Способ изготовления литейных стержней и форм
Владельцы патента RU 2763701:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU)
Изобретение относится к литейному производству. Способ изготовления литейных стержней и форм включает заполнение технологической оснастки жидкостекольной смесью, одновременные или последовательные вакуумирование и нагрев и выдержку в оснастке, либо одновременные или последовательные вакуумирование и предварительный нагрев в оснастке до приобретения стержнем или формой манипуляторной прочности, выемку из оснастки, окончательный нагрев в СВЧ-печи и выдержку на воздухе. Перед заполнением оснастки смесью, в ее состав вводят алюмокалиевые квасцы в количестве 3,0-4,0 мас.%. Содержание жидкого стекла в смеси составляет 2,0-3,0 мас.%. Нагревают смесь до 130-140°С, а вакуумируют до глубины не менее 1,0 бар в течение 40-60 с. Дегидратация квасцов при отверждении стержня и формы дает возможность использовать их в качестве связующего и снизить содержание в смеси жидкого стекла без снижения технологических характеристик и повышения осыпаемости стержня и формы. Обеспечивается повышение прочностных свойств и их стабильность, повышение газопроницаемости и выбиваемости стержней и форм, уменьшение энергоемкости и длительности производственного цикла их изготовления. 3 табл.
Изобретение относится к литейному производству, а именно, к изготовлению литейных стержней и форм при производстве отливок из сплавов черных и цветных металлов.
Известен способ изготовления литейных стержней и форм, основанный на способности сульфата магния, используемого как связующее, удерживать кристаллизационную воду и вновь ее терять. Способ включает смешивание наполнителя (песка) и связующего в виде раствора или механической взвеси в воде, заполнение полученной смесью рабочей полости технологической оснастки с последующим нагревом формирующегося стержня (или формы) и удалением или вытеснением образующегося при нагреве водяного пара [1].
Недостатками способа являются высокая шероховатость поверхности; нестабильность уровня механических свойств и длительное время отверждения стержня или формы; необходимость использования специального энергоемкого оборудования для выделения иил вытеснения образующегося водяного пара, а также низкая управляемость процессом.
Известна смесь для изготовления литейных форм и стержней, отверждаемых тепловой сушкой, содержащая кварцевый песок, экструзионный крахмальный реагент, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюмохромфосфатное связующее и трепел при следующих соотношениях компонентов, мас.%: экструзионный крахмальный реагент – 0,8-1,5; алюмохромфосфатное связующее – 3,0-5,0; трепел – 2,0-4,0; кварцевый песок – остальное [2].
Недостатками смеси являются: дефицитность и сложность подготовки к использованию экструзионного крахмального реагента, недостаточная стабильность размеров получаемых стержней или форм при длительном хранении по причине их высокой гигроскопичности, а также в процессе производства отливок из-за низкой температуры плавления материала связующего; длительное время сушки для отверждения; дискомфортные условия работы производственного персонала из-за образования неприятно пахнущего фосфина при температурах контакта стержня или формы с металлическими расплавами.
Известны литейные формы и стержни, изготовленные из смеси с сульфатом магния и/или алюминия в качестве связующего, содержащие фосфатные или боратные добавки [3].
Их основными недостатками являются повышенные требования к условиям хранения и необходимость введения в технологическую цепочку дополнительных операций подготовки некоторых компонентов, обязательность использования сложного специального оборудования для смесеприготовления, как следствие, высокая затратность, а также снижение безопасности условий труда производственного персонала и низкая экологичность по причине многокомпонентности смеси и многостадийности производственного процесса изготовления стержней или форм.
Известна смесь для изготовления литейных стержней и форм, содержащая кварцевый песок, жидкое стекло и технологическую добавку, отличающаяся тем, что в качестве технологической добавки она содержит алюмокалиевые квасцы при следующем соотношении компонентов, мас.%: жидкое стекло 4-6, алюмокалиевые квасцы 0,5-1,5, кварцевый песок – остальное [4].
Ее основные недостатки – недостаточный уровень прочности на разрыв в отвержденном состоянии; затрудненная выбиваемость стержней или форм из-за высокого содержания жидкого стекла в составе смеси, а также неравномерность распределения механических свойств и газопроницаемости по телу получаемых стержней или форм, что с высокой вероятностью может привести к соответствующим дефектам отливок.
Наиболее близким к изобретению является способ изготовления литейных стержней и форм, включающий заполнение технологической оснастки жидкостекольной смесью, отличающийся тем, что в составе смеси используется жидкое стекло с силикатным модулем 2,0-3,0 в количестве 1,5-3,0% по массе; содержание твердых веществ в смеси составляет 30-50% от массе; заполнение технологической оснастки смесью проводят под давлением или без такового; осуществляют вакуумирование и нагрев стержня или формы в оснастке до температуры из диапазона 100-200°C с последующей выдержкой при этой температуре или выемку из оснастки после приобретения стержнем или формой манипуляторной прочности с последующей сушкой в СВЧ-печи [5].
Данный способ был выбран в качестве прототипа.
К недостаткам способа относятся существенный риск образования газовой пористости в отливках по причине высокого содержания воды в составе смеси, а также высокая осыпаемость стержня или формы из-за небольшого содержания в смеси жидкого стекла, недостаточного для отверждения материала стержня или формы без риска механического разрушения при контакте с металлическим расплавом, и, как следствие, большая вероятность эрозии стержня или формы, образования пригара на поверхности, а также неметаллических включений и песчаных засоров в теле отливок. Кроме того, при содержании твердых веществ в смеси согласно прототипу она фактически представляет собой шликер на водной основе, при изготовлении стержня или формы под давлением или без такового заливаемый в рабочую полость технологической оснастки, поэтому для последующего удаления столь большого количества воды из стержня или формы требуются высокие энергозатраты и длительный промежуток времени даже при использовании СВЧ-нагрева установкой высокой мощности согласно прототипу. При этом управляемость процессом снижается, а риск нестабильности получения качественного результата соответственно повышается.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решаются задачи повышения качества получаемых отливок в части дефектов, возникающих по вине литейных стержней и форм, снижения энергоемкости и длительности, а также обеспечения управляемости и стабилизации технологического процесса.
Технический результат – высокий уровень и стабильность прочностных свойств, газопроницаемости и выбиваемости литейных стержней и форм, уменьшение энергоемкости и длительности производственного цикла их изготовления.
Технический результат достигается тем, что согласно способу изготовления литейных стержней и форм, включающему заполнение технологической оснастки жидкостекольной смесью, одновременные или последовательные вакуумирование и нагрев и выдержку в оснастке, либо одновременные или последовательные вакуумирование и предварительный нагрев в оснастке до приобретения стержнем или формой манипуляторной прочности, выемку из оснастки, окончательный нагрев в СВЧ-печи и выдержку на воздухе, перед заполнением технологической оснастки смесью в ее состав вводят алюмокалиевые квасцы в количестве 3,0-4,0% масс., содержание жидкого стекла в смеси ограничивают 2,0-3,0%, масс., нагрев смеси проводят до температур 130-140˚С, а вакуумирование осуществляют до глубины не менее 1,0 бар в течение 40-60 с.
Алюмокалиевые квасцы – это кристаллогидрат сложной двойной сернокислой соли калия и алюминия, обладающий ярко выраженными гидрофильными свойствами и хорошо растворимый в воде [6]. При температуре 92°С они связывают кристаллизационную воду, а затем плавятся в ней и при 120°С вновь ее теряют, превращаясь в «жженые квасцы»:
2KAl(S04)2 ·12H20K2S04 + A12(S04)3+ 24Н20↑
Дегидратация алюмокалиевых квасцов при отверждении стержня или формы способствует достижению максимальных значений физико-механических свойств, что дает возможность использовать их в качестве связующего смеси и снизить содержание в смеси жидкого стекла без риска снижения технологических характеристик стержня или формы и повышения их осыпаемости. В этой связи введение алюмокалиевых квасцов в состав смеси позволяет обеспечить изготовление качественных стержней и форм и свести к минимуму вероятность их разрушения при заливке расплавленным металлом и образования пригара на поверхности и песчаных засоров в теле отливок.. Постепенный прогрев стержня или формы теплом от металлического расплава вызывает частичное разложение безводных «жженых квасцов» на сульфаты алюминия и калия, а затем их последующую деструкцию:
2Al2(S04)3
2Al203+6SO2↑+3O2↑ (для сульфата алюминия)
2K2(S04)3
2K20+6SO2↑+5O2↑ (для сульфата калия)
При контакте стержня или формы с водой на финишных операциях производства отливок при гидровыбивке происходит частичное растворение квасцов в воде. Все это улучшает выбиваемость стержня или формы и обеспечивает регенерируемость смеси. В итоге снижаются пылевыделение, трудоемкость и энергоемкость процесса и улучшаются условия труда производственного персонала.
Повышение нижнего предела содержания жидкого стекла в смеси в сравнении с прототипом в сочетании с введением в состав смеси алюмокалиевых квасцов, с одной стороны, дает дополнительные гарантии предотвращения высокой осыпаемости стержня или формы из-за небольшого содержания в смеси жидкого стекла, недостаточного для отверждения материала стержня или формы без риска механического разрушения при контакте с металлическим расплавом, и, как следствие, большой вероятности эрозии стержня или формы, образования пригара на поверхности, песчаных засоров и неметаллических включений в теле отливок, а с другой стороны, обеспечивает наличие в составе смеси некоторого количества воды, необходимого для удовлетворительной формуемости смеси после заполнении ею технологической оснастки на начальной стадии изготовления стержня или формы, и в сравнении с прототипом существенно снижающего энергозатраты на дегидратацию смеси и уменьшающего длительность процесса в целом.
Вакуумирование технологической оснастки позволяет провести более эффективную дегидратацию и снизить требуемое содержание жидкого стекла в смеси за счёт изменения поверхностного натяжения наполнителя и связующего, способствуя образованию более плотной упаковки зёрен твёрдого огнеупорного наполнителя при меньшем количестве связующего. Это особенно важно на начальной стадии формирования стержня для обеспечения манипуляторной прочности и в дальнейшем способствует уменьшению работы выбивки стержня или формы и улучшению регенерируемости смеси.
Для уточнения количественных и качественных показателей заявляемого способа проводили комплекс опытно-экспериментальных работ.
На первом этапе исследовали характеристики смеси на образцах после нагрева без вакуумирования технологической оснастки. В качестве компонентов смеси выбрали натриевое жидкое стекло ГОСТ 13078 с модулем 2,4 ед. (согласно прототипу) и плотностью 1,32 г/см3, алюмокалиевые квасцы ГОСТ 15028, кварцевый песок марки 1К1О103 ГОСТ 2138. Для обеспечения формуемости смеси при необходимости использовали воду в количестве до 4,0%, масс.
По результатам проведенной экспериментальной верификации прототипа была зафиксирована высокая осыпаемость стержней, изготовленных из смеси с содержанием жидкого стекла менее 2,0%, масс. В этой связи нижний предел содержания жидкого стекла зафиксировали на уровне 2,0%, масс., а верхний оставили равным 3,0%, масс. (согласно прототипу).
В дальнейшем варьировали только содержание в смеси алюмокалиевых квасцов в интервале от 1,0 до 6,0 %, масс. с шагом в 1.0%, масс.
После приготовления смеси, заполнения ею технологической оснастки и уплотнения вручную вели нагрев. Первоначальный нагрев смеси до приобретения стержнем манипуляторной прочности, позволяющей извлечь стержень из оснастки без разрушения, проводили в металлической оснастке, где смесь прогревалась до температур порядка 130-140˚С, а окончательный нагрев осуществляли в СВЧ-печи с максимальной мощностью излучения 700 Вт, рабочей частотой 2450 МГц и длиной излучаемых волн 12 см в течение 30-60 с после выемки стержня из оснастки (согласно рекомендациям прототипа). Далее выдерживали стержни на воздухе в течение 1 часа.
Нижний предел температурного интервала нагрева смеси выбирался равным 130˚С с учетом необходимости минимального превышения уровня 120˚С, соответствующего началу образования «жженых квасцов», а верхний – из соображений обеспечения максимально возможного эксплуатационного ресурса оснастки, поскольку нагрев оснастки выше уровня 140˚С создает риски его снижения.
В ходе работ вели мониторинг требуемого времени приобретения стержнем манипуляторной прочности; прочности на сжатие и растяжение после его полного отверждения по установленному режиму, а также газопроницаемости, осыпаемости и выбиваемости. Время приобретения стержнем необходимой манипуляторной прочности фиксировали секундомером. Прочность на сжатие оценивалась на образцах-цилиндрах, изготовленных по ГОСТ 23409.7. Прочность смеси на растяжение определяли по образцам-«восьмеркам», изготовленным по ГОСТ 23409.7. Газопроницаемость определяли по методике ГОСТ 23409.6 на приборе мод 04315. Осыпаемость оценивали на специальном лабораторном приборе-барабане по методике ГОСТ 23409.9 на образцах-«цилиндрах», изготовленных в соответствии с ГОСТ 23409.6. Выбиваемость стержней оценивали по остаточной прочности образцов, сформированных по установленному режиму, после их вторичного нагрева в СВЧ-печи до температуры 750˚С, имитирующего контакт стержня с алюминиевым расплавом, последующего охлаждения и замачивания в воде.
Результаты исследований характеристик стержней в сравнении с такими же образцами, изготовленными способом-прототипом без проведения вакуумирования оснастки, приведены в таблице 1.
В итоге в качестве рабочего состава смеси были выбраны варианты состава смеси №№ 3 и 4, соответствующие содержанию в смеси алюмокалиевых квасцов в интервале 3,0-4,0% масс.
На втором этапе исследовали влияние вакуумирования на некоторые характеристики стержня из смеси рабочего состава при том же режиме нагрева и варьируемых глубине разрежения в диапазоне от 0,0 до 1,25 бар и временном интервале от 20 до 80 с. Для этого использовали оснастку специальной конструкции, позволяющую проводить герметизацию и откачку воздуха из рабочей полости. Вакуумирование стержня совмещали с его первоначальным нагревом в металлической оснастке, предваряющим выемку и окончательный нагрев в СВЧ-печи и последующую выдержку стержня на воздухе. Длительность вакуумирования фиксировали секундомером, а глубину разрежения - вакууметром марки APR 262.
Результаты испытаний стержней после нагрева с вакуумированием технологической оснастки в сравнении со способом-прототипом представлены в таблице 2. Из нее хорошо видно, что наилучшее сочетание предельной прочности на сжатие, растяжение и газопроницаемости у стержней, изготовленных из смеси рабочего состава, достигается при глубине разрежения в рабочей полости оснастки не менее 1,0 бар и длительности вакуумирования 40-60 с. Превышение глубины разрежения и длительности вакуумирования выше указанного уровня не дало существенных улучшений контролируемых характеристик стержней.
Кроме того в ходе эксперимента было выявлено, что при указанном оптимальном режиме совмещения вакуумирования с первоначальным нагревом необходимая манипуляторная прочность стержней формируется в полной мере, что позволяет существенно (в среднем в 3,7 раза в сравнении с вариантом без вакуумирования) снизить требуемое на это время.
На третьем этапе проводили испытания стержней массой 0,1 кг для изготовления в условиях действующего производства одной и той же отливки «Втулка» из различных сплавов: алюминиевого сплава АК9ч ГОСТ 1583; чугуна СЧ20 ГОСТ 1412 и стали 40Л ГОСТ 977. Изготавливали опытные партии отливок по 5 штук из каждого сплава с использованием заявленного способа и способа-прототипа.
Смесь на основе кварцевого песка марки 1К1О103 ГОСТ 2138 содержала в своем составе 3,0%, масс. натриевого жидкого стекла с силикатным модулем 2,8 и плотностью 1,25 г/см3 и алюмокалиевые квасцы 3,0%; масс. Смесеприготовление осуществлялось с использованием лопастного смесителя, заполнение стержневых ящиков смесью и ее уплотнение проводили вручную. Первоначальный нагрев смеси для приобретения стержнем необходимой манипуляторной прочности проводили в металлической оснастке, нагреваемой до 120˚С. В рабочей полости стержневого ящика создавали разрежение глубиной 1,0 бар. Окончательный нагрев вели в СВЧ-печи с максимальной мощностью излучения 700 Вт в течение 50 с после выемки стержня из оснастки. Затем выдерживали стержни на воздухе в течение 1 часа, наносили на них противопригарное покрытие ТП-2 на основе талька по ГОСТ 10772 и устанавливали в литейную форму под заливку металлическим расплавом.
Контроль наличия в отливках дефектов, обусловленных недостаточным уровнем качества литейных стержней (нарушение геометрии отливки, засоры, неметаллические включения, газовая пористость) проводился по методикам предприятия. Результаты контроля представлены в таблице 3.
Из таблицы 3 видно, что практическая проверка подтвердила большую в сравнении со способом-прототипом эффективность применения заявленного способа как для производства отливок из алюминиевых сплавов, так и отливок из чугуна и стали.
Источники информации:
1. Патент на изобретение DE10200927 A1, IPC: B22C9/12, 2003.
2. Патент на изобретение РФ №2643399, кл. B22C1/16, 2018.
3. Патент на изобретение WO 2004/080145 A2, IPC: B22C1/18, 2004.
4. Патент на изобретение РФ №2445185, кл. В22 С1/00, 2012.
5. Патент на изобретение атент DE19632293 C2, IPC: B22C1/18, 1999 – прототип.
6. Рабинович, В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. – М.: Химия, 1978. – 392 с.
Таблица 1
Характеристики стержней (нагрев без вакуумирования оснастки)
| Вариант состава смеси | Содержание в смеси алюмокалиевых квасцов, %, масс. |
Время приобретения стержнем манипуляторной прочности, с | Прочность на сжатие, МПа | Прочность на растяжение, МПа | Газопроницаемость, ед. | Осыпаемость, % | Остаточная прочность (выбиваемость), МПа |
| 1 | 1,0 | 365 | 0,8 | 0,5 | 310 | 0,45 | 0,100 |
| 2 | 2,0 | 310 | 1,0 | 0,7 | 305 | 0,30 | 0,080 |
| 3 | 3,0 | 220 | 1,1 | 1,2 | 300 | 0,25 | 0,050 |
| 4 | 4,0 | 150 | 1,2 | 1,2 | 295 | 0,25 | 0,045 |
| 5 | 5,0 | 105 | 1,0 | 1,1 | 290 | 0,30 | 0,045 |
| 6 | 6,0 | 60 | 1,1 | 1,1 | 240 | 0,40 | 0,040 |
| прототип | - | 420 | 1,1 | 0,8 | 140 | 0,55 | 0,050 |
Таблица 2
Характеристики стержней (нагрев с вакуумированием оснастки)
| Глубина разряжения, бар | Длительность вакуумирования, с | Прочность на сжатие, МПа | Прочность на растяжение, МПа | Газопроницаемость, ед. |
| 0,00 | 0 | 1,1 | 1,2 | 300 |
| 0,25 | 20 | 1,1 | 1,2 | 290 |
| 40 | 1,1 | 1,2 | 280 | |
| 60 | 1,2 | 1,2 | 260 | |
| 80 | 1,2 | 1,2 | 240 | |
| 0,50 | 20 | 1,2 | 1.2 | 280 |
| 40 | 1,3 | 1.2 | 240 | |
| 60 | 1,3 | 1,2 | 230 | |
| 80 | 1,4 | 1,2 | 220 | |
| 0,75 | 20 | 1,2 | 1,2 | 270 |
| 40 | 1,3 | 1.2 | 250 | |
| 60 | 1,4 | 1,3 | 230 | |
| 80 | 1,4 | 1,3 | 200 | |
| 1,00 | 20 | 1,3 | 1,2 | 250 |
| 40 | 1,5 | 1,3 | 220 | |
| 60 | 1,6 | 1,3 | 200 | |
| 80 | 1,6 | 1,3 | 200 | |
| 1,25 | 20 | 1,3 | 1,3 | 240 |
| 40 | 1,5 | 1.3 | 220 | |
| 60 | 1,6 | 1.3 | 200 | |
| 80 | 1,6 | 1,3 | 190 | |
| 0,60 (прототип) |
60 | 1,3 | 1,1 | 110 |
Таблица 3
Результаты контроля качества опытных партий отливок
| Сплав | Масса отливки, кг | Число отливок (изготовленных по заявленному способу / по способу-прототипу), шт. |
Число забракованных отливок (изготовленных по заявленному способу / по способу-прототипу), шт. |
Брак отливок (изготовленных по заявленному способу / по способу-прототипу), % |
Причина брака отливок (изготовленных по заявленному способу / по способу-прототипу) |
| алюминиевый сплав АК9ч ГОСТ 1583 |
0,8 | 5/5 | 0/1 | 0/20 | - / газовая пористость и неметаллические включения в теле отливки |
| чугун СЧ20 ГОСТ 1412 | 2,1 | 5/5 | 0/1 | 0/20 | - / разрушение стержня при заливке расплавом |
| сталь 40Л ГОСТ 977 | 2,3 | 5/5 | 0/1 | 0/20 | - / пригар |
Способ изготовления литейных стержней и форм, включающий заполнение технологической оснастки жидкостекольной смесью, одновременные или последовательные вакуумирование и нагрев и выдержку в оснастке, либо одновременные или последовательные вакуумирование и предварительный нагрев в оснастке до приобретения стержнем или формой манипуляторной прочности, выемку из оснастки, окончательный нагрев в СВЧ-печи и выдержку на воздухе, отличающийся тем, что перед заполнением технологической оснастки жидкостекольной смесью, в ее состав вводят алюмокалиевые квасцы в количестве 3,0-4,0 мас.%, содержание жидкого стекла в жидкостекольной смеси ограничивают до 2,0-3,0 мас.%, при этом нагрев жидкостекольной смеси проводят до температур 130-140°С, а вакуумирование осуществляют до глубины не менее 1,0 бар в течение 40-60 с.
