Способ изготовления литейных форм и стержней

ОЮЗ СОВЕТСНИХОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 4 В 2 2 С 9 / АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИц чн 0 3849/22-0 11.84 07.86, Бю ковский а(54)(57) 1. СПОС ТЕЙНЫХ ФОРМ И СТ ешивание зернов орного наполнит незема и формооб в оснас мой или ОРЗ Овб стержня на 5-10 связую зовани ке газо стержнемкгс/см,вне оснасК выше те щего иего дние ф вания. связу температуры ющее охлажд температуры о т тем, что,ти и плоти ль т улучшения их выби ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ Н Д ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТ Б ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИРЖНЕЙ, включающий и материалов огнееля на основе кремго с растворителем, и продувку смеси до достижения форпрочности на разрыв нагрев формы или тки до температуры мпературы стакловына 5-10 К ниже еструкции и последуормы до комнатной л и ч а ю щ и й с я повышения прочносрм и стержней и ваемости, санитар- ..но-гигиенических условий труда, атакже качества поверхности отливок,в состав смеси после растворения связующего вводят жидкую добавку, имеющую удельную поверхностную энергиюна 0,01-0,1 Дж/м больше удельной поверхностной энергии растворителя,температуру кипения на 3-5 К большетемпературы кипения растворителя ина 5-10 К меньше температуры деструк-ции связующего, в количестве О, 11,0 мас.7 от количества зерновых материалов, после чего продолжают перемешивание до получения смеси однородного состояния.О2. Способ по п. 1, о т л и ч а юФ. щ и й с я тем, что в качестве жидкойдобавки используют бензиловый спиртили воду, или водный раствор натрие- С ,вых солей.,3. Способ по п, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в качестве жидкой добавки используют этанол илициклогексанон, или триэтиленгликоль.4, Способ.по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что продувку газомосуществляют до остаточного содержания в смеси жидкойдобавки 0,050,5 мас.7, а температуру газа принимают на 5-10 К ниже температуры кипе-,ния растворителя и на 1-10 К вьппе, температуры затвердевания жидкой добавки.43887 1 12Изобретение относится к литейномупроизводству и может быть использовано для изготовления форм и стержней в условиях массового и серийногопроизводства отливок из черных ицветных сплавов.Целью изобретения является повьппение прочности и плотности форм истержней и улучшение их выбиваемости,санитарно-гигиенических условий труда, а также качества поверхности от.ливокСущность изобретения заключаетсяв том, что в формовочную или стержневую смесь, получаемую путем перемешивания огнеупорного наполнителя со связующим и растворителем и последующимотверждением смеси в оснастке продувкой газом, вводят жидкую технологическую добавку, которая имеет удельную поверхностную энергию на 0,01О, 1 Дж/м большую, чем поверхностнаяэнергия растворителя. При этом температура кипения технологическойдобавки должна быть на 3-5 К большетемпературы кипения растворителя ина 3-5 К меньше температуры деструкции связующего.Количество вводимой технологической добавки должно составлять 0,11,0 мас.7. от количества огнеупорногонаполнителя.Кроме того, продувка смеси газомведется до остаточного содержанияжидкой технологической добавки 0,050,5 мас. , и температура газа находится в пределах от 5-10 К ниже температуры кипения растворителя и вышена 1-10 К температуры затвердеванияжидкой технологической добавки.Введение в состав смеси после растворения связующего жидкой добавкиприводит к снижению силового взаимодействия между частицами огнеупорно"го наполнителя смеси и переводит еев текучее состояние.После продувки смеси газом и удаления ее из состава растворителяобъем жидкой составляющей в порахуменьшается и за счет удаления паровжидкой добавки, а учитывая, что жидкая добавка имеет более высокую поверхностную энергию, ее присутствиеприводит к повышению капиллярных сил,стягивающих частицу смеси,Чем больше различие в удельнойповерхностной эйергии между жидкойдобавкой и растворителем, тем больше эффект, состоящий в блокировании связывающих усилий в период процессаФормирования (формообразования) иувеличении этих усилий в период, когЕ аа формообразованне закончено, ачасть жидкой добавки удалена продувкой.Однако с ростом поверхностной энергии жидкэй добавки существенно умень 1 О шается ее адгезия к материалу огнеупорного наполнителя, что обусловливает экстремальный характер зависимости между стягивающими капиллярнымиэффектами и разностью между удельнымиповерхностными энергиями растворителя и жидкой добавки.Экспериментально установлено, чтообласть, в которой данный эффект проявляется в полной мере, находится впределах, указанных в формуле изобретения,Применение жидких добавок, имеющих температуру кипения на 3-5 Кбольше температуры кипения растворителя, гарантирует удаление жидкихсоставляющих, сводящееся к первоочередному удалению растворителя, а последующему - жидкой добавки,Если температура кипения растворителя меньше, чем температура кипения жидкой добавки, то при абсолютнонизких значениях этих температур в. первую очередь улетучивается раство;ритель.Введение в состав смеси жидкойдобавки в количестве, меньшем чем0,13 по отношению к огнеупорному наполнителю, малоэффективно из-за малого увеличения текучести смеси.Введение в состав смеси жидкойдобавки в количестве, превьппающем10 об.Х по отношению к огнеупорному наполнителю, приводит к образованию суспензии в стержневой оснастке,продувка такой суспензии будет затруднена, а избыток жидкости в межзерновом пространстве приводит к неравномерному распределению зерен огнеупорной основы по объему отвержденного стержня.П р и м е р 1. На смеси следующего состава, вес,7,: кварцевый песок97; вспенивающийся полистирол маркиПСВ-Л 1,5; бензол 1,5, предлагаемыйспособ реализуется по следующей мето 55 дике.Составляющие смеси в указаннойпоследовательности загружают в катковые бегуны и смешивают в течение1 мин. В смесь вводят жидкую добавку в количестве 0,5 мас.7. - бензиловый спирт (вариант 2, табл, 1), воду (вариант 3, табл. 1), водный раствор натриевых солей (вариант 3, табл. 1).Разности в удельной поверхностной энергии между бензолом и жидкими добавками, а также свойства стержней представлены в табл. 1.В табл. 1 не приведены данные по свойствам стержней при содержании жидкой добавки с удельной поверхностной энергией меньшей чем указано вФформуле изобретения. Это обусловлено тем, что при содержании связующего в 1,57. и введении в состав смеси дополнительных 0,5 мас,7. бензола свойствами стержня оказались столь йизкими, что не удалось извлечь стержни из оснастки без их разрушения.1Увеличение поверхностной энергии добавки, достигаемое увеличением концентрации поверхностно-активных веществ в водном растворе, также не, приводит к повышению прочностных. свойств смеси, в частности резко падает конечная прочность стержней, а кроме того, наблюдается падание прочности стержня в момент извлечения из оснастки, причем в последнем случае отмечается резкое падение плотности стержня. В связи с тем, что комплексное исследование свойств стержня при введении добавок, удовлетворяющих по поверхностной энергии запредельным требованиям, не удалось провести, данные по соответствующим свойствам стержней не представлены.П р и м е р 2. На смеси следующего состава, мас.7: сополимер стирола с малеиновым ангидридом ("стиромаль") 1,5; ацетон 1,5; жидкая добавка 0,5; огнеупорный наполнитель - кварцевый песок остальное. Предлагаемый способ реализуется, как в примере 1, с тем отличием, что в качестве жидкой добавки использованы этанол (вариант 2, табл. 2). циклогексанон (вариант 3, табл. 2), триэтиленгликоль (вариант 4, табл. 2).Для всех указанных добавок характерна более высокая температура кипения, чем у растворителя - ацетона. Удовлетворяют эти добавки также и требованию о величине удельной поверхностной энергии.Сведения о величине температуры кипения данных веществ взяты из справочного пособия и представлены втабл. 2.В табл. 2 отсутствуют данные посвойствам стержней, изготовленных сжидкой добавкой, имеющей температурувыше цредельной. Авторами проводилисьисследования способа, при котором вкачестве жидкой добавки использовался тетраэтиленгликоль (температура 1 О кипения составляет приблизительно580 К). Однако отвердить образец продувкой в этом случае практически неудается кроме того, после выдержки в печи образец практически полностью теряет тот минимум прочностных свойств, который он имел послепродувки.Попытка применения в качестве жидкой добавки диэтилового эфира (т.кип.307,5 К) также не позволила получитькачественный образец из-за его пониженной прочности и плотности В связис этим в таил. 2 отсутствуют данныепо свойствам стержней, изготовленныхс применением веществ, обладающихнизкой температурой кипения.П р и м е р 3. На смеси следующе,го состава, мас.7.: фенолоформальдегидная резольная смола СФ 015 1,5;30изопропиловый спирт 1 5 жидкая доЭ Убанка 0,5; огнеупорный наполнителькварцевый песок остальное, предлагаемый способ реализуется как приведенныевыше, с тем отличием, что вкачестве жидкой добавки использованавода, которая вводилась в количестве0,17 (вариант 2, табл. 3), 0,67. (вариант 3, табл. 3), 17. (вариант 4,табл. 3).Запредельные значения свойств по 40 содержанию жидкой добавки в табл. 3не приводятся из-за низких свойствстержня при его.извлечении из оснастки.П р и м е р 4. На смеси,по свое му составу соответствующей варианту3 из табл. 1, указанный способ реали- .зуется с тем отличием, что продувкувоздухом осуществляют до остаточногосодержания жидкой добавки в 0,057.50 (вариант 2, табл. 4), 0,37 (вариант3, табл, 4), 0,57 (вариант 4, табл.4).Данные по остальным свойствамстержней представлены в табл. 4.В последнем случае не приводятся 55 данные по содержанию жидкой добавки менее 0,057., так как в этом случаене удается реализовать преимущества,достигаемые снижением капиллярных5 1243сип в процессе формообразования, иувеличением последних в процессе удаления более летучего растворителя.При повышении содержания жидкойдобавки свыше 0,5 также снижаетсяпрочность стержня, что обусловленоизбыточным содержанием жидкой фазы кмоменту окончания продувки.П р и м е р 5. На смеси, составкоторой соответствует варианту 3, 10табл. 3, указанный способ был реализован с тем отличием, что продувкувоздухом производили газом, имеющимтемпературу 15, 40, 75 С (288,313,343 К соответственно) 15Данные по свойствам стержня представлены в табл. 5.В связи с тем, что давление насыщенных паров большинства используемых в технике жидкостей - растворителей уменьшается с уменьшением температуры, представляется нерациональным охлаждение газа, который в данном случае является носителем паров,ниже температуры 15 С (288 К), Применение таких температур при продувкегаза показало, что хотя манипуляторная прочность резко возрастает но,расход воздуха и время продувки (аследовательно, и затраты на проведение процесса) резко возрастаетПовышение температуры продувки свыше 348 К приводит к значительному уменьшению удельной поверхностной энергии жидкой составляющей, что бло-З." Кирует капиллярные силы в момент, когда они должны достигать максимального значения, В связи с этим в табл. 5 не приводятся данные по свойствам составов, отвержденных при тем 40 пературе продуваемого газа ниже 288 К и вьдпе 348 К.Во всех приведенных таблицах даны сравнительные сведения по свойствам стержней отверждаемых как по предлагаемому способу так и по способу-прототипу, причем испытания рассмотренных смесей осуществлялись при двух содержаниях связующего: при уменьшенном, когда изготовить стержень по прототипу не удается и при увеличенном когда удается изготовить стержень по способу-прототипу, но экономически более оправдано работать с низким содержанием дорогостоящего связующего.После окончания перемешивания составы во всех случаях засыпают в ре 887зервуар пескострельной машины и изготавливают образцы-восьмерки, После этого образцы продувают воздухом до заданного остаточного содержания жидкой добавки, которое определялось путем взвешивания контрольных партий образцов на электронных весах с точностью до 0,01 г. Время продувки, как правило, составляло 2-4 мин.Потери массы состава, отнерждаемого по способу-прототипу, не оценивались, а время продувки составляло 4-5 мин.После окончания продувки восьмерки извлекались из ящиков и помещались в сушило. Температура нагрева стержней определялась видом используемого связующего и находилась в пределах 455-503 К.Часть восьмерок использовалась для определения прочности на растяжение сразу же после извлечения стержней из ящика. Соответствующие данные представ, пены в табл. 1 - 5 в графе "манипуляторная прочность .Для оценки плотности стержней производилось изготовление стандартных образцов диаметром и длиной н 50 мм. Плотность оценивалась весовым методом.Выбиваемость оценивалась путем разрушения стержня диаметром 50 Ф 50 мм, предварительно залитого металлом. Оценка выбиваемости производилась с использованием стандартного копра, масса падающего груза которого была уменьшана до 200 г, а пуансон копра был заменен на боек, имитирующий по своей форйе конфигурацию рабочей части дробилки диаметром в 2 мм. На специальном столике н тисках зажималась отливка таким образом, чтобы знаковая часть стержня 5 ыла свободна для удара бойком. Выбиваемость определялась по числу ударов, необходимых для достижения, бойком стенки от,ливки.Состав смеси для способа-протогипа при испытаниях на выбинаемость4был воспроизведен полностью, что обусловлено невозможностью корректной оценки выбиваемости образцов, полученных по прототипу, из-за глубокого проникновения в поры оченьрыхлого образца при содержании связующего в 1,5 и изготовлении его поспособу-прототипу. Качество поверхности отливки (шероховатость) определялась пневматически методом наприборе МАМИ с использованием эталонов шероховатости литых поверхностей,Газотворная способность стержнейоценивалась по стандартной методике.Смесь для испытаний отбиралась отцилиндрических образцов 50 х 50 мм,предназначенных для испытания на выбиваемость.Анализируя данные, представленныев табл. 1 видно, что наилучшими показателями качества процесса обладаетспособ, соответствующий варианту 2,однако зависимость всех показателейкачества от разности между удельнымиповерхностными энергиями растворителя и жидкой добавки имеет экстремальный характер, что позволяет выбратьв качестве рационального предела дляудельной поверхностной,эйергии добавки величину на 0,01-0, 1 Дж/мбольше удельной поверхностной энергиирастворителя.При разнице в удельной поверхностной энергии менее 0,01 Дж/м междурастворителем и жидкой добавкой увеличение капиллярного давления сущедствующего в мениске, расположенномв зоне песчинок, не приводит к ростуусилия стягивания частиц кварцевыхзерен до величины, которая позволяетмаксимально сблизить частицы пескабез приложения внешней уплотняющейнагрузки, что собственно исключаетвозможность физико-химического доуплотнения смеси в процессе удалениярастворителя: препятствует образованию в зоне контакта пленок связующего; образованию жесткого скелета изогнеупорного наполнителя; снижаетэффективность использования связующего и исключает возможность реализации целей, изложенных в формулеизобретений,При разнице в удельной поверхност-.ной энергии более 0,1 Дж/м междурастворителем и жидкой добавкой впроцессе смесеприготовления образуются конгломераты смеси, обладающиетакой высокой прочностью, что качественное приготовление смеси практически невозможно. Анализ данных табл. 2 показывает, что температура кипения жидкой добавки также оказывает на большинство смесей экстремальное влияние. Приближение к заданным пределам снижает показатели качества процесса, хотя и в этом случае они остаются на более5 10 5 20 высоком уровне по сравнению со свойствами по прототипу.Предел по температуре кипения жидкой добавки на 3-5 К больше температуры кипения растворителя это обусловлено тем, что снижение данного предела приводит к нарушению благоприятного течения процеса, состоящего в том, что в первую очередь должен удаляться растворитель, во вторую - жидкая добавка. Температурные флуктуации на уровне размеров частицы огнеупорного наполнителя, связанные с локальными перегревами частиц при их трении как между собой, так и о металлическую оснастку, в том числе смеситель, приводит в этом случае к одновременному испарению жидкой добавки и растворителя, что недопустимо. При превышении температуры кипения жидкой добавки величины, при которой разность между этой температурой и температурой деструкции связующего становится меньше 5-10 К, процесс отверждения стержня тепловойобработкой невозможно осуществитьтак как скорость прогрева стержняопределяется в первую очередь (припрочих равных условиях) градиентомтемператур по сечению стержня. Еслиперепад температур остается таким,что температура на поверхности стержня превысит температуру деструкциисвязующего, то стержень будет дефектным,Кроме того, в массовом производстве стержней практически невозможнообеспечить выкипание жидкой добавкив изотермических условиях. Естественные колебания температуры печи будутприводить к резкому снижению надежности удаления жидкой добавки в печи,при одновременном сохранении свойствсвязующего.Таким образом нарушение пределовпо удельной поверхностной энергии итемпературе кипения резко снижает.прочность, выбиваемость и т.д.Как следует из данных табл. 3, оптимальное содержание жидкой добавкинаходится в области 0,6 мас,7, Учитывая, что в качестве жидкой добавки вконкретной технологической ситуации55 могут быть использованы как дорогостоящие органические соединения, таки техническая вода, то нижним является предел 0,17, при котором целесо1243887 образно использование органики, а верхним - 1 ь 07 до которого можно поднимать содержание. воды без заметного снижения характеристик процесса.Дальнейшее расширение предела по содержанию жидкой добавки в большую сторону не рационально из-за излишних энергетических и материальных затрат на поддержание процесса с повышенным содержанием жидкой добавки, которое влечет за собой снижение свойств стержня.Как следует из данных табл. 4, , остаточное содержание жицкой добавки является важной регламентирующей характеристикой процесса. Ее увеличение выше оговоренного предела (верхнего), и уменьшение ниже обусловлен,ного предела приводит к резкому снижению манипуляторной прочности и других важнейших свойств. Без добавки С введением жидкой добавки Вариант, У 23 0,045 0,093 0,012 0,07 0,10 0,12 0,085 1,2 1,8 Плотность, кг/мь 1590 1580 1560 1570 40 63 160 3,0 0,0081 0,0085 0,0163 0,0082 Таблица 2 Без добавки Свойства Вариант, В Температура кипения, КМанипуляторнаяпрочность, МПа 334,5 428 ь 7 278 ьЗ 0,12 0,10 0,08 0,06 Разность в удельнойповерхностной энергии Манипуляторная прочность,МПа Конечная прочность, МПа Выбиваемостьь кгс/смШероховатостьСодержание связующего, 7. Газотворная способность,м /кг Данные, представленные в табл. 5показывают, что важнейшей характеристикой процесса является температурапродуваемого воздуха. Излишне горя чий воздух, также каки холоднЬйьприводит кпадению плотности,прочностии других характеристик процесса.Анализируя данные табл. 1-5 можноотметить, .что для составов смесей, 10 изготовленных с применением различных смол и растворителей, применениеспособа изготовления стержней по прототипу приводит к ухудшению техникоэкономических показателей.15 Использование изобретения в условиях производства позволит повысить прочность смесей и, соответственно, форм и стержней, их плотность и ка,чество поверхности отливок, а такжеулучшить,выбиваемость смесей и их газотворную способностьТаблица С введением жидкой добавки12 1243887 Продолжение табл.2. Без добавки С введением жидкой добавки 1 2 3 4 Свойства Вариант, У Конечная прочность, МПа 1,2 1,5 1,3 Плотность, кг/м 1570 1580 1590 1570 Выбиваемость,кгс/см Газотворная способность, мз /кг 0,0147 Шероховатость поверхности отливок 180 62 37 28 Содержание связующего, 7 3,0 1,5 1,5 Таблица 3 Количество добавки Свойства 1,0 0,1 0,6 2 3 4 Вариант, Н 0 О,онечная проторна ь, МП Без добавки 0,0071 0,0069 0,00841243887 147Таблица 4 13 Остаточное содержание жидкой добавки Без добавки Свойства 0,05 0,30 Вариант, 118 2 3 4 0,07 0,15 0,12 0,08 1,2 1,25 1,80 1,23 1560 1570 1590 1550 2, 1 1 1 Выбиваемость Газотворная способность, м/кг 0,0165 0,0082 0,0081 0,0085 1,5 1,5 Шероховатостьотливки 195 60 Таблица 5 Температура продуваемого газа, К Свойства С добавкой воды ( 288 313 288 313 348 0,04 . 0305 0312 Оф 07 0,04 0,06 Конечная прочность,МПа 2,1 2;65 2,2 Плотность, кг/м 1 570 1590 1600 1580 Выбиваемость Газотворная способность м/кг 0,106 0,104.0,103 0,054 0,052 О, 051 ФШероховатость 1 отливки 190 т 195 201 25 27 29 Содержание связующего, Х 1,5 Вниипи Заиаа 3748713.: тираж 757 Подписное Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 Манипуляторная прочность, МПа Конечная прочность, МПа Плотность,кг/ми Содержание свя"зуняцего, 7,Манипуляторная прочность, МПа Без добавки