зависит, естественно, от материала стержня и его предварительной обработки, а также от размера стержня. При использовании чистой соли она может отличаться от таковой с составом, включающим в себя связующий агент и наполнители. Эксперименты с опытной деталью, изготавливаемой литьем под давлением, показали, что стержень размером 22 мм × 22 мм × 180 мм можно полностью вымыть из отливки горячей водой за 1-2 мин.

Следовательно, настоящее изобретение касается

- водорастворимых солевых стержней, которые можно изготавливать уплотнением смеси из водорастворимых солей, по меньшей мере одного связующего агента, а при необходимости дополнительных вспомогательных веществ, как то наполнителей, присадок и катализаторов (в сумме - материал стержня) под давлением, причем связующий агент и добавляемые при необходимости вспомогательные вещества - неорганические, а солевые стержни формуют пескодувным методом;

• причем формовку осуществляют под давлением от 1 до 10 бар;

• причем формованные стержни имеют плотность от 1,2 до 1,8 г/см³;

• причем их пористость составляет от 10% до 40%;

• причем предел их прочности на изгиб находится в пределах от 400 до 1500 Н/см²;

• причем в качестве водорастворимых солей применяют те, температура разложения или плавления которых превышает температуру жидкого металла;

• причем в качестве водорастворимых солей используют хлориды щелочных и щелочноземельных элементов, в частности хлорид натрия, хлорид калия и/или хлорид магния, водорастворимые сульфаты и нитраты щелочных и щелочноземельных элементов, в частности сульфат калия и/или сульфат магния, водорастворимые соли аммония, в частности сульфат аммония или смеси этих солей;

• причем размеры зерен материалов стержня находятся в пределах от 0,01 до 2 мм;

• причем часть материала стержня содержит водорастворимый наполнитель, так что размеры зерен наполнителя соответствуют размерам зерен материала стержня, и так, что доля наполнителя в материале стержня может составлять до 30% об.;

• причем в качестве связующего агента применяют водорастворимые силикатные соединения, предпочтительно жидкое стекло, фосфаты щелочных металлов, фосфаты аммония и/или моноалюминий-фосфат или смеси этих соединений;

• причем доля связующих агентов составляет от 0,5% мас. до 15% мас.;

• причем связующий агент представляет собой жидкое стекло, а доля связующего агента в зависимости от показателей смачивания и силикатного модуля составляет от 0,5% мас. до 15% мас.;

• причем водорастворимая соль представляет собой хлорид натрия с размером зерна от 0,01 до 2 мм, а связующий агент - жидкое стекло;

• причем связующий агент - жидкое стекло - содержится в количестве 0,5% мас. до 15% мас. в зависимости от распределения зерен по размеру и соответственно силикатному модулю;

• причем водорастворимая соль представляет собой хлорид натрия с размером зерна в пределах от 0,04 до 0,6 мм, связующий агент - жидкое стекло, доля которого составляет 6% мас., и причем формовку осуществляют в пескодувной машине при давлении набивки 6 бар при комнатной температуре, а отверждение - горячим воздухом;

• причем плотность составляет 1,35 г/см³, открытая пористость - 30%, а предел прочности на изгиб равняется 1400 Н/см²;

• причем после формовки солевые стержни подвергают тепловой обработке при температуре 500°С.

Пункты перечня, обозначенные знаком «•», означают возможные дополнительные опции, предпочтительные варианты исполнения водорастворимых солевых стержней согласно изобретению.

Следовательно, настоящее изобретение также касается

- способа изготовления водорастворимых солевых стержней из смеси из водорастворимых солей, по меньшей мере одного связующего агента, а при необходимости дополнительных вспомогательных веществ, как то наполнителей, присадок и катализаторов, отличающегося тем, что полностью водорастворимую и пригодную к удалению из изделий водой без остатка смесь в отличном от жидкого состоянии смешивают до гомогенной консистенции и с помощью пескодувного метода, под давлением, соответствующим составу материала стержня, распределению зерен по размеру либо же соответствующим размеру, причем солевые стержни формуют под давлением от 1 до 10 бар;

○ - причем смешивают компоненты с размерами зерен, характеризующимися различными кривыми распределения, предпочтительно бимодальным или тримодальным распределением размера зерен, чтобы получить высокую степень заполнения форм смесью (материалом стержня);

○ причем в качестве водорастворимых солей выбирают хлориды щелочных и щелочноземельных элементов, в частности хлорид натрия, хлорид калия и/или хлорид магния, водорастворимые сульфаты и нитраты щелочных и щелочноземельных элементов, в частности сульфат калия и/или сульфат магния, а также водорастворимые соли аммония, в частности сульфат аммония или смеси этих солей, которые при необходимости с добавлением вспомогательных веществ смешивают в гомогенную смесь и формируют из нее стержень;

○ причем применяют материалы стержня с размером зерна в пределах от 0,01 до 2 мм в зависимости от материала, желаемого качества поверхности и точности воспроизведения контуров изделия, подлежащего отливке из металла.

○ причем к материалу стержня возможно добавлять дополнительный наполнитель или дополнительные наполнители, доля которых составляет до 30% об., а размер зерна наполнителя выбирают в соответствии с размером зерна соли или солей;

○ причем добавляют один или несколько связующих агентов, доля которых зависит от удельной площади поверхности, показателей смачивания и распределения зерен по размеру, и эти связующие агенты предпочтительно представляют собой водорастворимые силикатные соединения, предпочтительно жидкое стекло, фосфаты щелочных металлов, фосфаты аммония и моноалюминий-фосфат;

○ причем в качестве связующего агента добавляют жидкое стекло с долей от 5% мас. до 20% мас.;

○ причем добавляют соответствующие материалу стержня водорастворимые присадки;

○ причем добавляют соответствующие материалу стержня водорастворимые катализаторы;

○ причем после набивки стержни для затвердевания обрабатывают газами, соответствующими материалу стержня;

○ причем обработку газом проводят с использованием горячего воздуха;

○ причем обработку газом проводят с использованием СО₂;

○ причем давление при обработке газом составляет до 10 бар;

○ причем после набивки стержни подвергают отверждению посредством соответствующей материалу стержня тепловой обработки при температурах до 500°С.

Пункты списка, обозначенные знаком «○», означают возможные дополнительные опции, предпочтительные варианты реализации способа согласно изобретению для изготовления водорастворимых солевых стержней.

1. Водорастворимый солевой стержень, изготавливаемый уплотнением материала стержня, представляющего собой смесь из водорастворимых солей, по меньшей мере одного связующего агента и при необходимости дополнительных вспомогательных веществ в виде наполнителей, присадок и катализаторов под давлением, отличающийся тем, что солевой стержень имеет предел прочности на изгиб от 800 до 1500 Н/см², причем используют в качестве водорастворимой соли NaCl с размером зерна от 0,04 до 0,6 мм, в качестве связующего агента жидкое стекло и при необходимости дополнительные вспомогательные вещества, причем дополнительные вспомогательные вещества представляют собой неорганические вещества, а солевой стержень формуют пескодувным методом под давлением от 6 до 10 бар и затем термически отверждают.

2. Водорастворимый солевой стержень по п. 1, отличающийся тем, что формованный стержень имеет плотность от 1,2 до 1,8 г/см³.

3. Водорастворимый солевой стержень по п. 1, отличающийся тем, что его пористость составляет от 10 до 40%.

4. Водорастворимый солевой стержень по п. 1, отличающийся тем, что в качестве водорастворимых солей используют соли, температура разложения или плавления которых находится выше температуры жидкого металла.

5. Водорастворимый солевой стержень по п. 1, отличающийся тем, что часть материала стержня содержит водорастворимый наполнитель, размеры зерен которого соответствуют размерам зерен материала стержня, при этом доля наполнителя в материале стержня может составлять до 30 об.%.

6. Водорастворимый солевой стержень по п. 1, отличающийся тем, что доля связующих агентов составляет от 0,5 мас.% до 15 мас.%.

7. Водорастворимый солевой стержень по п. 1, отличающийся тем, связующий агент представляет собой жидкое стекло, а доля связующего агента в зависимости от показателей смачивания и силикатного модуля составляет от 0,5 мас.% до 15 мас.%.

8. Водорастворимый солевой стержень по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что после формовки солевой стержень подвергают тепловой обработке при температуре 500°С.

9. Способ изготовления водорастворимого солевого стержня из смеси из водорастворимых солей, по меньшей мере одного связующего агента и при необходимости дополнительных вспомогательных веществ в виде наполнителей, присадок и катализаторов, отличающийся тем, что полностью водорастворимую и пригодную к удалению из изделий водой без остатка смесь в отличном от жидкого состоянии смешивают до гомогенной консистенции и с помощью пескодувного метода под давлением от 6 до 10 бар формуют солевой стержень и термически отверждают, причем используют в качестве водорастворимой соли NaCl с размером зерна от 0,04 до 0,6 мм и в качестве связующего вещества жидкое стекло.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что смешивают компоненты с размерами зерен, характеризующимися различными кривыми распределения, предпочтительно бимодальным или тримодальным распределением размера зерен для получения высокой степени заполнения форм смесью.