СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИПСОВЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК ИЗ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Название	СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИПСОВЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК ИЗ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ
Разработчик (Авторы)	Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Романов В.А., Ивочкина О.В.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2162762
Дата регистрации	10.02.2001
Правообладатель	Южно-Уральский государственный университет
Область применения (класс МПК)	B22C 1/18 (2000.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления гипсовых форм и стержней в производстве отливок из цветных сплавов.

В настоящее время широко используются импортные формовочные гипсовые смеси: "К-90", "Суперкаст", "Сатинкаст", "Ультравест" [1, 2], а также отечественные: "Ювелирная-1" и "Ювелирная-2" [2]. Однако, являясь узкоспециализированными на производство ювелирных изделий, эти смеси не обеспечивают требуемого качества производства машиностроительных отливок, в особенности крупногабаритных и сложнопрофильных.

Применяемые для машиностроительных отливок способы изготовления гипсовых форм и стержней, основанные на обработке смесей в автоклаве [3], являются трудоемкими и дорогостоящими. Кроме того, при этом не достигаются физико-механические свойства гипсовых форм и стержней, необходимые для изготовления массивных и тонкорельефных отливок [3].

Наиболее близким по технической сущности является способ приготовления смеси для изготовления керамических форм и стержней при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов [4]. В соответствии с указанным прототипом при приготовлении смеси, имеющей состав, мас.%:
Гипс - 10-14
Динас - 59-63
Пылевидный возгон шамотного производства - 3,7-7,0
Алюмохромфосфатное связующее - 0,003-0,02
Вода - остальное
осуществляют предварительную обработку водного раствора алюмохромфосфатного связующего наносекундными электромагнитными импульсами с последующим перемешиванием ингредиентов и вибровакуумированием.

Известное техническое решение обеспечивает стабильность свойств смеси и технологичность операции формовки смеси указанного состава. Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:
- недостаточный уровень реологических свойств суспензии для качественного воспроизводства ею поверхности моделей сложнопрофильных машиностроительных отливок;
- отсутствие пористой структуры гипсовых форм и стержней после сушки, их низкая газопроницаемость, которая не позволяет осуществить качественного формирования машиностроительных отливок, в особенности из алюминиевых сплавов, склонных к газонасыщению;
- необходимость проведения для получения заданных свойств длительной высокотемпературной прокалки форм, увеличивающей энергоемкость и себестоимость производства отливок;
- неудовлетворительный комплекс прочностных характеристик форм и стержней для изготовления ответственных машиностроительных отливок, в особенности повышенной массы и габаритов.

В основу изобретения положена задача создать такой способ приготовления смеси определенного состава, который обеспечил бы улучшение реологических свойств суспензии и физико-механических характеристик гипсовых форм и стержней для повышения качества производства сложнопрофильных машиностроительных отливок ответственного назначения из цветных сплавов, в особенности крупногабаритных и массивных.

Указанная задача решается таким образом, что в способе приготовления смеси для изготовления гипсовых форм и стержней при производстве отливок из цветных сплавов, включающем предварительную физическую обработку одного из ингредиентов смеси и ее перемешивание, согласно изобретению при составе смеси, мас.%:
Гипс - 20-25
Пылевидный кварц - 20-30
Кварцевый песок - 10-20
Алюмохромфосфатное связующее - 0,08-0,20
Поверхностно-активное вещество - 0,14-0,30
Вода - остальное
перед перемешиванием ингредиентов осуществляют подготовку водного раствора алюмохромфосфатного связующего и поверхностно-активного вещества и последующую обработку полученного раствора ультразвуком в течение 3-10 мин. Кроме того, перемешивание ингредиентов смеси проводят путем ее барботажа с одновременным наложением ультразвукового поля в течение 3-8 мин.

Использование в способе приготовления смеси состава, содержащего распространенные формовочные материалы - пылевидный кварц и кварцевый песок в указанном соотношении ингредиентов, а также поверхностно-активное вещество (ПАВ), диктуется необходимостью создания условий для смачиваемости суспензией моделей, уменьшения коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) форм и стержней, повышения их прочности и газопроницаемости.

Соотношение ингредиентов смеси, указанное в формуле изобретения, вызывает формирование необходимых реологических свойств (текучесть и вязкость) и продолжительности затвердевания гипсовых суспензий.

Ультразвуковая (УЗ) обработка предварительно подготовленного водного раствора алюмохромфосфатного связующего (АХФС) и ПАВ для затворения сухих ингредиентов смеси обеспечивает увеличение текучести и продолжительности затвердевания гипсовой суспензии, необходимых для качественного изготовления крупногабаритных форм и стержней. Указанный эффект достигается за счет ионизации используемого раствора под действием ультразвука и более полного протекания реакции гидролиза АХФС, сопровождаемой повышением кислотности раствора. В результате чего образующиеся ионы растворенных веществ затворителя адсорбируются на частицах гипса и частично блокируют его взаимодействие с водой. Кроме того, под влиянием ультразвукового поля наблюдается диспергирование коллоидных частиц раствора, вызывающее уменьшение его вязкости и поверхностного натяжения. Совместная подготовка АХФС с ПАВ и обработка полученного раствора ультразвуком обеспечивает улучшение его смачивающей способности. При этом снижается поверхностное натяжение затворителя и создаются условия при подготовке смеси для ее перехода в пенообразное состояние. В результате обеспечивается улучшение воспроизводимости смесью тонкорельефной поверхности моделей и формируется равномерная высокопористая структура гипсовых форм и стержней при производстве отливок из цветных сплавов.

При этом "разжижение" затворителя позволяет увеличить степень наполнения суспензии и за счет этого повысить прочность и трещиноустойчивость форм и стержней.

Проведение перемешивания ингредиентов смеси путем ее барботажа с одновременным наложением ультразвукового поля создает условия для формирования пористой структуры форм и стержней вследствие активного газонасыщения суспензии, а также равномерного распределения во всем ее объеме и диспергирования образующихся пузырьков воздуха в результате явления кавитации и акустических течений, инициируемых ультразвуком в жидкой фазе суспензии. Кроме того, барботаж смеси, проводимый ее продувкой сжатым воздухом, обеспечивает качественное перемешивание ингредиентов, исключает необходимость использования электромешалок и увеличивает долговечность технологической оснастки.

При этом проведение операции барботажа в условиях воздействия ультразвука на смесь в течение 3-8 мин является оптимальным, поскольку именно в этот промежуток времени повышается вязкость суспензии до таких значений, при которых образующиеся пузырьки воздуха еще способны к локальному перемещению, но не обладают возможностью удалиться из объема суспензии совсем. Таким образом, указанная продолжительность обработки является необходимой для формирования пористой структуры форм и стержней, повышения их газопроницаемости до значений, обеспечивающих свободное удаление газов из полости только просушенных гипсовых форм при их заливке цветными сплавами, в частности алюминиевыми, особенно склонными к газонасыщению. За счет этого резко снижается брак по газовым раковинам ответственных машиностроительных отливок, например алюминиевых турбин компрессора двигателей внутреннего сгорания.

Предлагаемый способ приготовления смеси для изготовления гипсовых форм и стержней при производстве отливок из цветных сплавов осуществляют следующим образом.

Готовят водный раствор АХФС (ТУ6-18-166-78) и ПАВ. В качестве последнего могут быть использованы алкиларилсульфонаты (контакт Петрова, ДС-РАС, сульфонол), оксиэтилированные алкилфенолы (смачиватели ОП-7, ОП-10) и другие [5]. В воду дают 0,3-0,8 мас.% АХФС плотностью 1300-1320 кг/м3 и ПАВ в количестве 0,5-1,0 мас. % (по отношению к массе воды, используемой в качестве затворителя сухих ингредиентов смеси).

Полученный раствор подвергают обработке ультразвуком частотой 20-22 кГц и мощностью 4-6 кВт (на выходе генератора). Для этого может быть применена установка, состоящая из ультразвукового генератора, например марок УЗГ-22-10, УЗГ8-01/22 [6], магнитострикционного преобразователя (ПМС-15) и ванны, дном которой служит волновод, соединенный с сердечником преобразователя.

Обрабатываемый раствор заливают в ванну и воздействуют ультразвуком в течение 3-10 мин. При проведении операции "озвучивания" менее 3 мин не удается обеспечить требуемую степень ионизации и диспергирования коллоидного раствора и добиться эффекта "разжижения" затворителя. Ультразвуковая обработка водного раствора АХФС и ПАВ более 10 мин оказывается малоэффективной, поскольку дальнейших существенных физико-химических превращений в затворителе практически не происходит и технологические свойства смеси изменяются незначительно.

Параллельно с УЗ обработкой раствора осуществляют подготовку смеси из сухих ингредиентов: гипса, пылевидного кварца и кварцевого песка в соответствии с представленной рецептурой (см. формулу изобретения).

Предпочтительнее использовать высокопрочный гипс марок Г-16 и выше Самарского гипсового комбината, пылевидный кварц марки А (ГОСТ 9077-82), а также кварцевые пески марок 2КО315, 2КО2 (ГОСТ 2138-84).

Затем сухую гипсовую смесь засыпают в предварительно обработанный ультразвуком водный раствор АХФС и ПАВ из расчета 360-400 мл затворителя на 1 кг смеси.

Перемешивание полученной гипсовой суспензии проводят путем ее барботажа, причем с одновременным наложением ультразвукового поля указанных параметров в течение 3-8 мин.

Барботажно-ультразвуковая обработка смеси менее 3 мин не приводит к качественному вспениванию гипсовой смеси и не обеспечивает требуемой пористости форм и стержней. Продолжительность указанной обработки более 8 мин вызывает неравномерность в распределении пор в объеме формы (стержня) вследствие начала повышения вязкости гипсовой суспензии.

Барботаж гипсовой суспензии может быть осуществлен за счет подачи сжатого воздуха, например из цеховой сети, под давлением 3-5 атм. По окончании барботажно-ультразвуковой обработки смеси она используется для изготовления гипсовых форм и стержней.

Предлагаемый способ приготовления смеси для изготовления гипсовых форм и стержней иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Осуществляют подготовку водного раствора АХФС и ПАВ. Для этого АХФС (ТУ6-18-166-78) плотностью 1300 кг/м3 дают в дистиллированную воду в количестве 0,3 мас.%. В качестве ПАВ используют смачиватель ОП-7, 0,5 мас.% которого вливают в раствор с последующим перемешиванием.

Подготовленный раствор подвергают ультразвуковой обработке при частоте колебаний 22 кГц и мощности 5 кВт (на выходе генератора). Для этого применяют установку, включающую генератор ультразвука (УЗГ-22-10), магнитострикционный преобразователь (ПМС-15), сердечник которого соединен с волноводом, являющимся дном ванны с обрабатываемым раствором [6].

Варьируют продолжительность УЗ обработки водного раствора АХФС и ПАВ: 3, 5 и 10 мин. Одновременно готовят сухую смесь из высокопрочного гипса марки Г-16, пылевидного кварца марки А (ГОСТ 9077-82) и кварцевого песка марки 2КО315 (ГОСТ 2138-84). Смесь из указанных ингредиентов засыпают в предварительно обработанный ультразвуком раствор и перемешивают с помощью электромешалки при частоте вращения крыльчатки 1800 об/мин в течение 3 мин. Используют следующее соотношение ингредиентов, мас.%:
Гипс - 22
Пылевидный кварц - 25
Кварцевый песок - 15
Алюмохромфосфатное связующее - 0,1
Поверхностно-активное вещество - 0,2
Вода - остальное
Сухую смесь дают в водный раствор АХФС и ПАВ из расчета 360-380 мл затворителя на 1 кг смеси.

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют приготовление гипсовой смеси согласно прототипу. Подготовленные смеси используют для изготовления форм и стержней с фиксацией их физико-механических свойств.

Показателями для сравнения являются смачивающая способность затворителя, продолжительность затвердевания и текучесть смеси, прочность и газопроницаемость форм после сушки.

Смачивающую способность затворителя определяли по известной методике капиллярной пропитки пористой среды. Для этого измеряли в трубке диаметром 5 мм и высотой 400 мм равновесную высоту пропитки затворителем предварительно подготовленной смеси из кварцевого песка 2КО315 (ГОСТ 2138-84) и пылевидного кварца марки А (ГОСТ 9077-82), взятых в соотношении 3:1 по массе. Чем больше равновесная высота пропитки затворителем (раствором АХФС и ПАВ) пористой среды, тем лучше его смачивающая способность и выше степень воспроизведения гипсовой смесью поверхности моделей.

Продолжительность затвердевания гипсовой суспензии фиксировали с помощью иглы Вика [7].

Текучесть смеси оценивали, используя методику Суттарда, по диаметру растечения 250 мл суспензии при поднятии стандартной гильзы (диаметр и высота 50 мм) с гипсовой смесью, с момента затворения которой прошло 8 мин [7].

Прочность форм оценивали, испытывая на изгиб образцы размером (40х20х5)10-3 м после сушки на воздухе. Газопроницаемость образцов определяли по ГОСТ 23409.6-78.

Влияние УЗ обработки раствора АХФС и ПАВ на свойства суспензий, форм и стержней представлено в табл. 1. В ней приведены также значения прочности образцов, изготовленных по заявляемому способу при наполнении гипсовой суспензии: 360 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих.

Пример 2. Аналогично примеру 1 готовят смесь для изготовления гипсовых форм и стержней. Однако используют способ, по которому перемешивание ингредиентов смеси проводят путем ее барботажа с одновременным наложением ультразвукового поля (частота 22 кГц, мощность 5 кВт на выходе генератора). Варьируют продолжительность барботажно-ультразвуковой обработки гипсовой суспензии: 3, 5 и 8 мин.

Показателями для сравнения являются прочность и газопроницаемость форм, а также их точность после тепловой обработки, характеризуемая коэффициентом термического линейного расширения (КТЛР) в интервале температур 20-300oC.

КТЛР форм определяли на дилатометре "PAULIK", используя образцы диаметром 5 мм и высотой 30 мм.

Влияние барботажно-ультразвуковой обработки суспензии на свойства форм представлено в табл. 2.

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный способ приготовления смеси обеспечивает ее реологические свойства, требуемые для изготовления крупногабаритных машиностроительных отливок ответственного назначения. При этом уменьшается КТЛР смеси, улучшается смачиваемость гипсовой суспензией тонкорельефной поверхности моделей, значительно повышается прочность и газопроницаемость форм и стержней в производстве отливок из цветных сплавов.

Способ приготовления смеси опробован при изготовлении турбин компрессора из алюминиевых сплавов. Результаты показывают улучшение качества производства этих сложнопрофильных отливок ответственного назначения.

Учитывая повышенный комплекс получаемых технологических свойств, заявленный способ приготовления смеси для изготовления гипсовых форм и стержней может быть также использован для получения сложной литейной оснастки, в зубопротезном деле, в художественном литье.

Список литературы
1. Урвачев В.П., Кочетков В.В., Горина Н.Б. Ювелирное и художественное литье по выплавляемым моделям сплавов меди. - Челябинск: Металлургия. - 1991. - 168 с.

2. Магницкий О. Н. , Пирайнен В.Ю. Художественное литье. - СПб.: Политехника. - 1996. - 213 с.

3. Дошкарж И. , Габриель Я., Гоушть М., Павелка М. Производство точных отливок. - М.: Машиностроение, 1979. - 296 с.

4. Патент РФ N 2129932. Смесь для изготовления керамических форм и стержней при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов и способ ее приготовления / Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А, Крымский В.В. и др. Бюл. N 13, 1999 (прототип).

5. Моющие средства, их использование в машиностроении и регенерация / А. Ф. Тельков, Ю.С. Козлов. О.К. Кузнецов и др. - М.: Машиностроение, 1993. - 208 с.

6. Основы физики и техники ультразвука / Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н. Н. Хавский и др. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.

7. Гутов Л.А., Бабляк Е.Л., Изойко А.П. Художественное литье из драгоценных металлов. - Л.: Машиностроение, 1988. - 224 с.

Формула изобретения

1. Способ приготовления смеси для изготовления гипсовых форм и стержней при производстве отливок из цветных сплавов, включающий подготовку смеси из сухих ингредиентов, приготовление водного раствора алюмохромфосфатного связующего и их перемешивание, отличающийся тем, что водный раствор алюмохромфосфатного связующего приготавливают с поверхностно-активным веществом и обрабатывают полученный раствор ультразвуком в течение 3 - 10 мин, при этом смесь имеет следующий состав, мас.%:
Гипс - 20 - 25
Пылевидный кварц - 20 - 30
Кварцевый песок - 10 - 20
Алюмохромфосфатное связующее - 0,08 - 0,20
Поверхностно-активное вещество - 0,14 - 0,30
Вода - Остальное
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемешивание ингредиентов смеси осуществляют путем их барботажа с одновременным наложением ультразвукового поля в течение 3 - 8 мин.

Изобретение "СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИПСОВЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК ИЗ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ" (Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Романов В.А., Ивочкина О.В.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога