смесь наливная самотвердеющая для изготовления форм и стержней при производстве отливок по выплавляемым моделям

Формула изобретения

Смесь наливная самотвердеющая для изготовления форм и стержней при производстве отливок по выплавляемым моделям, включающая мелкодисперсный наполнитель на основе кремнезема, портландцемент и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит нитрат алюминия девятиводный при следующем соотношении указанных ингредиентов, мас.%:

Портландцемент 12,72-17,90

Мелкодисперсный кварцевый песок 53,00-58,80

Нитрат алюминия девятиводный 1,79-3,18

Вода Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении форм и стержней в производстве как художественных и ювелирных, так и технических отливок из сплавов цветных и черных металлов, получаемых литьем по выплавляемым моделям (ЛВМ).

В настоящее время в художественном и ювелирном литье наибольшее распространение получили смеси на гипсовом связующем /1/, а также смеси на основе гидролизованного этилсиликата (ЭТС) /2/.

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 оболочковые формы на основе ЭТС обладает рядом недостатков:

- длительность и многостадийность формирования многослойной оболочки;

- дороговизна компонентов связующего - этилсиликата и спирта;

- вредные и пожароопасные условия труда в связи с использованием этилсиликатного связующего.

Наиболее близкой по технической сущности является самотвердеющая смесь с цементом в качестве связующего /3, с.116/. В соответствии с указанным прототипом смесь включает кварцевый песок, портландцемент,

поверхностно - активное вещество, сульфат алюминия, силикат натрия и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

портландцемент 12,72...17,90;

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

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

вода - остальное.

Принцип изготовления объемных форм в литье по выплавляемым моделям заключается в том, что готовый модельный блок, установленный в опоку, заливают формовочной массой. Поэтому по своей консистенции формовочная масса должна быть суспензией с хорошей жидкоподвижностью. Данное же техническое решение содержит малое количество затворителя - воды, которое не обеспечивает необходимую текучесть формовочной смеси, позволяющую заполнять все поднутрения модели.

Формовочная смесь данного состав дает возможность получать отливки из сплавов черных металлов в промышленном производстве по постоянным моделям.

Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:

- Неудовлетворительные реологические свойства смеси применительно для литья по выплавляемым моделям, неспособность ею полностью заполнять рабочий объем опоки и внутреннюю полость модели (формировать стержень), особенно при изготовлении сложнопрофильных отливок с развитой поверхностью, наличием поднутрений, труднозаливаемых полостей

вследствие низкой текучести смеси.

- Смесь-прототип не предусматривает нагрева, а после прокалки обладает низкой прочностью, отсюда происходит разрушение формы уже во время заливки ее металлом, и вследствие этого брак отливок по засорам, искажению формы и геометрических размеров и, в конечном счете, невозможность получения качественной отливки литьем по выплавляемым моделям.

- Наличие пригара на отливках черных металлов вследствие взаимодействия заливаемого сплава с жидким стеклом.

- Применение в смеси неизмельченного кварцевого песка дает отливки с повышенной шероховатостью поверхности.

Многокомпонентность смеси предполагает сложность процесса ее приготовления. Таким образом, смесь прототипа не позволяет получить качественные отливки как из черных, так и цветных сплавов методом литья по выплавляемым моделям.

В основу изобретения положена цель - создание такой наливной самотвердеющей смеси для изготовления отливок из черных и цветных сплавов по выплавляемым моделям, которая обеспечила бы 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 менее трудоемким, при этом себестоимость изготовления изделий должна быть ниже, чем в аналогичных способах.

Указанная цель достигается тем, что смесь наливная самотвердеющая для изготовления форм и стержней при производстве отливок по выплавляемым моделям, включающая мелкодисперсный наполнитель на основе кремнезема, портландцемент и воду, согласно изобретению содержит нитрат алюминия девятиводный при следующем соотношении указанных ингредиентов, мас.%:

портландцемент 12,72...17,90;

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

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

вода - остальное.

Нитрат алюминия девятиводный ГОСТ 3757-75 вводится растворением его в водопроводной или дистиллированной воде в процессе приготовления формовочной 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. Это приводит к отсутствию седиментации в водном затворителе, обеспечивая стабильность свойств суспензии на цементном связующем, а простота ее состава и легкость введения нитрата алюминия упрощают процесс по сравнению с прототипом. При прокалке форм нитрат алюминия разлагается в интервале температур 150-200°С с образованием оксидов азота и Аl₂О₃, 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, вероятнее всего, по причине изменения характера роста кристаллогидратов. В то же время прочность остается на достаточном уровне, обеспечивающем заливку металла и высокое качество форм.

В заявленном техническом решении по сравнению с прототипом увеличено содержание затворителя почти в четыре раза, что делает смесь суспензией по консистенции, пригодной для изготовления наливных объемных форм для литья как мелких, так и крупногабаритных изделий.

Диспергирование частиц кварцевого песка до зернистости 50...160 мкм обеспечивает высокое качество отпечатка форм на цементном связующем, а также их требуемые физико-механические характеристики. При этом диспергирование может быть осуществлено простым помолом кварцевого песка, например марок 3К₃О₂О3 или 5К₃О₂ О3 (ГОСТ 213 8-91).

Применение в качестве связующего портландцемента позволяет получать отливки из сплавов черных металлов с высокой температурой заливки, так как цемент, в отличие от гипса, гораздо устойчивее к действию высоких температур.

Подготовку заявляемой смеси для изготовления форм и стержней на цементном связующем при производстве отливок из цветных, черных и драгоценных сплавов осуществляют следующим образом. Навешивают расчетное количество портландцемента и диспергированного кварцевого песка. Затем отмеряют необходимое количество воды и растворяют в ней нужное количество нитрата алюминия.

Перед изготовлением форм и стержней в предварительно подготовленный затворитель, из расчета 360...380 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих засыпают портландцемент, перемешивают в течение 0,5-1 мин и затем засыпают песок. Далее смесь тщательно перемешивают при скорости вращения крыльчатки 3000...6000 об/мин. После этого суспензия используется для изготовления форм и стержней. При потере смесью достаточного уровня текучести возможно разжижить ее вновь дополнительным перемешиванием. После изготовления форма сушится, затем производится вытопка (удаление) модельного состава горячим воздухом при температуре 120-160°С и прокалка форм при 550°-700°С. Температура форм перед заливкой металла снижается до 400-500°С.

Содержание в предлагаемой смеси портландцемента менее 12,72 мас.%, приводит к увеличению времени ее загустевания, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на прочности, осыпаемости готовых форм и седиментационной устойчивости самой формовочной смеси, а также к снижению качества поверхности готовой отливки. Причиной этого является недостаток связующего материала в формовочной смеси. Напротив, содержание портландцемента более 17,90 мас.%, приводит к чрезмерному увеличению прочности и ухудшению выбиваемости, а также удорожанию формовочной смеси.

Количество нитрата алюминия девятиводного в составе смеси 1,79...3,18 мас.% является оптимальным с позиции живучести смеси, максимальной седиментационной устойчивости суспензии, малой осыпаемости форм и легкой выбиваемости формовочной смеси. Содержание в смеси нитрата алюминия менее 1,79 мас.% приводит к чрезмерному увеличению времени начала затвердевания смеси, расслоению ее, а так же затрудненной выбиваемости отливок из форм вследствие высокой прочности смеси после заливки их металлом. Содержание нитрата алюминия более 3,18% приводит к быстрому схватыванию смеси, то есть к потере способности перемешиваться, заполнять полость опоки и, следовательно, невозможности получения качественных отливок.

Также на эти свойства суспензии и готовой формы оказывает влияние затворитель (вода), оптимальное количество которого находится в пределах 36-38 мас. ч. на 100 мас. ч. сухих компонентов смеси.

В заявленном составе рекомендуется использовать портландцемент по ГОСТ 10178-85.

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

Пример. Готовят сухую смесь из портландцемента марки ПЦ-400 (ГОСТ 10178-85) и диспергированного кварцевого песка. Затем взвешивают нитрат алюминия и растворяют его в затворителе - дистиллированной воде, далее вводят саму сухую смесь 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.

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) 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.

Таблица 1 Составы смесей
Наименование ингредиентов	Количество ингредиентов, % масс., в смесях
	прототип	1	2	3	4	5
Портландцемент	8,0	12,90	12,72	17,9	17,67	14,23
Кварцевый песок	81,0	-	-	-	-	-
Мелкодиспереный кварцевый песок	-	58,80	57,95	53,76	53,00	56,94
Поверхностно-активное вещество	3,5	-	-	-	-	-
Нитрат алюминия девятиводный	-	1,79	3,18	1,79	3,18	2,49
Сульфат алюминия	1,0	-	-	-	-	-
Силикат натрия	2,0	-	-	-	-	-
Вода	Остальное			Остальное

Прочность форм определяли, испытывая на сжатие стандартные образцы диаметром и высотой 50 мм после выдержки на 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 приведены в табл.2.

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси позволяет в 1,2-1,5 раза уменьшить КТЛР, повысить прочность форм после прокалки в 6-10 раз до уровня, который обеспечивает получение качественных отливок и препятствует разрушению формы во время заливки металла, понизить осыпаемость форм после прокалки и улучшить в 2-16 раз качество поверхности отливки.

Таблица 2 Результаты испытаний
Показатели	Результаты испытаний смесей по составам
	прототип	1	2	3	4	5
1. КТЛР смеси в интервале температур 20...800, 10-5, 1/°C	1,31	1,09	1,09	0,86	0,86	0,91
2. Прочность форм при сжатии, МПа:
а) выдержка на воздухе 24 часа	0,28	0,23	0,25	0,31	0,33	0,28
б) выдержка на воздухе 72 часа	0,31	0,51	0,51	0,91	0,92	0,56
в) после прокалки	0,03	0,23	0,17	0,29	0,22	0,22
3. Осыпаемость форм после прокалки, %	100	1,26	1.75	0,59	1,16	1,18
4. Шероховатость поверхности отливки Rz , мкм	160-320	20-80	20-80	20-80	20-80	20-80

Смесь прошла промышленные испытания на ЗАО "Уральская бронза" (г. Челябинск) на широкой номенклатуре художественных отливок массой от 50 г до 80 кг. Были получены качественные отливки, себестоимость которых в 1,8-2 раза ниже, чем при производстве в оболочковые формы на основе гидролизованного этилсиликата.

Учитывая улучшенный комплекс технологических свойств смеси, ее универсальный характер, заявленный состав может быть использован в точном литье практически на любом предприятии страны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 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.

2. Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литье. - СПб.: Политехника, 1996. - 213 с.

3. Дорошенко С.П., Ващенко К.И. Наливная формовка: Монография.: - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1980. - 176 с.