Формовочный материал

 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при приготовлении сырых песчано-глинистых смесей с углеродосодержащими материалами. Состав, мас.%: молотый уголь - основа, битум с температурой размягчения по методу "кольцо и шар" 125-135°С 12,0-20,0, технический углерод 2,0-5,0, бентонит 5,0-15,0. Обеспечиваются следующие свойства формовочных смесей: предел прочности при сжатии 0,95-1,1 кгс/см², предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги 0,28-0,037 кгс/см², термические напряжения 5,9-6,4 кгс/см². Уменьшается склонность к слеживаемости, улучшаются качество поверхности отливок, санитарно-гигиенические условия труда и экология. 1 табл.

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к составам формовочных материалов, используемых при изготовлении сырых песчано-глинистых формовочных смесей с углеродосодержащими материалами.

В современном литейном производстве при приготовлении формовочных смесей для изготовления форм для чугунного литья используются различные углеродосодержащие материалы. При нагреве рабочей поверхности формы, изготовленной из таких смесей, расплавленным металлом, содержащиеся в них углеродосодержащие материалы подвергаются термическому разложению, в результате чего возникают эффекты, обуславливающие возможность получения отливок с минимальным количеством поверхностных дефектов: при термическом разложении углеводородов в газовой фазе образуется пиролитический (блестящий) углерод, предотвращающий образование пригара, а размягчение (пластификация) и выгорание углеродосодержащих ингредиентов смеси способствует уменьшению величины напряжений в поверхностных слоях формы и тем самым уменьшает вероятность образования ужимин.

В Российской Федерации отсутствует производство специальных комплексных противопригарно-противоужиминных материалов для формовочных смесей, обеспечивающих эффективное устранение поверхностных дефектов и получение высококачественной поверхности чугунных отливок с минимальной шероховатостью.

Наибольшее распространение получило применение с этой целью молотого каменного угля. Известны противопригарные материалы для изготовления сырых песчано-глинистых смесей, содержащие в своем составе молотый уголь, мазут, древесный пек, древесную муку и их комбинации с бентонитом (Берг П.П., "Качество литейной формы", М. , Машгиз, 1971). Основным недостатком таких материалов являются их относительно низкие противопригарный и противоужиминный эффекты и технологические свойства содержащих их формовочных смесей.

Для повышения противопригарного эффекта формовочных смесей предлагается использовать кристаллический (технический) углерод, получаемый из углеводородных соединений в редуцирующей атмосфере при температуре 650 - 1000^oC (заявка ФРГ, кл. B 22 C 1/16, N 3246324).

Предлагаемый материал снижает пригар на чугунных отливках, в значительной степени безвреден для окружающей среды, но неэффективен для предотвращения ужимин, т. к. не снижает термические напряжения в поверхностных слоях формы и не обеспечивает существенного снижения шероховатости поверхности отливок.

С целью одновременного повышения противопригарного и противоужиминного эффекта предложен способ получения углеродосодержащих добавок для формовочных смесей, в соответствии с которым формовочный материал, используемый в качестве добавок, представляет собой гомогенный сплав полистирола, битума, пека, нефти или смол, полученный при температуре 200 - 280^oC.

Полученный материал становится жидкотекучим при нагреве до температуры около 60^oC. Однако, эта добавка также не обеспечивает полного предотвращения ужимин из-за ослабления поверхностных слоев формы при заливке жидкого металла вследствие низкой температуры расплавления предлагаемого материала. Кроме того, полистирол при термическом разложении выделяет значительное количество токсичных веществ, в том числе канцерогенный бензо(а)пирен (Заявка ФРГ, кл. B 22 C 3/00, N 3305745, оп.23.08.84).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является формовочный материал для формовочных смесей, состоящий из двух групп материалов, мас.%: 1-я группа молотый уголь - 75 - 90 битум, пек или асфальт - 25 - 10 2-я группа торф, бурый уголь или порошок полистирола - 5 - 8 от суммы ингредиентов (Заявка ФРГ, кл. B 22 C 1/04, N 1920224, оп.12.11.70).

Недостатком этого материала является содержание в нем торфа, бурого угля и (или) полистирола. Наличие торфа и бурого угля обуславливает снижение противоужиминных свойств смесей из-за уменьшения предела прочности при разрыве в зоне конденсации влаги; полистирол, как уже указывалось, обуславливает выделение вредных веществ в атмосферу цеха. Материал склонен к слеживанию при транспортировке и хранении, обуславливает высокую газотворность формовочной смеси.

Технической задачей изобретения является: - разработка комплексного материала для изготовления песчано-глинистых смесей, обеспечивающего получение чугунных отливок без пригара, ужимин и с минимальной шероховатостью поверхности.

Техническим результатом решения задачи является: - достижение максимального значения предела прочности при разрыве в зоне конденсации влаги; - достижение минимального значения термических напряжений в поверхностном слое формы при заливке металлом;
- достижение минимальной шероховатости поверхности отливок, оцениваемой по среднему арифметическому отклонению профиля;
- отсутствие слеживаемости при транспортировке и хранении.

Необходимый технический результат достигается тем, что формовочный материал, содержащий молотый уголь и битум, дополнительно содержит технический углерод - продукт, полученный термоокислительным или термическим разложением углеводородов в газовой фазе, и бентонит, при этом использован битум с температурой размягчения (КИШ) 125 - 135^oC, а компоненты взяты при следующем соотношении (мас.%):
молотый уголь - основа
битум с температурой размягчения (КИШ) 125 - 135^oC - 12,0 - 20,0
технический углерод - 2,0 - 5,0
бентонит - 5,0 - 15,0
Противопригарный эффект при применении предлагаемого материала обусловлен наличием в нем технического углерода, полученного в результате термоокислительного или термического разложения углеводородов в газовой фазе, и высоким выходом блестящего углерода из комбинации битума и каменного угля. В результате резко ухудшаются условия смачивания поверхности формы расплавленным металлом и уменьшается интенсивность его проникновения в поры формы, т.е. предотвращается пригар.

Увеличение содержания технического углерода в составе формовочного материала выше верхнего предела нецелесообразно из-за отсутствия дополнительного противопригарного эффекта.

Уменьшение содержания технического углерода в составе формовочного материала снижает его противопригарный эффект и несколько ухудшает физико-механические свойства формовочных смесей.

Противоужиминный эффект обусловлен наличием в составе материала битума с температурой размягчения 125 - 135^oC, содержащего переходящие при температуре 200 - 300^oC в высоковязкое пластическое состояние асфальтены, и отсутствием таких компонентов, как торф, снижающих прочность в зоне конденсации влаги.

Эффект отсутствия слеживаемости при транспортировке и хранении разработанного материала обусловлен тем, что для его приготовления использован битум с высокой (125 - 135^oC) температурой размягчения, что предотвращает слипание его частиц в различных атмосферных условиях.

Повышение содержания битума в составе предлагаемого формовочного материала выше верхнего предела нецелесообразно из-за увеличения слеживаемости при транспортировке.

Уменьшение содержания битума в составе предлагаемого формовочного материала снижает его противоужиминный эффект и увеличивает шероховатость поверхности отливок.

Введение бентонита обеспечивает предотвращение слеживаемости предлагаемого формовочного материала за счет обволакивания (плакирования) зерен битума и размолотого угля.

Дополнительным эффектом бентонита является повышение прочностных показателей формовочной смеси.

Увеличение содержания бентонита в составе формовочного материала выше верхнего предела нецелесообразно, поскольку в пределах предлагаемой его концентрации обеспечивается практическое отсутствие слеживаемости при транспортировке и хранении.

Снижение газотворности материала обусловлено отсутствием в нем высокогазотворных компонентов: полистирола, торфа, а также уменьшенным его содержанием в формовочной смеси за счет чрезвычайно эффективного противопригарного и противоужиминного действия. Использование в качестве противопригарно-противоужиминного средства предлагаемого материала в количестве 0,5-4,0 мас. % в составе формовочной смеси достаточно для получения отливок без пригара и ужимин. В результате использования предлагаемого изобретения практически все содержащие этот материал формовочные смеси характеризуются максимально возможными физико-механическими свойствами, чрезвычайно высокой стойкостью к образованию ужимин, пригара, низкой газотворностью и минимальной шероховатостью.

Процесс изготовления предлагаемого формовочного материала является обычным в технологии изготовления углеродосодержащих композиций, при этом выбранное соотношение ингредиентов позволяет обойтись без их предварительного сплавления и использовать известные помольные средства, например, молотковые дробилки.

При использовании предлагаемого формовочного материала при приготовлении песчано-глинистых формовочных смесей в качестве противопригарно-противоужиминного компонента формовочной смеси в смеситель загружают последовательно или одновременно отработанную смесь, песок, глину или бентонит, предлагаемый формовочный материал, при необходимости другие добавки, например, крахмалит и требуемое количество воды. Время перемешивания смеси определяется типом смесителя и заводскими инструкциями.

Оценка физико-механических свойств формовочных смесей с любыми добавками осуществлялась в соответствии с рекомендациями ГОСТ 23409.0 - 23409.26-78, для чего готовили смеси, состоящие из 5 мас.% активированного дашуковского бентонита, 2 мас. % противопригарно-противоужиминного материала, остальное кварцевый песок. Относительная влажность всех сравниваемых смесей соответствовала уплотняемости 50±2%.

Температура размягчения битума оценивалась методом "Кольцо и шар" (метод КИШ) по ГОСТ 11506-78; величина термических напряжений - на приборе РНТ ф. "Г.Фишер", предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги - на приборе SPNF ф. "Г. Фишер". Для определения склонности сравниваемых формовочных материалов к слеживаемости они уплотнялись одним ударом стандартного копра в стальной гильзе и помещались на 1 час в термостат с температурой 60^oC. Затем образцы вместе с гильзой извлекались из термостата, доуплотнялись 1 ударом копра и охлаждались на воздухе. После охлаждения до комнатной температуры образцы извлекали из гильзы и определяли их предел прочности при сжатии по ГОСТ 23409.7-78. Оценка склонности к слеживаемости (индекс слеживаемости) производилась по отношению предела прочности при сжатии прогретого и доуплотненного исследуемого материала к аналогичному показателю молотого угля, при этом принято, что, чем выше этот показатель, тем больше склонность к слеживанию формовочного материала.

Для приготовления исследованных формовочных материалов их ингредиенты смешивались в лабораторном шнековом смесителе, а затем измельчались в молотковой дробилке до получения однородной массы со средним размером зерен 0,2-0,3 мм. Готовый материал использовался далее для приготовления формовочных смесей и проведения требуемых анализов.

Состав предлагаемого формовочного материала и свойства формовочных смесей с предлагаемым формовочным материалом, а также с материалом-прототипом приведены в таблице.

Использование предложенного технического решения позволяет достичь высоких физико-механических и технологических свойств формовочных смесей для производства чугунных отливок при минимальном содержании в них противопригарно-противоужиминного формовочного материала (увеличение предела прочности при сжатии и разрыве в зоне конденсации влаги на 20-25%, снижение величины термических напряжений в 1,5-1,6 раз по сравнению с другими материалами.

Применение предлагаемого формовочного материала позволяет достичь значительного экономического эффекта за счет сокращения затрат на очистку отливок, снижения общего расхода формовочных материалов, повышения конкурентоспособности отечественных отливок на мировом рынке. Кроме того, применение этого материала будет способствовать улучшению санитарно-гигиенических условий труда и экологической обстановки в регионах. Затраты на изготовление предлагаемого формовочного материала минимальны и быстроокупаемы.

Формула изобретения

Формовочный материал для изготовления песчано-глинистых смесей, включающий молотый уголь и битум, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод технический - продукт, полученный термоокислительным или термическим разложением углеводородов в газовой фазе, и бентонит, при этом использован битум с температурой размягчения по методу "кольцо и шар" 125 - 135^oC, а компоненты взяты при следующем соотношении, мас.%:
Молотый уголь - Основа
Битум с температурой размягчения 125 - 135^oC - 12,0 - 20,0
Технический углерод - 2,0 - 5,0
Бентонит - 5,0 - 15,0

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 09.12.2008

Извещение опубликовано: 20.11.2009        БИ: 32/2009