Способ изготовления литейных форм и стержней

Способ изготовления литейных форм и стержней

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (И) (5Н 4 В 22 С 9/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Рю Г,л y1w g а q

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ц,, F

БИъ. М

К Д ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. В» (21) 3813849/22-02 (22) 22,11.84 (46) 15.07.86. Бюл. № 26 (71) Московский автомеханический институт (72) A.Â. Уваров, Е.Д. Боголепов, Г,М. Орлов, А.А. Моляренко, В.Н. Леснов, Л.С. Суркова и В.В. Мацокин (53) 621.743.04:621.744 04:621.744.58 (088.8) (56) Патент США ¹ 3943089, кл. В 22 С 9/12, 1971.

Авторское свидетельство СССР

¹ 685413, кл. В 22 С 9/12, 1979 . (54)(57) 1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ, включающий . смешивание зерновых материалов огнеупорного наполнителя на основе кремнезема и связующего с растворителем, формообразование и продувку смеси в оснастке газом до достижения формой или стержнем прочности на разрыв

0,3-0,6 кгс/см, нагрев формы или стержня вне оснастки до температуры на 5-10 К выше температуры стекловывания. связующего и на 5-10 К ниже температуры его деструкции и последующее охлаждение формы до комнатной температуры, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности и плотности форм и стержней и улучшения их выбиваемости, санитар- ...но-гигиенических условий труда, а также качества поверхности отливок, в состав смеси после растворения связующего вводят жидкую добавку, имеющую удельную поверхностную энергию на 0,01-0,1 Дж/м больше удельной поверхностной энергии растворителя, температуру кипения на 3-5 К больше температуры кипения растворителя и на 5-10 К меньше температуры деструк- ции связующего, в количестве О, 1

1,0 мас.7 от количества зерновых материалов, после чего продолжают перемешивание до получения смеси однородного состояния.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю. шийся тем, что в качестве жидкой добавки используют бензиловый спирт или воду, или водный раствор натриевых солей..

3. Способ по п, 1, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве жидкой добавки используют этанол или циклогексанон, или триэтиленгликоль.

4. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что продувку газом осуществляют до остаточного содержания в смеси жидкой добавки 0,05

0,5 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 12

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления форм и стержней в условиях массового и серийного производства отливок из черных и цветных сплавов.

Целью изобретения является повышение прочности и плотности форм и стержней и улучшение их выбиваемости, санитарно-гигиенических условий труpа, а также качества поверхности от.ливок

Сущность изобретения заключается в том, что в формовочную или стержневую смесь, получаемую путем перемешивания огнеупорного наполнителя со свя-. зующим и растворителем и последующим отверждением смеси в оснастке продувкой газом, вводят жидкую технологическую добавку, которая имеет удельную поверхностную энергию на 0 01

„0,1 дж/м большую, чем поверхностная энергия растворителя. При этом температура кипения технологической добавки должна быть на 3-5 К больше. температуры кипения растворителя и на 3-5 К меньше температуры деструкции связующего.

Количество вводимой технологической добавки должно составлять 0,11,0 мас. . от количества огнеупорного наполнителя.

Кроме того, продувка смеси газом. ведется до остаточного содержания жидкой технологической добавки 0,050,5 мас., и температура газа находится в пределах от 5-10 К ниже температуры кипения растворителя и выше на 1-10 К температуры затвердевания жидкой технологической добавки.

Введение в состав смеси после растворения связующего жидкой добавки приводит к снижению силового взаимодействия между частицами огнеупорного наполнителя смеси и переводит ее в текучее состояние.

После продувки смеси газом и удаления ее из состава растворителя объем жидкой составляющей в порах уменьшается и за счет удаления паров жидкой добавки, а учитывая, что жидкая добавка имеет более высокую поверхностную энергию, ее присутствие приводит к повышению капиллярных сил, стягивающих частицу смеси, Чем больше различие в удельной поверхностной эйергии между жидкой добавкой и растворителем, тем больше эффект, состоящий в блокировании связывающих усилий в период процесса формирования (формообразования) и увеличении этих усилий в период, когICtа формообразованне закончено, а часть жидкой добавки удалена продувкой °

Однако с ростом поверхностной энергии жидкэй добавки существенно умень1О шается ее адгезия к материалу огнеупорного наполнителя, что обусловливает экстремальный характер зависимости между стягивающими капиллярными эффектами и разностью между удельными поверхностными энергиями растворителя и жидкой добавки.

Экспериментально установлено, что область, в которой данный эффект проявляется в полной мере, находится в пределах, указанных в формуле изобретения °

Применение жидких добавок, имеющих температуру кипения на 3-5 К больше температуры кипения растворителя, гарантирует удаление жидких составляющих, сводящееся к первоочередному удалению растворителя, а последующему — жидкой добавки.

Если температура кипения растворителя меньше, чем температура кипения жидкой добавки, то при абсолютно низких значениях этих температур в . первую очередь улетучивается раство; ритель.

Введение в состав смеси жидкой добавки в количестве, меньшем чем

0,1% по отношению к огнеупорному наполнителю, малоэффективно из-за малого увеличения текучести смеси.

Введение в состав смеси жидкой добавки в количестве, превышающем

1,,0 об.X 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.

Пример 1. На смеси следующего состава, вес. .: кварцевый песок

97; вспенивающийся полистирол марки

ПСВ-Л 1,5; бензол 1,5, предлагаемый способ реализуется по следующей метоЯ дике °

Составляющие смеси в указанной последовательности загружают в катковые бегуны и смешивают в течение

1243887

1 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 поверхност-! ной энергией меньшей чем указано в

Э

l формуле изобретения. Это обусловлено тем, что при содержании связующего в 1,57. и введении в состав смеси дополнительных 0,5 мас.7. бензола свой— ствами стержня оказались столь йизкими, что не удалось извлечь стержни из оснастки без их разрушения.

Увеличение поверхностной энергии добавки, достигаемое увеличением концентрации поверхностно-активных веществ в водном растворе, также не. приводит к повышению прочностныхсвойств 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.

Пример 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 справачного пособия и представлены в табл. ?.

В табл. 2 отсутствуют данные по свойствам стержней, изготовленных с жидкой добавкой, имеющей температуру выше цредельной. Авторами проводились исследования способа, при котором в качестве жидкой добавки использовался тетраэтиленгликоль (температура

1р кипения составляет приблизительно

580 К). Однако отвердить образец продувкой в этом случае практически не удается,, кроме того, после выдержки в печи образец практически полностью теряет тот минимум прочностных свойств, который он имел после продувки.

Попытка применения в качестве жидкой добавки диэтилового эфира (т.кип.

307,5 К) также не позволила получить качественный образец из-за его пониженной прочности и плотности.. В связи с этим в табл. 2 отсутствуют данные по свойствам стержней, изготовленных с применением веществ, обладающих низкой температурой кипения.

Пример 3. На смеси следующе,го состава, мас.7.: фенолоформальде:гидная резольная смола СФ 015 1,5;

30 изопропиловый спирт 1 5 жидкая доЭ У банка 0 5 огнеупорный наполнитель кварцевый песок остальное, предлагаемый способ реализуется как приведенные выше, с тем отличием, что в качестве жидкой добавки использована вода, которая вводилась в количестве

0,17 (вариант 2, табл. 3), 0,67. (вариант 3, табл. 3), 17. (вариант 4, табл. 3).

Запредельные значения свойств по

4Р содержанию жидкой добавки в табл. 3 не приводятся из-за низких свойств стержня при его.извлечении из оснастки.

Пример 4. На смеси,по свое-.

45 му составу соответствующей варианту

3 из табл. 1, указанный способ реали- . зуется с тем отличием, что продувку воздухом осуществляют до остаточного содержания жидкой добавки в 0,057. (вариант 2, табл. 4), 0,37 (вариант

3, табл. 4), 0,57 (вариант 4, табл.4).

Данные по остальным свойствам стержней представлены в табл. 4.

В последнем случае не приводятся

55 данные по содержанию жидкой добавки менее 0,057., так как в этом случае не удается реализовать преимущества, достигаемые снижением капиллярных

5 1243 сип в процессе формообразования, и увеличением последних в процессе удаления более летучего растворителя.

При повышении содержания жидкой добавки свыше 0,5 также снижается прочность стержня, что обусловлено избыточным содержанием жидкой фазы к моменту окончания продувки.

П р е р На смеси, состав которой соответствует варианту 3, 10 табл. 3, указанный способ был реализован с тем отличием, что продувку воздухом производили газом, имеющим температуру 15, 40, 75 С (288,313, 343 К соответственно)„ 1I5

Данные по свойствам стержня представлены в табл. 5.

B связи с тем, что давление насыщенных паров большинства используемых в технике жидкостей — раствори- 2п телей уменьшается с уменьшением температуры, представляется нерациональным охлаждение газа, который в дан— ном случае является носителем паров, ниже температуры 15 С (288 К). Приме- 25 нение таких температур при продувке

1 газа показало, что хотя манипулятор-! ная прочность резко возрастает„ но ,расход воздуха и время продувки (а следовательно, и затраты на проведение процесса) резко возрастает.,Повышение 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 тем40 пературе продуваемого газа ниже 288 К и выше 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 ре887 зервуар 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 r. 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<5Амм, предварительно залитого металлом.

Оценка выбиваемости производилась с использованием стандартного копра, масса падающего груза которого была уменьшана до 200 r, 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 была свободна для удара бойком. Выбиваемость определялась по числу ударов, необходимых для достижения .бойком стенки от,ливки.

Состав смеси для способа-протогипа при испытаниях на выбинаемость

Ф был воспроизведен полностью, что обусловлено невозможностью корректной оценки выбиваемости образцов, полученных по прототипу, из-за глубокого проникновения в поры очень рыхлого образца при содержании связующего в 1,5 и изготовлении его по способу-прототипу. Качество поверхности отливки (шероховатость) определялась пневматически методом на

1243887 приборе МАМИ с использованием эталонов шероховатости литых поверхностей.

Газотворная способность стержней оценивалась по стандартной методике.

Смесь для испытаний отбиралась от цилиндрических образцов 50х50 мм, предназначенных для испытания на выбиваемость.

Анализируя данные, представленные в табл. 1 видно, что наилучшими показателями качества процесса обладает способ, соответствующий варианту 2, однако зависимость всех показателей качества от разности между удельными поверхностными энергиями растворителя и жидкой добавки имеет экстремальный характер, что позволяет выбрать в качестве рационального предела для удельной поверхностной,эйергии добавки величину на 0,01-0, 1 Дж/м больше удельной поверхностной энергии растворителя..

При разнице в удельной поверхностной энергии менее 0,01 Дж/м между растворителем и жидкой добавкой увеличение капиллярного давления суще0

У ствующего в мениске, расположенном в зоне песчинок, не приводит к росту усилия стягивания частиц кварцевых зерен до величины, которая позволяет максимально сблизить частицы песка без приложения внешней уплотняющей нагрузки, что собственно исключает возможность физико-химического доуплотнения смеси в процессе удаления растворителя: препятствует образованию в зоне контакта пленок связующего; образованию жесткого скелета из огнеупорного наполнителя; снижает эффективность использования связующего и исключает возможность реализации целей, изложенных в формуле изобретений.

При разнице в удельной поверхност-. ной энергии более 0,1 Дж/м между растворителем и жидкой добавкой в процессе смесеприготовления образуются конгломераты смеси, обладающие такой 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 более

10 !

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 растваритель, 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 бдновременному 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 тепловой обработкой невозможно осуществить так как скорость прогрева стержня

- определяется в первую очередь (при прочих равных условиях) градиентом температур по сечению стержня. Если перепад температур остается таким, что температура на поверхности стержня превысит температуру деструкции связующего, то стержень будет дефектным.

Кроме того, в массовом производстве стержней практически невозможно обеспечить выкипание жидкой добавки в изотермических условиях. Естественные колебания температуры печи будут приводить к резкому снижению надежности удаления жидкой добавки в печи, при одновременном сохранении свойств

45 связующего °

Таким образом нарушение пределов по удельной поверхностной энергии и температуре кипения резко снижает .прочность, выбиваемость и т.д.

Как следует из данных табл. 3, оптимальное содержание жидкой добавки находится в области 0,6 мас.7. Учитывая, что в качестве жидкой добавки в конкретной технологической ситуации 5 могут быть использованы как дорогостоящие органические соединения, так и техническая вода, то нижним является предел 0,17, при котором целесо10

1243887 образно использование органики, а верхним — 1,0X 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 сниI жению манипуляторной прочности и других важнейших свойств.

Вариант, Ф

2 3

0,045 0,093

0,012

0,07

0,10

0,12

О, 085

1,2

1,8

Плотность, кг/м

1590

1580

1560

1570

25

160

1,5

1,.5

3,0

1,5

0,0081 0 0085

0,0163

0,0082

Таблица 2

Ses добавки

Свойства

Вариант, У

Температура кипения, К

Манипуляторная прочность, МПа

334,5

428ь7 . 27893

0,12 0,10

0,08

0,06

Разность в удельной поверхностной энергии

Манипуляторная прочность, МПа

Конечная прочность, МПа

Выбиваемость, кгс/см

Шероховатость

Содержание связующего, 7.

Газотворная способность, мз /Kr

Данные, представленные в табл ° 5 показывают, что важнейшей характеристикой процесса является температура продуваемого воздуха. Излишне горя5 чий воздух, также как и холоднЬ й,приводит кпадению плотности,прочностии других характеристик процесса.

Анализируя данные табл. 1-5 можно отметить, .что для составов смесей, изготовленных с применением различных смол и растворителей, применение способа изготовления стержней по проГ\ тотипу приводит к ухудшению техникоэкономических показателей.

Использование изобретения в условиях производства позволит повысить прочность смесей и, соответственно, форм и стержней, их плотность и ка20,чество поверхности отливок, а также улучшить,выбиваемость смесей и их газотворную способность °

Таблица

Без добавки С введением жидкой добавки

С введением жидкой добавки

z.f з (12

1243887

Продолжение табл.2.

Без добавки С введением жидкой добавки

1 2 3 4

Свойства

Вариант, N 1,2

1,5

1,3

Плотность, кг/м 1570

1580

1590 1570

0,0147

Шероховатость поверхности отливок 180

62 37

3,0

1,5

1 5

Таблица 3

Количество добавки

Свойства

1,0

0,1 0,6

Вариант, Н- 1

2 3 4

Манипуляторная прочность, MIIa

0 06 0 08 0 13 0 11

2,2

2,4

2,6

2,0

1600

1610 1630 1620

0,110 0,052 0,052 0,054

24

195

1,5 1,5

3,0

Конечная прочность, МПа

Выбиваемость, кгс/см

Газотворная способность, мз /кг

Содержание связующего, 7

Конечная прочность, MIIa

Плотность, кг/мз

Выбиваемость, кгс/см

Газотворная способность, мэ /кг

Шероховатость поверхности отливки

Содержание связующего, 7.

Без добавки

0,0071 0,0069 0,0084

1243887 14

7 Таблица 4

Остаточное содержание жидкой добавки

Без добавки

Свойства

0,05

0,30

0,5

Вариант, 118

2 . 3 4

007 015 012 008

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

Шероховатость отливки

195

Таблица 5

Температура продуваемого газа, К

Свойства

С добавкой воды ((288 313

288 313 348

004 0 05 0,12 007

0,04

0,06

Конечная прочность, МПа

2,1

2;65

2,2

Плотность, кг/м 157Î 1590

1600

1580

Выбиваемость

Газотворная способность м /кг 0,106

0,104 .0,103 0,054 0,052

О, 051

Ф

Шероховатость отливки 190

195 201

25 27

Содержание связующеХ

1,5

1,5

BHHHElii Заааа 8748/18 7аааа

Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Манипуляторная прочность, ИПа

Конечная прочность, МПа

Плотность, Kr/M3

Содержание свя" зуняцего, Е

Манипуляторная прочность, МПа

Без добавки ((1630 1610

1 1