Масса для изготовления литейных стержней и форм, а также огнеупорных и абразивных изделий

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

«»876052

Сеюз Севетакик

Сециапистичеакиз

Республик (6т) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 13. 11. 74 (2!) 2078664/22-02 (53)М. Кл З (23) Приоритет (M) 14 ° 11. 73

В 22 С 1/18

С 04 В 35/00

Государстееииый комитет

СССР по делам изобретеиий и открытий (33) США (31) 415852

Опубликовано" 2Ы0.81.6голлетень Йо 39 (53) УДК 621. 74 2. 4 г г 666. 76 г 621 ° .921(088 .8) у

Дата опубликования описания 23. 10. 81 (72) Авторы изобретения, Иностранцы

Ричард .Х. Тоенискоеттер и Джон Дж. Спивак (CBIA) Иностранная фирма

"Эшланд Ойл Инк" (ааА) (71) Заявитель (54 ) МАССА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ. СТЕРЖНЕЙ

И ФОРМ, А ТАКЖЕ ОГНЕУПОРНЫХ И АБРАЗИВНЫХ

ИЗДЕЛИЙ

Г* .

Изобретение относится к литейному производству, а именно к составам

° масс,композиций илн смесей, используемых для изготовления литейных стержней и форм, а также огнеупорных и абразив х иэделий.

Наиболе близкой к изобретению по техниче кой сущности и достигае-,:. мому результату является масса для изготовления литейных стержней н форм, содержащая огнеупорный напол- ннтель и комплексное связующее на основе фосфата алюминия, воды и ма . териала на основе окисного соедине- : ния щелочноэемельного металла, а именно окиси магния E1ã. укаэанная масса характеризуется недостаточной прочностью сцепления частиц огнеупорного наполнителя,в результате чего при извлечении от-1 вержденных изделий нэ оснастки воз-никает потенциальная возможность образования трещин в изделиях (литейных стержнях, формах,,огнеупо- рах н абразивных иэделиях) и резкого ухудшения их эксплуатационных свойств.

Целью изобретения является повышение прочности сцепления частиц огнеупорного наполнителя и предотвра- щение образования трещин при извлечении изделий из оснастки..

Для достижения поставленной цели масса для изготовления литейных стержней и форм, а также огнеупорным и абразивных изделий, включанщая ог« неупорный наполнитель и комплексное свяэуюк.ее на основе фосфата алкииния, содержит в качестве комплексного связующего борированный фосфат алюминия в сочетании с водой и материалом на основе окнсного соединения щелочноземельного металла llpH сле" дующем соотнсааении ингредиентов; в вес. Вг

Огнеупорный найолни- . тель 60 ° 0-99,5

Комплексное связующее 0,5- 40,0, причем ингредиенты комплексного связующего, а именно борированный фосфат алюминия, в сочетании. с водой и матЬрналом на основе окисного соединения щелочноземельного металла взяты при следующем соотношении, в вес. Ъг

Борнрованный фосфат алюминия 25,6-87 ° 3

Вода 5,7-63,,4

876052

Материал на основе окисного соединения щелочноземельного металла 2,6-46,0, при этом содержание бора в борированном фосфате алюминия составляет

0,08-1,9 вес.% при весовом отношении содержания фосфора к суммарному содержанию алюминия и бора (1,98:1) l.(4,54:1).

В качестве материала на основе окисного соединения щелочноземельного металла предложенная масса может содержать окись или гидроокись щелочноземельного металла. Примером материала этой группы служит окись магния.

В качестве материала на основе окисного соединения щелочноземельного металла предложенная масса может содержать природные химические Щ соединения щелочноземельного металла, включающие наряду с щелочноземельным металлом и его окислом окисные соединения элементов., выбранных из группы следующего ряда: кремний, алюминий, циркрний, бор, титан. Примером материала этой группы служат силикаты,, алюмосиликаты, алюминаты, цирконаты, бораты, титанаты щелочноземельного металла.

В качестве материала на основе окисного соединения щелочноземельного металла предложенная масса может содержать окись или гидроокись щелочноземельного металла в сочетании. с природным химическим соединением щелочноземельного металла, включающим наряду с щелочноземельным металлом и его окислом окисные соединения элементов, выбранных из группы следующего ряда: кремний, алюминий,цир- 40 коний, бор, титан, при весовом соотношении (2:1) †(8:1) между окисью или гидроокисью щелочноземельного металла и указанным природным химическим соединением щелочноземельного 45 металла.

Перечисленные. типы материалов на основе окисного соединения щелочноземельного металла характеризуются удельной поверхностью 0,01-8,5 м /r, 0

2 измеренной методом низкотемпературной адсорбции азота (методом ВЕТ).

Собственно связующим материалом является борированный фосфат алюминия (БФА). Он содержит 3-40, преимущественно 5-30, предпочтительно 1025 грамм-атомных процентов бора в расчете на грамм-атомное количество алюминия, а отношение грамм-атомов фосфора к сумме грамм-атомов алюминия и бора составляет в нем (2:1) — у) (4:1),преимущественно (2,5:1) †(3,5:1), предпочтительно (2,8:1)-(3,2:1).

Для получения БФА используют фосфорсодержащий, борсодержащий и алюмосодержащий компоненты. 65

В качестве фосфорсодержащего ком понента используют преимущественно ортофосфорную кислоту концентрации

70-86 вес.%, предпочтительно 86%.

Возможно использование фосфорного ангидрида, полифосфорной .кислоты и т.п.

В.качестве борсодержащего компонента предпочтительно использование борной кислоты, хотя не исключаются и другие борсодержащие вещества,на-. пример борный ангидрид, бораты щелочных металлов и т.п.

В качестве алюмосодержащего компонента предпочтительно использовать тригидрат окиси алюминия

A8gOg ЗН О.

Реакция между компонентами, указанными как предпочтительные, протекает с экзотермическим эффектом, поэтому для первоначального нагрева достаточно механического перемешивания этих компонентов. При этом температура реакционной смеси самопроизвольно поднимается до 93-110 С. По достижению этой температуры с целью полного завершения реакции реакционную смесь нагревают в течение 0,52 ч до 105-121 С.

Общая продолжительность реакции полного образования БФА составляет

1-4 ч, преимущественно 2-3 ч.

Другим ингредиентом связующего является вода. Она может быть полностью или частично введена в связующую систему в виде носителя для

БФА. Но она также может быть введена в формовочную массу в виде отдельной составной части. Предпочтительным, однако, является вариант, когда вода полностью вводится в готовый БФА.

Содержание воды составляет 1550 вес.Ъ, преимущественно 2040 вес.%, в расчете на общий вес БФА и воды. Вязкость полученного таким образом водного раствора БФА составляет 100-2000 сП, преимущественно

200-1000 сП.

Использование БФА вместо фосфата алюминия, не содержащего атомов бора,,позволяет повысить конечную прочность иэделий из формовочной массы. Бор способствует некоторому замедлению реакции взаимодействия фосфата алюминия и окисного соединения щелочноземельного металла, за счет чего улучшаются воэможности регулирования скорости отверждения формовочной массы в желаемом направлении.

Кроме того, бор в составе БФА способствует стабилизации прочности отформованных изделий, препятствуя их разупрочнению при длительной выдержке на воздухе. Наконец,бор в составе БФА способствует существенному повышению стабильности водных растворов БФА при хранении, предотвращая образование в них осадка.

876052

При содержании бора в БФА ниже обусловленного нижнего предела от.меченные эффекты не наблюдаются или проявляются в весьма слабой степени, а при содержании его в БФА выше обусловленного верхнего предела излишне замедляется скорость взаимодействия БФА с окисными соединениями щелочноземельных металлов и, соот ветственно, резко снижается скорость холодного отверждения изделий s ос настке.

Материал на основе окисного соединения щелочноэемельного металла (ОСЩМ) в системе комплексного связукщего может рассматриваться как отвердитель.

t5

Примером материалов на основе

ОСЩИ являются окись магния, окись кальция, силикат кальция, алюминат кальция, кальцийалюмосиликаты,силикат магния, алюминат магния.Пригод- 20 ны также цирконаты, бораты и титанаты щелочноземельных металлов.

Наиболее предпочтительно применять свободные окиси щелочноземельных металлов или смеси, состоящие из сво- 5 бодных окисей щелочноэемельных металлов и веществ, которые содержат щелочноземельный металл и окись в комбинации с другими составными частями, например алюминатом кальция. Предпоч- 3g тительной окисью щелочноземельного металла является окись магния.

В качестве окиси магния применимы, например, технические сорта магнезии и кальцинированной окиси магния.

При использовании ОСЩМ типа силиката кальция следует предпочесть волластонит - высокочистый минерал,. который содержит окись кальция и двуокись кремния в эквимолярном соотношении. Технический алюминат каль- 40 ция, который также является одним из примеров ОСЩМ содержит в большинстве случаев примерно от 15 до 40 весовых процентов окиси кальция и примерно от .35 до 80 весовых процентов окиси 45 алюминия, причем общее количество окиси кальция и окиси алюминия составляет минимум 70 весовых процентов.

Также можно применять алюминаты кальция с более высоким содержанием окиси кальция.

Смеси из свободной окиси щелочноземельного металла и вещества, содержащего наряду со свободной окисью или гидроокисью и щелочноэемельным металлом другие составные части,содержат преимущественно от 1 до 10 весовых частей предпочтительно от 2 до

8 весовых частей свободной окиси щелочноземельного металла на 1 весовую часть вещества, содержащего другие 40 составные части.

Преимущественно комбинации подобного типа состоят из окиси магния и алюмината кальция. Свободная окись щелочноэемельного металла, например окись магния, в первую очередь ответственна в подобных смесях эа быструю скорость отверждения, в то время как другие компоненты, например, алюминат кальция, главным образом улучшает прочностные свойства изготовленной формы.

Для облегчения в обращении соеди нения щелочноземельных металлов ITpHменяют в некоторых случаях в форме взвесей или суспенэий в жидком разбавителе. В качестве примера разбавителей могут быть указаны такие спирты, как этиленгликоль и фуриловый спирт, такие сложные эфиры, как этиленгликольалкилэфироацетаты, такие углеводороды, как керосин и лигроин и жидкие ароматические углеводороды, а также емеси укаэанных разбавителей.

В некоторых случаях с целью стабилизации суспенэии в нее добавляют до

10 вес. %, предпочтительно до 5 вес. В суспендирующего средства, в качестве

| которого могут быть использованы,например, производные монтмориллонита, высокодисперсная кремневая кислота или высокомолекулярные образующие коллоидные растворы, карбоксивинилполимериэаты.

Соединения щелочноземельных метал« лов и разбавитель смешивают в большинстве случаев в весовом соотношении от 1:3 до 3:1 преимущественно от 1:2 до 2:1. В сравнении с другими разба- вителями неполярные углеводороды приводят к получению связукших, характеризующихся лучшими прочностными свойствами. Также такие спирты, как этиленгликоль и фуриловый спирт, являются предпочтительными раэбавителями, поскольку они повышают живучесть, формовочных масс беэ одновременного увеличения времени отверждения. Однако, в случае применения таких спиртов,как этиленгликоль и фуриловый спирт, несколько ухудшаются прочностные свойства литейных форм.

При содержании материала на основе ОСЩМ в составе комплексного свя зующего ниже обусловленного нижнего предела наблюдается реэхое замедление скорости отверждения изделий из формовочной массы,. а -при содержании его выше обусловленного верхнего предела черезмерно сокращается живучесть формовочной массы и затрудняется ее переработка.

Удельная поверхность материала на основе ОСЩМ, измеренная методом низ-. котемперагурной адсорбции аэо;а (методом BET}, должна составлять 0,18,5 м /г,предпочтительно 3 м /r. Чем менее реакционноспособен по отношению к БФА материал на основе ОСЩМ, в частности, чем меньше содержание активной свободной окиси или гидроокиси щелочноэемельного металла,теы выше должна выбираться (в указанных пределах) удельная поверхность. С

876052 другой стороны, если материал на основе ОСЩМ преимущественно или пол-. ностью состоит иэ активной свободной окиси или гидроокиси щелочноэемельного металла, еro повышенная (близкая к верхнему укаэанному пределу) 5 удельная поверхность может привести ! к нежелательному сокращению живу чести формовочной массы. В этом случае необходимо использовать современные смесеприготовительные агрегаты, обеспечивающие. высокую. интенсивность и минимальную продолжительность перемешивания ингредиентбв массы.

При значении удельной поверхности материалов на основе ОСЩМ ниже и выше обусловленных пределов, наблюдается, 15 соответственно, замедление скорости отверждения и уменьшение живучести формовочной массы.

И в том и в другом случаях свойства формовочной массы не отвечают 20 требованиям технологичности.

В качестве огнеупорного наполнителя при изготовлении литейных форм и стержней предпочтительно применение кварцевого песка с содеРжанием дву- 5 окиси кремния не менее 70%, предпочтительно не,менее 85% при среднем размере зерен 0,100-0,290 мм, по крайней мере, для 80 вес.%, предпоч- тительно 90 вес.%, кварцевого песка.

Кроме кварцевого песка. возможно использование других огнеупорных наполнителей, например циркона., оливина, хромита, алюмосиликатного песка.

Юля получения форм точного литья 33 выбирается огнеупорный наполнитель, который, по крайней мере, на 80%, преимущественно на 90% своей массы состоит из зерен с размером 0,0440,074 мм.

При этом в качестве огнеупорного 40 наполнителя могут быть применены плавленный кварц, циркон, магнийсиликатный песок, например, оливин и алюмосиликатный песок. для получения огнеупорных, напри- 4 ,.ме керамических изделий выбирается

or порный наполнитель, который, по кр ей мере, на 80%, преимущественно фф 90% своей массы, состоит иэ

sep%I4. с размером не более 0,074 мм, предпочтительно не более 0,44 мм.

Применяемая при изготовлении огнеупорных материалов формовочная масса должна выдерживать температуру отверждения выше 815 С, так как огне- . упорные материалы, соответствующие целям их применения подвергают спеканию. Подходящим для подобной цели огнеупорным наполиителем являются, например, обладающие высокой температурой плавления окиси карбиды,ннт- Я) риды и силициды например силициды алюминия, свинца, хрома, циркония и окись кремния, а также карбид кремния, иитрид титана, нитрид бора,силицид молибдена и такое содержащее углерод вещество, как графит. Можно применять также комбинации указанных наполнителей или комбинации порошков металлов и керамических веществ.

В качестве примера веществ,иэ которых состоят частицы для изготовления абразивных материалов могут быть указаны окись алюминия, карбид кремния, карбид бора, корунд, гранат и шмиргель, а также их комбинации. Размер абразивных зерен соответствует обычно принятой для абразивных изделий. величине.

К абразивным частицам могут быть добавлены неорганические огнеупорные наполнители, например криолит, плавиковый шпат, двуокись кремния, состоя щие на 85%, преимущественно на 95%. своей массы иэ зерен с размером не более 0,074 мм. В этом случае содержание укаэанного огнеупорного наполнителя составляет 1-30 вес.% от суммарного содержания абразивного материала и огнеупорного наполнителя.

Предпочтительно для всех случаев применения формовочной массы использовать огнеупорный наполыитель с содержанием влаги порядка 0,3%.

Содержание комплексного связующего в составе формовочной массы составляет при изготовлении литейных стержней и форм - не более 10 вес.%, преимущественно 0,5-7 вес.%, предпочтительно 1-5 вес.%; при изготовлении стержней и форм для точного литья и при изготовлении огнеупорных иэделий - не более 40 вес.%, преимущественно 5-20 вес.%; при изготовлении абразивных изделий — не более

25 вес.%, преимущественно 5-15 вес.%.

При содержании комплексного связующего в составе предложенной формовочной массы ниже обусловленного нижнего предела не достигается необходимой прочности изготавливаемых иэ массы изделий, а при содержании его выше обусловленного верхнего предела имеет место ненужное удоро.жание иэделий беэ достижения какихлибо новых технологических преимуществ.

Предложенное комплексное связующее, как можно заключить из приведенных сведений, хранится и поставляется в виде двух отдельных частей, которые приходят в контакт друг с другом только в процессе приготовления смеси: первая часть — БФА и вода, вторая часть — материал на основе

ОСЩМ.

Обычный порядок приготовления формовочной массы подразумевает смешивание материала на основе ОСЩМ с огнеупорным наполнителем с последукщим введением и перемешиванием водного раствора БФА.

В некоторых случаях формовочная масса может содержать также,, известные добавки служебного назначения, 876052

10 например, окись железа, иэмельченнйе льняные волокна, древесную муку, глину и огнеупорные материалы.

Литейная формовочная масса отверждается при комнатной температуре в процессе химической реакции беэ нагревания извне. Отверждение проис» ходит по так называемому механизму

"air-cure" или, nno-bake". При этом

I температура отверждения обычно ле- . нт в интервале примерно 10-50 С. ()

Полученные из предложенной формовочной массы литейные формы обладают. к моменту извлечения из оснастки хорошей стойкостью к усадке и высоким сопротивлением в образованию трещин и по этой причине они.просты. в обращении и могут быть использованы непосредственно после извлече- .ния.

Областью применения стержней и форм из гредложенной массы является литье иэ черных сплавов (преимущественно чугунное) и литье иэ нежелезистых относительно низкоплавких цветных сплавов (сплавы аммония, меди, например латунь). 25

В отличие от известных формовочных смесей с связующим силикатом натрия (жидким стеклом) предложенная формовочная масса характеризуется облегченной выбиваемостью иэ отливок. В случае литья из цветных спла вов, когда температура прогрева стержней и форм оказывается недостаточной для требуемого разупрочнения предложенной формовочной массы, очистка отливок. существенно облегчается благодаря тому, что указанное раэупрочнение происходит после обработки стержней и форм водой. При этом. качество поверхности. алюминиевого литья является весьма высоким. . 40

Изобретение иллюстрируется приведенными примерами. Во всех приме-. рах содержание ингредиентов приведено в весовых частях, а отверждение отформованных образцов для испита- 45 ний протекает на воздухе при комнатной температуре. (Кроме специально !.. оговоренных случаев).

П р и,м е р 1. В реакцивнный сосуд, снабженный мешалкой, термо- 5() метром и редукционным клапаном,загружают при перемешивании 38000 частей 80%-ного водного раствора ортофосфорной кислоты, 307 частей борйой кислоты н 7720 частей гидратированной окиси алюминия. Реакционную смесь нагревают в течение 30 минут до 49 С и затем в течение следующих

20 минут проводят взаимодействие беэ наружного обогрева, причем тейпература 3а счет тепла экэотермической 60 реакции повышается до максимальной величины (примерно до 82 С). Непо" . средственно после этого реакционную смесь дополнительно нагревают в течение 70 минут до 113 С. Давление 65 в реакционной смеси повышается до

1,055 ати. Затем реакционную смесь в течение 45 минут охлаждают до

6& С, причем к ней одновременно прибавляют при перемешивании 5900 частей воды. Затем реакционную смесь охлаж1дают при давлении 76 мм рт.ст. до

28 С, доводят систему до атмосферного давления и в результате получают

52000 частей борированного фосфата алюминия с содержанием твердого ве- щества в количестве 66,6% вязкостью от 250 до 300 cG, с грамм-атомным соотношением фосфора к общему грамматомному количеству алюминия и бора

3:1 и содержанием бора 5 грамм-атомных процентов в расчете на грамм». атомное количество алюминия.

100 частей формовочного песка и

0,85 части суспензии иэ 0,4 частей керосина и 0,45 частей окиси магния с удельной поверхностью 2,3 .м /r перемешивали в течение 2 минут. Песок содержал 99,98% двуокиси кремния, 0,02% окиси железа, 0,10% окиси алю» миния, 0,15% двуокиси титана,0,01% окиси кальция и 0,005% окиси магния и обладал следующим фракционным составом: 0,4% более 420 мк, 11,2% более 297 мк, 35,2% более 210 мк, 37,4% более 149 мк, 10,8% более

105 мк, 4,0% более 74 мк, 0,8% более

63 мк, 0,8% более 53 мк, 0,2% более

44 мк и 66,92% тонкоиэмельченной (пылевой) фракции (AFS). В смесь вводили 3,,2 части борсодержащего фосфата алюминия и нроиэводили перемешивание в течение еще 2 мин.

Полученную формовочную массу для литейных форм уплотняли вручную в стандартные пробы для определения прочности при растяжении (стандарты

AFS). Прочность на растяжение испытуемых- образцов при комнатной температуре через 2 часа составляла

5,27 кГс/см через 4 ч — 7,38 кГс/см, через 6 ч — 9,84 кГс/см и через

24 ч — 11,95 кгс/см .Живучесть (benoh life) формовочной массы составляла 10 мин, а время отверждения (до извлечения иэ оснастки) составляло:от 35 до 40 мин. Устойчивость к образованию трещин к моменту извлеченияФиз оснастки была повышенной, а через 2 ч становилась очень высокой. М

П р и и е р 2. Описанный в примере 1 способ получения BCA повторяли и использовали 3.,5 вес.% этого

ВФА.в расчете на формовочный песок. .Прочность на растяжение этой формовочной массы составляла при комнатной температуре через 2 ч

5,27 кГс/см,череэ 4 ч - 8,44 кГс/см через 6 ч — 10,2 кГс/см и через

24 ч — 11,6 кГс/см . Образцы обладали высокой устойчивостью к образованию трещин через 2 ч. Живучесть массы составляла 10 мин. Время извлече876052

12 ния образцов из оснастки составляло от 40 до 45 мин.

Пример 3. 5000 частей формовочного песка и 35 частей взятой в весовом соотношении 2,5:1 смесй, состоящей из окиси магния и алюмината кальция с содержанием 58% окиси алюминия и 33% окиси кальция, перемешивали друг с другом в течение

2 мин, затем производили смешивание со 165 частями 66%-ного водного раст- о вора БФА, который получали в соответствии с примером 1, после чего смесь перемешивали в течение еще 2 мин.

Прочность на растяжение при комнатной температуре через 24 ч сос тавляла 11,95 кГс/см . Живучесть формовочной массы составляла 10 мин, время отверждения до извлечения из оснастки составляло 30 мин. К моменту извлечения устойчивость к образованию трещин была хорошей, а 20 спустя 2 ч — отличной.

Пример 4. Описанный в примере 3 состав приготавливали при использовании 30 частей смеси окиси магния и алюмината кальция. 25

Прочность на растяжение при комнатной температуре через 2 ч состав-, ляла 5,63 кГс/см через 4 ч

11,25 кГс/свР,через 6 ч — 12,55 кГс/см и через 24 ч — 13 8 кГс/см9.. Живу1

30 честь составляла 15 мин, время извлечения образцов из оснастки составляло 45 мин. /

Приводимые ниже примеры 5-9 поясняют влияние удельной поверхности окиси магния при использовании ее в качестве материала на основе ОСЩМ.

Пример, 5. 5000 частей кварцевого песка и 25 частей окиси магния с удельной поверхностью 2,3 м /r смешивали в течение 2 мин. Затем 40 производили добавление 165 частей

66%-ного водного раствора БФА,который получали в соответствии с примером 1, после чего смесь перемешивали в течение 2 мин. Полученная формо- 4 вочная масса имела живучесть от 10 до 20 мин °

Пример 6 ° Описанный в примере 5 состав приготавливали с применением окиси магния с удельной поверхностью 1,4 м /г, а также:ьФА с ь содержанием бора в количестве

10 грамм-атомных % в расчете на грамм«

:атомное количество алюминия. Живучесть формовочной массы для литейных форм составляла 15 мин.

Пример 7. Описанный в примере 6 состав приготавливали с применением окиси ма>"ния с удельной поверхностью 35,2 м /r. Живучесть Формовочной массы составляла менее . щ

2 мин, так что перемешивание в данном случае должно происходить очень быстро.

Пример 8. Описанный в при-! мере 6 состав приготавливали с при65 менением окиси магния с удельной поверхностью 61,3 м /г. Живучесть формовочной массы составляла менее

2 мин, так что необходим очень быст рый способ перемешивания.

Пример 9. Описанный в примере 5 состав приготавливали с применением окиси магния с удельной поверхностью 8,2 м /г, которая была получена в результате 24-часового кальцинирования технического продукта с торговой маркой "Мичиган 1782" при 1000 С. Далее производили смешивание с БФА с содержанием бора

30 грамм-атомных % в расчете на грамм-атомное содержание алюминия.

Живучесть формовочной массы составляла от 2 до 4 мин, так что можно применять обычный способ перемешивания. Но для некоторых областей применения эта живучесть может оказаться недостаточной.

Пример 10. В таблице 1 поясняется влияние содержания бора в

БФА на живучесть и время отверждения формовочных масс для литейных форм. Формовочные массы получали посредством двухминутного перемешивания 5000 частей кварцевого песка и укаэанного в таблице 1 количества взятой в весовом соотношении 2,5:1 смеси окиси магния и алюмината кальция с содержанием 58% окиси алюминия и 33% окиси кальция. Затем в массу добавляли 165 частей указанного в таблице 1 раствора БФА, который получали при грамм-атомном соотноше-

HHH фосфора к общему грамм-атомному количеству алюминия и бора 3:1.

Полученные через 24 ч и через

48 ч отверждения при комнатной температуре значения прочности на растяжение приведены в таблицах 2 и

3. Видно,что в большинстве случаев борсодержащий фосфат алюминия приводят к более высоким значениям предела прочности, чем фосфат алюминия беэ бора на растяжение.

Кроме того, прочность на растяжение в большинстве случаев увеличивается с повышением содержания бора в БФА.

Пример 11. По данным таблицы 4 можно сделать вывод об улучшении стабИльности при хранении водных растворов фосфата алюминия при добавлении бора.

Следующие примеры 12 и 13 поясняют улучшенные по сравнению с известными неорганическими связующими устойчи- . .вость к образованию трещин и стойкость к усадке при выемке литейной формы..

Пример 12. 20000 частей

Формовочного песка и 200 частей смеси, состоящей иэ 60 частей керосина, 85,6 части окиси магния и 34,4 части алюмината кальция с содержанием 58% окиси алюминия и 33% окиси. кальция

876052

Пример 15.. Повторяли пример 13, однако при использовании керосина с температурой вспышки 48,9 С и с областью температур кипения в интервале между 171 и 277 С. Прочность на растяжение у испытуемых образцов составляла через 2 ч 6,54, через 4 ч — 11,9, через б ч — 14,1, через 12 ч — 14,7 и через 96 ч -

9,5 кГс/см .

Живучесть"формовочной массы составляла 16 мин, а время до. извлечения образцов иэ оснастки равнялось

60 мин. Устойчивость к образованию трещин к моменту извлечения была

1 очень хорошей.

Пример 16. В реакционный

1сосуд, снабженный мешалкой, термометром и обратным холодильником, загружали 2445 частей 85Ъ-ной фосфорной кислоты. Затем при перемешивании производили добавление 67 частей бората натрия и перемешивание продолжали до образования прозрачного раствора. Полученный раствор при перемешивании смешивали с 540 частями гидратированной окиси алюминия. Взаимодействие протекало в течение примерно 40 мин, причем в результате протекания реакции с экзо-. перемешивали примерно в течение

2 мин. Затем к смеси прибавляли

660 частей 66%-ного водного раствора

БФА, полученного в соответствии с примером 1 с вязкостью от 250 до

300 сП, причем грамм-атомное соотношение фосфора к общему грамм-атомному количеству алюминия и бора составляло 3:1, а содержание бора составляло 10 грамм-атомных Ъ в расчете на грамм-атомное количество алюминия.

Затем смесь перемешивали дополнительно в течение 2 мин.

После этого из полученной формовочной массы изготавливали набивкой стержни размером 1,16 х 10,16 х 45,72 см и весом примерно 8,62 кГ. Живучесть i5 составляла 10 мин., Время извлечения стержней иэ оснастки составляло

45 мин. Устойчивость стержней к образованию трещин, условно оцениваемая по твердости, составляла к момен- 2О ту извлечения 85-90 ед., через 1 ч90-95 ед.

После извлечения из оснастки три стержня помещали горизонтально на край лабораторного стола таким образом, чтобы конец длиной 15-24 см выходил эа край стола. После 1-часовой выдержки стержней в указанном положении определяли отклонение rro отношению к горизонтальному положению, что составляло не более 1,59 мм.Дру- 3О гой опыт на определение отклонения осуществляли таким образом,что по три стержня устанавливали либо концами на опоры и не производили закрепление в средней части, либо 35 закрепляли в средней части, а концы оставляли свободными. КрОме того, испытывали вертикально устаиовленные стержни, которые устанавливали на торцы с поверхностью 10,16 х д) х 10,16 см. Ни у одного стержня не было обнаружено заметного оседания.

Также при выдерживании в течение

24 ч оседание не происходит.

Изготавливали два стержня с измерениями 10,16 х 10,16 х 45,72 см, у которых на расстоянии 7,62 см от каждого конца примерно на глубину

5,08 см вводили крючки. Один из стержней через 30 минут поднимали и подвешивали эа концы в горизонтальном положении. Стержень оседает и ломается через 3 мин. Через 45 мин вынимается другой стержень и сразу же устанавливается в горизонтальное положение на двух концах, В течение 55

24 ч он оставался беэ заметного осе-дания в этом положении.

Пример 13. 5000 частей формовочного песка и 50 частей продукта, состоящего из 20 частей тяжелого ц бензина (температура вспышки 53,3 С, о область температуры кипения от 180 до 204 С) и 30 частей смеси окиси магния и алюмината кальция, которая содержала 58% окиси алюминия и ЗЗЪ окиси кальция, причем окись магния и алюминат кальция находились в весовом соотношении 5:1, перемешивали в течение 2 мин.

Смесь соединяли со. 165 частями 67%-ного водного раствора БФА с соотношением грамм-атомов фосфора к сумме грамм-атомов алюминия и бора

3:1 и с содержанием бора в количестве 20 грамм-атомов в расчете на грамматомное количество алюминия и массу перемешивали в течение 2 мин, Прочность на растяжение составляла через 2 ч примерно 5,27, через

24 ч — примерно 13,7, через 48 ч примерно 13,2 и через 120 часов- примерно 13,0 кГс/см . Живучесть формо1 вочной,массы составляла 17 мии, а время извлечения образцов из оснастки равнялось 66 мин. Устойчивость к образованию трещин к моменту извлечения из оснастки была очень хорошей.

Пример 14. Повторяли пример

13, однако при использовании 20 частей тяжелого бензина с температурой вспышки 40,6ОС и областью температур кипения от 157 до 192 С.

Прочность на растяжение при комнатной температуре через 2 ч составляла примерно 4,92, через 24 ч — примерно 13,2, через 48 ч — примерно

13,9 и через 120 ч — примерно

11,2 кГс/см. Живучесть формовочной массы составляла 16 мин, а время извлечения образцов нэ оснастки равнялось 62 мин. Устойчивость к образованию трещин к моменту извлечения была очень хорошей.

15 876052

16 термическим эффектом температура поднималась до 104 С.

Посредством дополнительного нагревания температуру повышали до 117®С и в течение 2 часов поддерживали на указанном уровне для завершения хи- 5

}чического взаимодействия. После охлаждения реакционной смеси до ком.натной температуры получали 3052 части БФА с содержанием твердого вещества 75%, вязкостью примерно

40000 сП, соотношением грамм-атомов фосфора к сумме грамм-атомов алюминия и бора 3:1 и содержанием бора в количестве примерно 10 грамм-атомных % в расчете на грамм-атомное количество алюминия. 15

5000 частей формовочного песка и 30 .частей смеси окиси магния и алюмината кальция с 58% окиси алюминия и 33% окиси кальция, причем окись магния и алюминат кальция на- Щ ходились в весовом соотношении 2,5:1, перемешивали примерно в течение

2 мин. К смеси прибавляли 165 частей водного раствора БФА (66% твердого вещества, вязкость от 400 до 500 сП). р содержащего 146,5 части полученного указанным выше способом. БФА и

18,5 части воды и производили переме- шивание в течение еще 2 мин.

Прочность на растяжение у испытуемых образцов составляла при комнатной температуре через 2 ч — 8,8, через 4 ч — 11,6, через б ч — 11,2 и через 24 ч — 8,4 кГс/см . Твердость испытуемых образцов измеряли на приборе до определения твердости марки

674 (фирма "Дитерт"), йричем она составляла через 2 ч 75 ед., через . 4 ч — 72 ед., через б ч — 74 ед. и через 24 ч - 65 ед. Живучесть формовочной массы составляла 13 мин, à 4р время выдержки до извлечения из оснастки равнялось 42 мин.

Hp и м е р 17. Повторяли пример

16, однако при использовании фосфата алюминия, не содержащего бора.фосфат алюминия содержал 3 грамм-атома фосфора на грамм-атом алюминия..

Прочность на растяжение у испытуемых образцов составляла при комнатной температуре через 2 ч 6,7, через 4 ч и б ч — по 10,5 и через

24 часа — 6,7 кГс/см2.Живучесть формовочной массы составляла 12 мин,а время выдержки до извлечения образцов из оснастки равнялось 35 мин.

Твердость образцов составляла через

2 ч 73, через 4 ч - 69,,через б ч ,70 и через 24 ч - 66 ед.

Сравнение примеров 16 и 17 показывает, что твердость и конечная прочность литейных Форм из соответствую- бр щих настоящему изобретению формовочных масс выше, чем При использовании не содержащего бора фосфата алюминия, о чем отчетливо свидетельствуют значения предела прочности при растяжении через 24 ч хранения.

Пример 18. 10000 частей формовочного песка и 70 частей смеси, состоящей иэ окиси магния и алюминия кальция с 58% окиси алюминия и 33% окиси кальция, причем окись магния и алюминат кальция находились в весовом соотношении 2,5:1,перемешивали в течение 2 мин.

К смеси прибавляли 330 частей полученного в соответствии с примером

1 раствора БФА (66%-ное содержание твердого вещества, вязкость от 250 до 300 сП) с соотношением грамм-атомов фосфора к сумме грамм-атомов алюминия и бора 3:1 с содержанием бора в количестве 20 грамм-атомных процентов в расчете на грамм-атомное .количество алюминия, а затем производили перемешивание в течение еще 2 мин.

Из полученной формовочной массы для литейных форм иэготавливаЛи дискообразные образцы диаметром 17,8 см и толщиной 6,35 см. Дискообразные образцы (стержни) с обеих сторон в направлении своей оси имели стержневой знак диаметром 3,17 см и толщи- ной 1,27 см. Стержень помещали в песчаную форму с дискообраэным полым пространством диаметром 20,.3 см и высотой 8,9 см, с отверстием 3,17 см по оси и соответствующим отверстием для заливки металла. Стержень удерживался в нужном положении внутри формы с помощью стержневых знаков.

После заливки расплавленного алюминия с температурой 816 С металг.. давали возможность охладиться в тече" ние 24 часов до комнатной температуры. Непосредственно после этого форму механически разрушали примерно 4 ударами молотка, причем, происходило удаление примерно половины дискообразного стержня. После этого форму выдерживали в воде при комнатной температуре в течение 30 мин и затем устраняли остатки песчаного диска.

В результате получали полую .алюминиевую отливку, обладающую высоким качеством поверхности со стороны стержня.

Таким образом, приведенные примеры наглядно подтверждают реальность достижения целей настоящего изобретения, повышение прочности сцепления частиц огнеупорного наполнителя и предотвращение образования трещин при. извлечении .иэделий иэ оснастки.

876052

18

Таблица 1

68%-ный водный раствор фосфата алюминия

Содержание бора в БФА,%

66%-,ный водный раствор фосфата алюминия

25 частей 30 частей

MgO-Ca-алю- М90-Са-алюмнминатной натной смеси смеси

30 частей

НдО-Са-алюминатной смеси

25 частей

Mg О-Са-алюминатной смеси, 30

25/150

30/ у90

20/80

15/7 5

15/70

10/55

15/75

10/65

10/7 О

10/65

10/65

П р и м е ч а н и е: в числителе — живучесть, мину в знаменателе - время до извлечения образцов иэ оснастки,мин,. Ф Ir

Таблица 3

68%-ный водный раствор фосфата алюминия

Содержание бора в фосфате алюминия,%, 66%-ный водный раствор фосфата алюминия

30 частей

MgO-Са-алюминатной смеси

25 частей 30 частей

Mg О-Са-алю- Mg О- Са-алюминатной сме- минатной си смеси

25 частей

MgO-Са-алюминатной смеси ч, кГс/см

Прочность на растяжение через 24

11,53

11,17

11,39

12,33

12,8

11,74

12,23

9,28

9,49

9,84

11,6

9,84

10,55

1i,04

8,72

11, 39

11,04

7,24

10,55

Таблица 3

66%-ный водный раствор фосфата алюминия

68%-ный водный раствор фосфата алюминия

Содержание бора в фосфате алюминия, %

30 частей

Н90-Са-алюминатной смеси

25 частей

МдО-Са-алюминатной смеси

25 частей

НОО-Са-алюминатной смеси

30 частей MgO

-Са-алюминатной смеси

Прочность на растяжение через 48 ч, кГс/ем

12,8 10,97 12,0

11,,25

9,7

10,69

11,53

12,0

30/) 100

25/100

20/90

15/75

15/75

10/70

13,36

12, 73

11,95

11,39

20/80

15/60

15/60

10/60

10/55

10/50

10/50

12,09

10,26

9,35

10,33

10/50

10/50

10/50 10/50

876052

30 частей

М ОС4-алкиинатной смеси, 10

10,97

9,63

11,6

8, 86

11,1

10,55

11,95

10,33

8,15

11,53

10,69

8,86

8,86

9,14

9,14

7,94

9,84

6,33

8,44

9,98

1:3,8

20

1:3,8

1!3,8

1:3,6

1:3,6

1:3,6

1ф3,6

1:3,6

40

20

76

1:3,6

1:3,4

1:3,4

20

20

1:3,4

1:3,4

10

1:3,4

Содержание бора в фосфате алюминия, %

68%-ный водный раствор фосфата алюминия

25 частей

И О-Са -алюминатной смеси

Продолжение табл.З

66%-ный водный раствор фосфата алюминия

25 частей 30 частей M@0

МфО-Ссю-алю- -СФ-алюминатминатной смеси ной смеси

Та блица 4 через 11 месяцев без осадка через 11 месяцев беэ осадка через 11 месяцев .беэ осадка через 11 месяцев без осадка через 11 месяцев без осадка через 11 месяцев без осаДка через 10 месяцев появился осадок через 11 месяцев беэ осадка через 10 месяцев беэ осадка через 11 месяцев без осадка через 10 месяцев беэ осадка через,1,5 месяца без осадка, потом появляется осадок

876052

1:3,4

1t3t4

1т3,2

75

1г3,1

30

1й3,0

68

1ф3,0

67

30

20

68

67

20 65

75

133t0

68

10, 67

1 3,0

1:3,0

10

75 1г3,0

1г3,0

67.

133tO

133 jO и

1ç3,0 75

1з3,0

68 осадок

1f 3,0

1 3,0

113t0

1ю3,0

1 3,0

1 3,0

1г3,0

Продолаение табл.4 через 2 месяца без осадка, потом осадок через 1 месяц без осадка, потом осадок через 1 месяц без осадка, потом осадок через 10 месяцев появляется осадок без осадка црийерно через

12 месяцев без осадка 12 месяцев минимум 2,5 месяца без осадка, до 6 месяцев осадок минимум 10 месяцев без осадка, затем осадок минимум 2,5 месяца без осадка, До

6 месяцев осадок минимум 2,5 месяца без осадка, до 6 месяцев осадок.24

876052

Продолжение табл.4 (2 ) Э минимум 2,5 месяца беэ осадка, до б месяцев осадок

1и3,0

1е3,0

1 3,0

1:3iO

68 осадок примерно через 2,5 месяца

1 3,0 осадок примерно через 2,5 месяца

1t3i0

1 3i0 минимум 2,5 месяца без осадка, до б месяцев осадок

68

1:3i0 осадок примерно через 2,5 месяца

1 3i0

1 3,0

О, 67 небольшой осадок примерно через

2,5 месяца

65 изобретения формула

1. Масса для изготовления литейных стержней и форм, а также огнеупорных и абразивных изделий, включающая огнеупорный наполнитель и комплексное.связующее на основе фосфата 40 алюминия, отличающаяся тем, что, с целью повышения прочности сцепления частиц огнеупорного наполнителя и предотвращения образования трещин при извлечении изделий из оснастки, она содержит в качестве комплексного связующего борированный фосфат алюминия в сочетании с водой и материалом на основе oKHGHoI соединения щелочноземельного металла при gp следующем соотношении ингредиентов в вес.%;

Огнеупорный наполнитель 60,0-99,5

Комплексное связующее 0,5-40,0

Причем ингредиенты комплексного срязующего, а именно борированный фосфат алюминия в сочетании с водой и материалом на основе окисного соединения щелочноэемельного металла, 60 взяты при следующем соотношении в вес. Вг

Борированный фосфат алюминия 2516-87,3

Вода 5,7-63,4

Материал на основе окисного соединения щелочноэемельного металла 2,6-46,0

При этом содержание бора в борированном фосфате алюминия составляет

0,08-1,9 вес.Ъ при весовом отношении содержания фосфора к суммарному содержанию алюминия и бора (1,98:1)" (4,54:1).

2. Масса по п.1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что в качестве материала на основе окисного соеди нения щелочноэемельного металла она содержит окись или гидроокись щелочноземельного металла.

3. Масса по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ а я с я тем, что в качестве материала на основе окисного соединения щелочноэемельного металла она содержит окись магния.

4. Масса по п.1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что в, качестве материала на основе окисного соединения щелочноэемельного металла она содержит природные химические соединения щелочноземельного металла, включающие. наряду с щелочноземельным металлом и его окислом окисные соединения элементов, выбранных иэ группы следующего ряда: кремний, алюминий, цирконий бор, титан.

876052

26

Составитель С. Тепляков

Техред С.Мигунова Корректор М. Демчнк

Редактор О. Полозка

Тираж- 872 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делают изобретений и открытий

113035, Москва,. Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 9393/88

Филиал ППП "Патент",.r. Ужгород, ул. Проектная,4

5. Масса по пп. 1-4, о т л ич а ю щ а я с я тем, что в качестве материала на основе окисного соединения щелочноземельного металла она содержит силикаты, алюмосиликаты, алюминаты, цирконаты, бораты, титанаты щелочноземельного металла.

6. Масса по п.1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что в качестве материала на основе окисного соединения щелочноземельного металла она содержит окись или гидроокись щелочноземельного металла в сочетании с природным химическим соединением щелочноземельного металла, включающим наряду с щелочноземельным металлом и его окислом окисные соединения элементов, выбранных из группы .сле дующего ряда: кремний, алюминий,цир= коннй, 6op, титан при весовом соотношении (2:1)-(8:1) между окисью или гидроокнсью щелочноземельного металла . указанным природным химическим соединением щелочноземельного металла.

7. Масса по пп. 1-6, о т л ич а ю щ а я с я тем, что материал на основе окисного соединения щелочноземельного металла имеет удельную поверхность 0,01-8,5 м /г,измеренную методом ниэкотемпературной адсорбцни азота.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. "3mono. 7 . /арап Foundryman S

Soc . 1969, 41, 6,415-422.