Способ изготовления литейных стержней и форм по холодной оснастке

 

Использование: в литейном производстве при изготовлении тонкорельефных, в частности, художественных отливок со сложными полостями и конфигурацией. Сущность: способ включает плакирование огнеупорного наполнителя гелеобразователем, засыпку его в оснастку и подачу в него гелеобразующего связующего раствора, плакированный наполнитель перед засыпкой в оснастку дополнительно обрабатывают ингибитором отверждения связующего, а после засыпки создают в оснастке разрежение воздуха с остаточным давлением 0, 01 -0,05 МПа и затем вводят связующее, и плакирование огнеупорного наполнителя осуществляют водным раствором алюмохлорида 1250-1270 кг/м³ и феррохромовым шлаком, взятыми в отношении /1 -2/:1 по массе, а в качестве связующего для пропитки плакированного наполнителя в оснастке используют раствор жидкого стекла плотностью 1250 - 1350 кг/м³ и модулем 2,6 -3,0, при этом обработку ингибитором проводят путем впрыскивания его в виде аэрозоля в наполнитель, находящийся в псевдоожиженном состоянии, со скоростью /2 - 3/·10^-6 кг/с на 1м² поверхности частиц наполнителя. 1 табл. 3 з.п. ф-лы,

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении стержней и форм по холодной оснастке преимущественно для получения художественных и других тонкостенных отливок со сложными полостями.

При изготовлении тонкостенных, например кабинетных художественных отливок для обеспечения минимальной массы и качественного поверхностного рельефа, используют литейные стержни.

В отличие от традиционных указанные стержни имеют знаковые части от концов проволочно-сварных каркасов, устанавливаемых в стержневые ящики при их формировании, и сложную конфигурацию поверхности, выполняемую в оснастке, как правило, несколькими отъемными частями. Учитывая жесткие требования к массе и геометрической точности отливок, затрудненные условия для выхода газов при заливке и удаления смеси из их внутренней полости, применяемые стержни должны обладать высокой точностью размеров и конфигурации, минимальной газотворной способностью и хорошей выбиваемостью из отливок.

В настоящее время стержни для художественного литья по выплавляемым моделям получают комбинированным способом, при котором в стержневом ящике с установленным каркасом сначала путем набивки формируют опорную часть стержня из обычной смеси на сульфитно-спиртовой барде, а затем вне оснастки на высушенный опорный стержень наносят два слоя огнеупорного покрытия из этилсиликатной суспензии на пылевидном кварце с обсыпкой песком. Способ обеспечивает хорошую выбиваемость стержней из отливок, однако из-за колебаний в степени набивки смеси, неравномерности нанесения покрытия и склонности стержней к трещинообразаванию при их обработке не достигаются требуемые их размерная точность и воспроизводимость конфигурации. Из-за больших ударных нагрузок при ручной смеси применяемая оснастка быстро выходит из строя.

Чтобы достичь высокой точности и стабильности изготовления стержней с каркасами-знаками, их формирование и отверждения необходимо производить в собранных стержневых ящиках с использованием смеси, обладающей хорошей сыпучестью. Это обеспечивается изготовлением стержней непосредственно в оснастке из сыпучих холоднотвердеющих смесей с различными отвердителями, например по CO₂ и ХТС-процессам.

При этом стержни, используемые в производстве литья по выплавляемым моделям (ЛВМ), являясь элементами керамических форм, должны выдерживать без нарушения геометрии длительную высокотемпературную прокалку.

Известен способ изготовления керамических стержней по холодной оснастке из смеси, состоящей из кварцевого песка и жидкого стекла, засыпку и уплотнение которой в стержневом ящике осуществляют надувкой, после чего заформованную смесь отверждают углекислым газом. Отвержденные стержни затем после выемки из оснастки пропитывают спиртовым гидролизованным раствором этилсиликата-40 и окончательно высушивают.

Недостатками данного способа являются неудовлетворительная сыпучесть используемой смеси из-за ее повышенной влажности(3-4%) и наличии связующего, ограниченная живучесть смеси, применение специальных, трудоемких методов ее уплотнения (надувка, выстрел) и отверждения (CO₂- процесс), низкая выбиваемость стержней из отливок, нарушение геометрии сложных по конфигурации, протяженных и массовых стержней в процессе их прокалки совместно с керамической формой в производстве ЛВМ.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ изготовления литейных стержней и форм по холодной оснастке, включающий плакирование онгеупорного наполнителя гелеобразователем, засыпку его в оснастку и подачу в него под воздушным давлением гелеобразующего связующего раствора с последующим извлечением стержня из оснастки поверхностной подушкой и пропиткой в упрочняющем растворе.

Известное техническое решение обеспечивает высокие значения сыпучести и формуемости смеси под действием вибрации, неограниченный срок ее хранения, точность воспроизведения стержнем ( формой) сложной поверхности оснастки, возможность удаления непропитанной в упрочняющем растворе части стержней из отливок простым высыпанием смеси.

Вместе с тем данный способ имеет следующие существенные недостатки: после извлечения стержня из оснастки в процессе естественной сушки на воздухе или нагреве наблюдается резкое увеличение осыпаемости; обработка в упрочняющем составе до момента появления осыпаемости стержней (форм) приводит к формированию неравномерного по толщине, отслаивающегося в процессе прокалки покрытия, нарушающего точность геометрии стержней и форм; пропитка упрочняющим составом в условиях повышенной осыпаемости поверхностных слоев (форм) является крайне нетехнологической и трудоемкой операцией; наличие воздушного противодавления в оснастке при высокой скорости отверждения пропитывающего связующего раствора под действием плакированного гелеобразователем наполнителя приводит к неполноте и нестабильности процесса пропитки, снижению качества стержней и форм, в особенности изготавливаемых в оснастке с небольшим количеством труднодоступных карманов, поднутрений и отъемных частей; пропитанный упрочняющим составом (жидкое стекло) слой стержня (форм) толщиной (3 5).10^-3м после операции прокалки в техпроцессе ЛВМ оказывается полностью спекшимся и трудноудалимым из отливки при выбивке; недостаточный уровень прочности смеси, в особенности при температурах прокалки керамических форм, для получения особо сложных по конфигурации и тонкорельефных стержней; многооперационность техпроцесса ( промежуточные сушки, обработка в упрочняющем составе и т.д.), использование в качестве связующего дорогостоящего этилсиликата, проведение его гидролиза с применением органических растворителей увеличивают трудоемкость, стоимость и цикл изготовления стержней и форм, снижают безопасность технологии.

В основу изобретения положена задача создать такой способ изготовления литейных стержней и форм, который обеспечивал бы повышение качества производства особо сложных по конфигурации тонкорельефных отливок за счет увеличения прочности и исключения осыпаемости, улучшения выбиваемости, сокращения трудоемкости, стоимости и цикла изготовления стержней и форм.

Указанная задача решается тем, что в способе изготовления литейных стержней и форм по холодной оснастке преимущественно для художественного литья, включающем плакированием огнеупорного наполнителя гелеобразователем, засыпку его в оснастку и подачу в него гелеобразующегося связующего раствора, плакированный наполнитель перед засыпкой в оснастку дополнительно обрабатывают ингибитором отверждения связующего, а после засыпки создают в оснастке разрежения воздуха с остаточным давлением 0,01 0,05 МПа и затем вводят связующее.

Цель изобретения достигается также тем, что в предлагаемом способе плакирование огнеупорного наполнителя осуществляют водным раствором алюмохлорида 1250 1270 кг/м³ и феррохромовым шлаком, взятыми в соотношении (1 2)1 по массе.

Кроме того, для достижения поставленной цели обработку ингибитором отверждения связующего осуществляют путем его впрыскивания в виде аэрозоля в наполнитель, находящийся в псевдоожиженном состоянии, причем скорость впрыскивания (2 -3)10^-6кг/с на 1м² поверхности частиц наполнителя.

Указанная задача решается также тем, что в вакуумированную оснастку, заполненную плакированным гелеобразователем наполнителем, вводят раствор жидкого стекла плотностью 1250 -1350 кг/м³ и модулем 2,6 3,0.

Обработка плакированного гелеобразователем наполнителя ингибитором отверждения связующего и создание разрежения воздуха (вакуума) в оснастке обеспечивают снижение скорости коагуляции связующего раствора при его принудительной фильтрации через плакированный наполнитель, равномерное во всем объеме оснастки отверждение смеси, полноту и стабильность заполнения связующим межзернового пространства плакированного наполнителя в оснастке, в особенности с труднодоступными карманами, поднутрениями и большим числом отъемных частей, а следовательно, гарантируют высокие точность и качество стержней, форм и отливок сложных конфигураций.

Плакирование наполнителя водным раствором алюмохлорида и феррохромовым шлаком создает условия для формирования в процессе принудительной фильтрации водного раствора жидкого стекла через такой плакированный наполнитель, засыпанный в оснастку с разрежением воздуха, прочности смеси вследствие гелеобразования фильтрующегося связующего. При этом отсутствует сразу после изготовления и не возникает при хранении и термообработке осыпаемость стержней, а прокалка(900 950^oC, 3 4 ч) в производстве ЛВМ не нарушает точность их геометрии из-за повышенной прочности смеси при этих температурах в связи с взаимодействием плакирующего слоя наполнителя (алюмохлорид, феррохромовый шлак) и жидкостекольного связующего и образованием продуктов реакции, более тугоплавких, чем исходное жидкое стекло, используемое в качестве упрочняющего состава в прототипе.

Образование в процессе прокалки сложных связующих систем типа SiO₂·Na₂O·Al₂O₃·CaO снижает спекаемость зерен наполнителя и работу выбивки стержней (форм) после формирования отливки.

Отработка плакированного гелеобразователем наполнителя ингибитором отверждения связующего увеличивает краевой угол смачивания наполнителя фильтрующимся жидкостекольным связующим раствором, обеспечивая повышение его адгезионной прочности и улучшение качества изготовления стержней и форм, в особенности с большим количеством тонких тонкорельефных частей.

Проведение обработки наполнителя путем впрыскивания ингибитора в виде аэрозоля в наполнитель, находящийся в псевдоожиженном состоянии, обеспечивает его минимальную влажность и равномерность покрытия зерен ингибитором, растворяющимся в связующем растворе в процессе принудительной фильтрации через наполнитель такой структуры и лимитирующим взаимодействие раствора с гелеобразователем на зернах наполнителя. Это улучшает проникновение связующего в наполнитель, позволяет регулировать скорость процесса отверждения. В результате достигаются высокие сыпучесть и формуемость подготовленного наполнителя, стабильность структурообразования геля связующего при изготовлении протяженных и масивных стержней и форм особо сложной конфигурации.

Использование в качестве пропитывающего раствора жидкостекольного связующего вместо дорогостоящего гидролизованного раствора этилсиликата, отсутствие осыпаемости, повышенные значения прочности смеси в холодном и горячем состояниях, улучшение ее выбиваемости устраняют операции нанесение упрочняющего состава и большое число промежуточных сушек, делают технологический процесс относительно прототипа малооперационным, менее трудоемким и продолжительным, более дешевым и экологически безвредным, повышается качество изготовления стержней, форм и отливок.

Способ осуществляют следующим образом.

Зернистый наполнитель смеси, например кварцевый песок 2КО315 (ГОСТ2138-84), в бегунах или шнековом смесителе смешивают с водным раствором алюмохлорида (ТУ-6-01 -797-73) плотностью 1250 -1270 кг/м³, взятым в количестве 2 4% от массы наполнителя, в течение 5 10 мин до его равномерного распределения в массе смеси.

Количество вводимого жидкого гелеобразователя (раствор алюмохлорида) и его концентрация (плотность) определяются требуемым временем пропитки наполнителя в зависимости от массы, габаритов и конфигурации стержней (форм).

Затем засыпают феррохромовый шлак (ТУ14-11.95-74) в соотношении 1:(1 -2) к массе водного раствора алюмохлорида, используемого для плакирования наполнителя, и перемешивают ингредиенты в течение 5 -10 мин до приобретения смесью состояния сыпучести.

Указанное соотношение между водным раствором алюмохлорида и феррохромовым шлаком диктуется необходимостью получения на зернах наполнителя равномерной и твердой пленки гелеобразователя жидкостекольного связующего раствора, которым будет затем пропитываться наполнитель, засыпанный в оснастку.

Подготовленный плакировкой наполнитель помещают в пескосып и переводят его в псевдоожиженное состояние ("кипящий слой"), впрыскивают в него в виде аэрозоля ингибитор отверждения связующего, в качестве которого могут быть использованы поверхностно-активные вещества (ПАВ): детергент советский-рафинированный алкиларилсульфонат (ДС-РАС), контакт черный нейтрализованный рафинированный (КЧНР)(ТУ 38-3022-74), смачиватель НБ (ГОСТ 6867-64) и др.

При этом удельная скорость впрыскивания составляет (2 3)· 10^-6 кг/с на 1 м² поверхности частиц зернистого наполнителя (песка).

При скорости впрыскивания более 3· 10^-6 кг/с происходит нежелательное комкование обрабатываемого песка. Скорость впрыскивания менее 2·10^-6 кг/с на 1м² поверхности частиц песка является нерациональной, так как увеличивается продолжительность цикла подготовки наполнителя стержней (форм).

Подготовленный указанным способом наполнитель засыпают в оснастку. В ней создают разрежение воздуха с остаточным давлением 1,01 0,05 МПа.

Необходимый диапазон остаточного давления можно создать путем соединения оснастки трубопроводом с рессвером и вакуумным насосом и фиксацией разрежения вакуумметром.

При открытии соответствующего крана связующий раствор из резервуара с атмосферным давлением через трубопровод поступает в вакуумированную оснастку и пропитывает находящийся в ней плакированный наполнитель под действием установившегося градиента давлений.

В качестве связующего используют водный раствор жидкого стекла плотностью 1250 1350 кг/м³ и модулем 2,6 3,0, которые обеспечивают требуемый уровень прочности и необходимую проникающую способность.

Остаточное давление в оснастке более 0,05 МПа приводит и неполной пропитке плакированного наполнителя, в особенности в отдаленных труднодоступных "карманах" и поднутрениях в оснастке из-за тормозящего действия гелеобразователя на его частицах и наличия воздушных пробок в указанных частях. Остаточное давление менее 0,01 МПа вызывает нежелательный размыв поверхности стержней (форм) в местах пропитки.

При продвижении в межзерновом пространстве плакированного наполнителя жидкостекольный связующий раствор контактирует с находящимся на его зернах ингибитором отверждения, полностью заполняет поровое пространство и растворяет ингибитор. В результате через заданное время, определяемое главным образом продолжительностью растворения ингибитора, жидкостекольный связующий раствор взаимодействует с гелеобразователем на частицах наполнителя и отверждения, придавая прочность смеси.

После этого стержень может быть удален из оснастки и использован в производстве ЛВМ как элемент керамической формы.

В предлагаемом способе в качестве исходного материала могут быть использованы кварцевый песок марок КО16, КО2, КО315, ГОСТ2138-84, сеяный шамот зернистостью 0,25-0,63 мм, электрокорунд N16-50 ОСТ 2МТ- -71-5-78.

Пример 1. Кварцевый песок марки 2КО315 (ГОСТ 2138-84) плакируется жидким гелеобразователем водным раствором алюмохлорида (ТУ-6- -797-73) плотностью 1250 1270 кг/м³ в количестве 3% от массы песка. При плакировании перемешивание песка с жидким гелеобразователем ведут в бегунах в течение 5 мин, после чего засыпают феррохромовый шлак, взятый по отношению к водному раствору алюмохлорида 1:2 по массе и перемешивают ингредиенты.

Отверждение плакируемой пленки на частицах наполнителя и переход его в сыпучее состояние происходит через 15 мин.

Подготовленный плакированный песок удаляют из бегунов и помещают в пескосып.

Создают "кипящий слой" плакированного наполнителя и пульверизаторы осуществляют впрыскивание в него водного раствора ДС-РАС плотностью 1100 - 1150 кг/м³ в количестве 1% от массы песка.

Скорость впрыскивания 2,5 · 10^-6 кг/с на 1 м² поверхности частиц наполнителя.

Подготовленный наполнитель через отверстие диаметром 10 мм засыпается в стержневый ящик, находящийся на вибростоле в собранном виде с проволочно-сварным каркасом, отдельными порциями и уплотняется с помощью вибрации с амплитудой 0,8-1 мм при частоте 50 Гц.

Из оснастки с подготовленным наполнителем вакуумным насосом откачивают воздух и создают разрежение в ресивере и стрежневом ящике с остаточным давлением 0,05 МПа, фиксируемым вакуумметром, установленным на ресивере. За счет созданного градиента давлений осуществляют принудительную фильтрацию (пропитку) водного раствора жидкого стекла (ГОСТ 13078-81) плотностью 1300кг/м³ через подготовленный наполнитель, находящийся в ящике, через отверстие диаметром 8 мм в стенке оснастки, закрытое металлической сеткой с ячейкой 0,2 х 0,2мм.

Продолжительность приобретения смесью прочности после пропитки 60 с. Сформированный в оснастке стержень вынимается из нее и может быть использован в качестве элемента керамической формы в производстве ЛВМ.

Подготовленные таким образом стержни применяли при изготовлении по выплавляемым моделям кварцевых форм и получении кабинетных художественных отливок "Конь с попонкой", "Весна с амуром", "Лось" и др.

Для технологического процесса согласно примеру 1 характерна некоторая нестабильность отверждения связующего раствора в труднодоступных для пропитки карманах, поднутрениях и отъемных частях при производстве особо сложных по конфигурации стержней и отливок.

Пример 2. Плакирование, обработка ингибитором-ПАВ, засыпка и уплотнение наполнителя в ящике производятся аналогично примеру 1.

Пропитку осуществляют путем подачи того же связующего раствора при остаточном давлении в оснастке с подготовленным наполнителем 0,03 МПа. Время отверждения связующего 75с.

Пример 3. Технологические операции совпадают с приведенными в примерах 1 и 2, но принудительную фильтрацию связующего раствора через подготовленный наполнитель, находящийся в оснастке, проводят при остаточном давлении в ней 0,01 МПа. Время отверждения связующего 90с.

Стержни по сравнению с изготовленными в соответствии с примерами 1 и 2 отличало снижение качества поверхности из-за размыва плакированного наполнителя в карманах и поднутрениях оснастки, используемой в производстве наиболее сложных по конфигурации художественных отливок ("Конь с попоной", "Мефистофель" и др.).

Для получения количественных сравнительных данных параллельно изготавливали стержни согласно прототипу.

Показателями для сравнения служили технологические свойства стержней: осыпаемость (ГОСТ 23409.9-78) и прочность при изгибе образцов на различных стадиях производства ЛВМ, выбиваемость трудоемкость удаления стержней, а также длительность, трудоемкость и стоимость их изготовления, выраженные в процентах по отношению к значениям соответствующих параметров для прототипа, принятых за 100% Кроме того, для обоснования оптимальности выбранного диапазона значений остаточного воздушного давления в оснастке определяли глубину пропитки связующим раствором плакированного наполнителя, выражая ее в процентах к прототипу, размерную точность (отклонение от номинальных размеров в) и максимально достижимый класс сложности по номенклатуре кабинетных художественных отливок.

Технологические свойства стержней (форм) по предлагаемому способу и прототипу приведены в таблице.

Результаты испытаний показывают, что предлагаемый способ позволяет исключить осыпаемость стержней, обеспечить неограниченный во времени срок их хранения (без изменения технологических свойств), добиться повышения в 1,5 - 2,5 раза прочность стержней, в особенности в горячем состоянии при температурах прокалки керамических форм, элементами которых они являются, увеличить более чем в 1,5 раза выбиваемость и уменьшить на 40 -50% длительность, трудоемкость и стоимость изготовления стержней при сохранении ими высокой размерной точности.

В результате улучшается качество и снижается трудоемкость получения отливок. Повышение стабильности изготовления стержней достигается соблюдением оптимального диапазона значений воздушного разряжения в оснастке 1,01 -0,05 МПа, обеспечивающих возможность управления процессами пропитки (увеличение по сравнению с прототипами более чем в 1,5 -2,0 раза глубины пропитки) плакированного наполнителя связующим раствором и его равномерного отверждения. Это позволяет качественно изготавливать стержни повышенных классов сложности (1 и 2), в особенности для художественных и других тонкорельефных отливок со сложными полостями и конфигурацией.

Учитывая геометрическую точность и улучшенную выбиваемость получаемых стержней и форм, предлагаемый способ может быть с успехом применен для получения рабочих колес насосов, литых пресс-форм, радиаторов и других ответственных отливок.

Формула изобретения

1. Способ изготовления литейных стержней и форм по холодной оснастке преимущественно для художественного литья, включающий плакирование огнеупорного наполнителя гелеобразователем, засыпку его в оснастку и подачу в него гелеобразующегося связующего раствора, отличающийся тем, что плакированный наполнитель перед засыпкой в оснастку дополнительно обрабатывают ингибитором отверждения связующего, а после засыпки перед введением гелеобразующего связующего создают в оснастке разряжение воздуха с остаточным давлением 0,01 0,05 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плакирование огнеупорного наполнителя осуществляют водным раствором алюмохлорида плотностью 1250 1270 кг/м³ и затем феррохромовым шлаком, взятых в соотношении (1 2):1 по массе.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что обработку ингибитором отверждения связующего осуществляют путем его впрыскивания в виде аэрозоля в предварительно псевдоожиженный плакированный наполнитель, причем скорость впрыскивания составляет (2 3) х 10^-6 кг/с на 1 м² поверхности частиц наполнителя.

4. Способ по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что в вакуумированную оснастку, заполненную плакированным гелеобразователем наполнителем, в качестве гелеобразующего связующего вводят раствор жидкого стекла плотностью 1250 1350 кг/м³ и модулем 2,6 3,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1