Смесь для изготовления литейных стержней и форм в нагреваемой оснастке

 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для приготовления форм и стержней по нагреваемой оснастке. Смесь содержит следующие ингредиенты, мас.%: алюмохромфосфатное связующее - 2,0-3,0; полиэлектролит - 0,3-0,7; отход гальванического производства - 2,0-2,5; аминосодержащее соединение - 0,7-1,2; кварцевый песок - 92,6-96,0. Применение смеси данного состава позволяет снизить процент брака за счет увеличения ее живучести и текучести. 2 з.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к составам смесей для изготовления форм и стержней в нагреваемой оснастке, которые используются для получения отливок из чугуна, стали и цветных металлов различных модификаций.

Известна смесь, отверждаемая в нагреваемой оснастке, включающая мас.%: огнеупорный наполнитель 96,25 - 93,75; хромалюмофосфатную связку - 3,5 - 5,5; триэтаноламин - 0,25 - 0,75 (А.С. СССР N 923709, кл. B 22 C 1/18, 1980 г. ). Указанный состав смеси позволяет уменьшить газотворность, сократить время отверждения и повысить прочность стержней. Однако живучесть такой смеси составляет 6 - 8 мин, что явно недостаточно для применения ее в условиях крупносерийного и массового производства. Кроме того, для получения необходимых прочностных показателей требуется выдержка смеси в горячих ящиках более трех минут, что существенно снижает производительность труда и увеличивает энергозатраты.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является смесь для изготовления литейных стержней и форм в нагреваемой оснастке, содержащая в своем составе, мас.%: огнеупорный наполнитель - 97,8 - 95,3; связующее на основе фосфатов алюминия (алюмохромфосфатная или магнийалюмофосфатная связки) - 2,0 - 4,0; полиэлектролит ВПК-402 - (поли-N,N-диметил-3,5-диметилпиперидинийхлорид) - 0,2 - 0,7. Использование такого состава позволяет повысить качество смеси за счет увеличения ее живучести до одного часа и сократить продолжительность отверждения в нагреваемой оснастке до 60 с. А.С. 13425281, кл. B 22 C 1/18, 1987 г.

Однако живучесть смеси, используемой для изготовления форм и стержней в нагреваемой оснастке около одного часа, явно недостаточна, так как заполнение стержневых ящиков производится в основном пескодувно-пескострельным способом и даже незначительное снижение текучести смеси из-за недостаточной живучести приводит к браку стержней, связанному с нечетким отпечатком стержней и с изъянами внутри самого стержня из-за неоднородности уплотнения.

Изобретение направлено на снижение брака форм и стержней за счет увеличения живучести и текучести смеси.

Это достигается тем, что смесь для изготовления литейных форм и стержней, отверждаемых в нагреваемой оснастке, включающая огнеупорный наполнитель, алюмохромфосфатное связующее и полиэлектролит (ВПК-402), содержит в своем составе в качестве добавки, увеличивающей живучесть и текучесть смеси, отход гальванического производства в сочетании с аминосодержащим соединением, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Алюмохромфосфатное связующее - 2,0 - 3,0 Полиэлектролит (ВПК-402) - 0,3 - 0,7 Аминосодержащее соединение - 0,7 - 1,2 Отход гальванического производства - 2,0 - 2,5 Огнеупорный наполнитель (кварцевый песок) - 92,6 - 95,0 Алюмохромфосфатное связующее (АХФС) представляет собой кислую фосфорнокислую соль трехвалентного алюминия и хрома. Используется в виде технического продукта согласно ТУ 6-18-166-83. Исходная плотность АХФС равна 1,58 - 1,63 г/см³.

В качестве полиэлектролита используется полиэлектролит с технической маркой ВПК-402, который представляет собой высокомолекулярное соединение линейно-циклической структуры, содержащее четвертичные аммониевые группы. Структурная формула элементарной ячейки полиэлектролита (поли-N,N-диметил-3,5-диметиленпиперидинийхлорида) следующая: Полиэлектролит неограниченно растворим в воде, низших спиртах, растворах кислот и щелочей, негорюч, невзрывоопасен, нетоксичен.

Отход гальванического производства имеет следующий состав, мас.%: Серная кислота - 11,0 - 12,0
Тринатрийфосфат - 1,6 - 1,7
Сульфат трехвалентного железа - 23,0 - 24,0
Уротропин - 0,15 - 0,16
Вода - 64,25 - 62,14
Плотность отхода гальванического производства равна 1,26 г/см³.

В качестве аминосодержащего соединения используется N,N'-бис (1,4-диметилпентил)фенилендиамин-1,4, представляющий собой темно-красную вязкую маслянистую жидкость с температурой кипения 237^oC. Химическая формула C₂₀H₃₆N₂, молекулярная масса 304,52. Получают восстановительным алкилированием 4-нитроанилина 5-метилгексаноном-2 в присутствии катализатора.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

В результате воздействия температуры горячих ящиков происходит отверждение смеси по двум направлениям:
1) взаимодействие ВПК-402 с АХФС;
2) взаимодействие отхода гальванического производства с АХФС.

При перемешивании компонентов имеет место обратимый обмен между ионами полиэлектролита и фосфатами хрома и алюминия, сопровождающийся незначительным выделением тепла. В системе происходит диссоциация фосфорнокислых солей хрома и алюминия, доминирующей стадией процесса диссоциации является образование катионов Al(H₂PO₄)₂⁺ и Cr(H₂PO₄)₂⁺ и аниона H₂PO₄^-,
остальные стадии процесса диссоциации сильно подавлены, поэтому в реакцию вступают именно эти ионы. В результате нагревания из образовавшейся системы удаляется вода и образуются ортофосфаты Cr и Al. Дальнейший процесс образования прочной структуры в результате взаимодействия АХФС с ВПК-402 идет за счет получения линейного и пространственного полимеров, на образование которых влияют координационные числа Cr и Al (образование полимеров происходит за счет анионно-координационных связей). Михайленко М.И. "Курс общей и неорганической химии" - М.: Высш. школа, 1966 г. Координационное число Cr равняется 6, для Al характерно изменение координационного числа от 4 до 6 в зависимости от условий реакции.

Процесс взаимодействия АХФС с отходами гальванического производства (ОГП) происходит следующим образом. Так как в состав отхода входит в достаточном количестве серная кислота и ее соль трехвалентного железа, то при тепловом воздействии происходит их взаимодействие с солями Cr и Al, входящими в состав АХФС. При этом, серная кислота как более сильная, чем ортофосфорная, вытесняет из фосфорнокислых солей трехвалентного Cr и Al поочередно анионы H₂PO₄^-, при этом образуются неорганические полимеры.

Таким образом, под действием температуры в результате прохождения двух перекрещивающихся направлений химических реакций образуются органические и неорганические полимеры, обуславливающие высокие прочностные показатели на завершающем этапе отверждения. ОГП представляет собой неорганическое соединение, содержащее в своем составе воду в значительном количестве. Поэтому его введение в состав смеси на начальном этапе отверждения способствует увеличению влажности смеси, которая в свою очередь снижает реакционную способность полиэлектролита, способного неограниченно растворяется в воде. Следовательно, и процесс прохождения химических реакций (а именно образование полимеров разветвленного строения) затормаживается.

Аминосодержащее соединение, представляющее собой маслянистую жидкость, выполняет роль смазки между зернами огнеупорного наполнителя, тем самым снижает силу трения между ними, что также способствует повышению текучести смеси. Такой состав способен сохранять свои первоначальные свойства в течение 3-4 часов. По истечении указанного промежутка времени слой смеси, контактирующий с воздухом, начинает покрываться "корочкой" за счет удаления влаги в атмосферу воздуха.

Кроме того, наличие в смеси отхода гальванического производства положительно влияет и на улучшение формуемости, так как в своем составе указанные отходы содержат водные растворы солей сульфата трехвалентного железа и тринатрийфосфата.

Для приготовления смеси предварительно готовят жидкую композицию путем механического перемешивания алюмохромфосфатного связующего, полиэлектролита, отхода гальванического производства и аминосодержащего соединения. Затем жидкую композицию дозируют в кварцевый песок и после тщательного перемешивания в смесителе в течение 1,5 - 2,0 мин смесь готова к использованию.

Образцы "восьмерки" изготовляют на машине для изготовления образцов по нагреваемой оснастке. Для этой цели заполняют щелевую насадку приготовляемой смесью и пескострельным способом заполняют стержневой ящик, предварительно нагретый до 250^oC. Время выдержки устанавливают по реле времени.

Состав смесей приведен в табл. 1, результаты испытаний в табл. 2.

Указанный состав смеси по количественному соотношению является оптимальным. Введение в состав смеси указанных составляющих нижеуказанных пределов приводит к снижению прочностных показателей, а увеличение ингредиентов выше указанных пределов невыгодно по экономическим соображениям.

Анализ данных, приведенных в табл. 2, показывает, что по сравнению с известной смесь по предлагаемому изобретению обладает более высокой живучестью (в 3-4 раза) и необходимой текучестью, что позволяет снизить процент брака, связанный с нечетким отпечатком стержней и с изъянами внутри самого стержня из-за неоднородности их уплотнения.

Реализация предлагаемого изобретения позволяет расширить возможность использования смеси для производства мелких, средних и крупных стержней различных модификаций.

Формула изобретения

1. Смесь для изготовления стержней и форм в нагреваемой оснастке, содержащая кварцевый песок, алюмохромфосфатное связующее и полиэлектролит, отличающаяся тем, что смесь дополнительно содержит отход гальванического производства и аминосодержащее соединение при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Алюмохромфосфатное связующее - 2,0-3,0
Полиэлектролит - 0,3-0,7
Отход гальванического производства - 2,0-2,5
Аминосодержащее соединение - 0,7-1,2
Кварцевый песок - 92,6-95,0
2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что отход гальванического производства имеет следующий состав, мас.%:
Серная кислота - 11,0-12,0
Сульфат трехвалентного железа - 23,0-24,0
Тринатрийфосфат - 1,6-1,7
Уротропин - 0,15-0,16
Вода - 64,25-62,14
3. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве аминосодержащего соединения содержит N,N¹-бис(1,4-диметилпентил)фенилендиамин-1,4.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2