СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ ИЗ ЖИДКОСТЕКОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

Название	СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ ИЗ ЖИДКОСТЕКОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
Разработчик (Авторы)	Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Крымский В.В., Каркарин А.М., Ивочкина О.В., Ердаков И.Н.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2145265
Дата регистрации	10.02.2000
Правообладатель	Южно-Уральский государственный университет
Область применения (класс МПК)	B22C 9/00 (2000.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к области литейного производства и может использоваться для изготовления стержней и форм из жидкостекольных смесей.

Жидкостекольные смеси являются относительно дешевыми и экологически безопасными. Перспективным является изготовление литейных стержней и форм из этих смесей путем их продувки в оснастке газами-отвердителями. Из этих способов в настоящее время наибольшее распространение получил CO2-процесс [1].

Однако его существенными недостатками являются высокая осыпаемость, неудовлетворительные прочность и выбиваемость, длительность изготовления стержней и форм, в особенности для производства крупногабаритных и сложнопрофильных отливок.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления литейных стержней и форм из жидкостекольных смесей, включающий предварительный нагрев оснастки до 150...350oC, заполнение ее смесью, уплотнение и выдержку с последующей продувкой углекислым газом в направлении от нерабочей части стержня или формы к рабочей поверхности [2].

Известное техническое решение обеспечивает снижение осыпаемости и продолжительности изготовления стержней и форм.

Вместе с тем данный способ имеет следующие существенные недостатки:
неравномерность отверждения жидкостекольной смеси с выделением бикарбоната натрия, ухудшающего ее технологические свойства;
недостаточный уровень достигаемой прочности форм и стержней, в особенности при высоких температурах, для получения особо сложных по конфигурации и массивных отливок;
неудовлетворительная выбиваемость стержней и форм при производстве полых, крупногабаритных отливок;
длительность изготовления стержней и форм;
пониженные точность и качество поверхности получаемых отливок, в особенности тонкорельефных.

В основу изобретения положена задача создать такой способ изготовления литейных стержней и форм, который обеспечивал бы повышение качества производства сложнопрофильных отливок за счет улучшения физико-механических и технологических свойств жидкостекольных смесей, отверждаемых газообразными продуктами.

Указанная задача решается тем, что в способе изготовления литейных стержней и форм из жидкостекольных смесей, включающем нагрев оснастки, заполнение ее смесью и продувку газом-отвердителем, стержневую или формовочную смесь в оснастке продувают парами хлорида алюминия под давлением (1,5... 5,0)•105 Па.

Поставленная задача решается также тем, что предварительно пары хлорида алюминия обрабатывают наносекундными несинусоидальными электромагнитными импульсами (НЭМИ) в течение 5...20 минут.

Кроме того, при подготовке смеси жидкое стекло (ЖС) обрабатывают НЭМИ в течение 20...40 минут.

Продувка жидкостекольной смеси в оснастке парами хлорида алюминия обеспечивает ускоренное и равномерное огеливание связующего во всем объеме смеси. В результате создаются условия для устранения осыпаемости, повышения прочности стержней и форм, в том числе и в горячем состоянии, учитывая, что продукты взаимодействия хлорида алюминия с ЖС являются высокотемпературным связующим.

Обработка НЭМИ паров хлорида алюминия способствует активации указанного отвердителя и снижению продолжительности формирования прочности жидкостекольной смеси в оснастке. Вследствие чего ускоряется изготовление стержней и форм.

Воздействие НЭМИ на ЖС приводит к ионизации связующего раствора, разрушению гидратных оболочек его коллоидных частиц и их диспергированию, зафиксированному оптическими методами. По этой причине значительно уменьшается вязкость ЖС, возрастает его когезионная прочность и появляется возможность снизить содержание связующего в смеси, что обеспечивает улучшение выбиваемости форм и стержней из отливок.

За счет повышения прочности форм и стержней из жидкостекольных смесей, отверждаемых хлоридом алюминия, устранения их осыпаемости достигаются точность и высокое качество поверхности отливок, в особенности сложнопрофильных и тонкорельефных. Улучшение выбиваемости форм и стержней снижает трудоемкость и себестоимость изготовления таких отливок.

Способ осуществляют следующим образом.

Пескодувным или пескострельным методом заполняют жидкостекольной смесью оснастку, предварительно нагретую до температур 150...350oC. Нагревая хлорид алюминия (ТУ 6-01-797-83) до температур 180...200oC, переводят его в газообразное состояние и осуществляют подачу указанного отвердителя под давлением (1,5...5,0)•105 Па в оснастку, заполненную жидкостекольной смесью.

После продувки газом-отвердителем через венты в оснастке стержни и формы могут быть использованы для изготовления отливок.

Диапазон температур нагрева оснастки 150...350oC обеспечивает ускоренное формирование поверхностной прочности стержней (форм) и требуемое содержание в них влаги. При температуре ниже 150oC увеличивается продолжительность формирования прочности смеси в оснастке. Нагрев с температурой выше 350oC приводит к удалению влаги с высокой скоростью, нарушающей сплошность пленок связующего и уменьшающей прочность стержней и форм.

Кроме того, чрезмерное повышение температуры оснастки является экономически необоснованным.

Диапазон давлений (1,5... 5,0)•105 Па подачи хлорида алюминия в жидкостекольную смесь, находящуюся в оснастке, определяет качество получаемых стержней и форм. При давлении менее 1,5•105 Па затрудняется фильтрация газа-отвердителя через поровое пространство жидкостекольной смеси, наблюдается неравномерность отверждения отдельных частей стержней и форм, нарушающая их геометрию. Давление более 5•105 Па не повышает эффективность процесса, увеличивает затраты, может также привести к локальному разрушению стержней и форм в оснастке и снижению их точности.

Для ускорения формообразования хлорид алюминия в газообразном состоянии перед подачей в жидкостекольную смесь, находящуюся в оснастке, обрабатывают НЭМИ в течение 5...20 минут. Для этого в емкость с газом-отвердителем устанавливают излучатель, присоединенный к генератору НЭМИ мощностью 1 МВт в импульсе при частоте их повторений 1000 Гц. Указанные параметры являются оптимальными для современных генераторов [3].

Оптимальная продолжительность воздействия НЭМИ в пределах 5...20 минут обеспечивает сокращение времени отверждения жидкостекольной смеси и быстрое изготовление стержней и форм. При обработке НЭМИ газа-отвердителя менее 5 минут ускорение формообразования несущественно. Воздействие НЭМИ, продолжающееся более 20 минут, не приводит к дальнейшему повышению эффективности способа, увеличивает энергозатраты и поэтому экономически неэффективно.

Для сокращения содержания связующего и за счет этого улучшения выбиваемости форм и стержней из отливок ЖС перед подготовкой смеси также подвергают воздействию НЭМИ в течение 20...40 минут. При обработке жидкого стекла НЭМИ менее 20 минут не удается провести в необходимой степени диспергирование коллоидных частиц связующего и существенно снизить его вязкость. В результате невозможно значительно снизить количество ЖС в смеси при сохранении требуемого уровня прочности форм и стержней и за счет этого улучшить их выбиваемость.

Продолжительность воздействия НЭМИ более 40 минут оказывается малоэффективной, поскольку связующее переходит в стабильное состояние и дальнейшего уменьшения вязкости ЖС при обработке не происходит. Кроме того, при увеличении времени обработки НЭМИ повышается энергоемкость изготовления стержней и форм.

Заявляемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Готовят в бегунах формовочную смесь из кварцевого песка 2КО315, ГОСТ 2138-84 (94%) и жидкого стекла (6%) модулем 3,0 и плотностью 1450 кг/м3 (ГОСТ 13078-81). Заполняют оснастку, предварительно нагретую до 200oC, подготовленной жидкостекольной смесью. Параллельно нагревают хлорид алюминия (ТУ 6-01-797-83) до температур 180...200oC его перехода в газообразное состояние. После чего осуществляют подачу газа-отвердителя в жидкостекольную смесь под давлением (1,5; 3,0; 5,0)•105 Па. После формирования прочности жидкостекольной смеси в оснастке производят извлечение стержней и используют их для изготовления отливок.

Показателями для сравнения с прототипом служат технологические свойства жидкостекольных смесей: предел прочности при растяжении стандартных образцов-восьмерок [4], осыпаемость по ГОСТ 23409.9-78 и точность размеров в процентах к номинальным, а также выбиваемость, оцененная по остаточной прочности на сжатие цилиндрических образцов диаметром и высотой 50 мм после их нагрева до 800oC, выдержки в течение 1 часа и охлаждении до комнатной температуры. Кроме того, фиксируется продолжительность изготовления стержней (форм), определяемая в процентах к прототипу, для которого указанная величина составляет 100 %.

Показатели заявляемого способа изготовления стержней и форм в сравнении с прототипом и влияние давления газа-отвердителя на свойства жидкостекольных смесей представлены в табл. 1.

Анализ полученных результатов показывает по сравнению с прототипом повышение в 1,5...2,0 раза точности и прочности стержней и форм, в особенности в горячем состоянии, снижение продолжительности формообразования за счет огеливающего действия на жидкостекольную смесь хлорида алюминия и образования более термопрочных продуктов его взаимодействия с ЖС при нагреве. Эти продукты имеют более высокую температуру плавления, чем ЖС, отвержденное CO2, и обеспечивают блокирование жидкостного спекания cтержней и форм при их заливке железоуглеродистыми сплавами. В результате улучшается выбиваемость жидкостекольных смесей из отливок, в особенности тонкорельефных, со сложными полостями и поднутрениями.

Улучшение технологических свойств стержней и форм достигается также оптимальным диапазоном значений давления подачи газа-отвердителя в оснастку со смесью.

Пример 2. Для активации газа-отвердителя его обрабатывают НЭМИ. Варьируют продолжительность обработки: 5, 15, 20 минут. Остальные технологические параметры изготовления стержней и форм аналогичны приведенным в примере 1 при соблюдении оптимального давления подачи газа-отвердителя в оснастку с жидкостекольной смесью: 3• 105Па.

Используют генератор НЭМИ мощностью 1 МВт в импульсе при частоте их повторений 1000 Гц [3]. К генератору подсоединены медные излучатели, установленные в емкость с хлоридом алюминия в газообразном состоянии. Влияние продолжительности обработки НЭМИ газа-отвердителя на свойства смесей представлено в табл. 2.

Из полученных результатов видно, что обработка газа- отвердителя НЭМИ вызывает электроимпульсную активацию хлорида алюминия в газообразном состоянии и обеспечивает значительное ускорение формообразования и повышение прочностных свойств жидкостекольных стержней и форм.

Положительный эффект достигается соблюдением оптимального диапазона продолжительности обработки газа-отвердителя НЭМИ.

Пример 3. Для снижения содержания ЖС в смеси до 3 % при сохранении ее высоких прочностных характеристик и за счет этого улучшения выбиваемости осуществляют обработку указанного связующего НЭМИ. При этом поддерживают параметры изготовления стержней и форм, приведенные в примере 2, соблюдая продолжительность обработки НЭМИ газа-отвердителя - 15 минут и давление его подачи в оснастку -3•105 Па.

Варьируют время воздействия НЭМИ на ЖС: 20, 30, 40 минут. Влияние продолжительности обработки НЭМИ жидкого стекла на свойства смеси представлено в табл. 3.

Анализ данных табл. 3 показывает, что обработка НЭМИ приводит к диспергированию коллоидных частиц ЖС, в результате чего наблюдается эффект "разжижения" связующего (уменьшение в 1,5...2,0 раза вязкости) и удается предельно сократить содержание ЖС в смеси. За счет этого создаются условия для улучшения выбиваемости стержней и форм. При этом сохраняется высокий уровень прочностных характеристик смеси (см. табл.2 и табл.З) вследствие физико-химической активации НЭМИ связующего.

Таким образом, заявляемый способ изготовления литейных стержней и форм из жидкостекольных смесей обеспечивает улучшение их физико- механических свойств. В результате повышается качество отливок и снижается трудоемкость их производства.

Учитывая комплекс получаемых технологических свойств, заявляемый способ изготовления стержней и форм может быть применен для получения из черных и цветных сплавов тонкорельефных, сложнопрофильных отливок, со сложными полостями и поднутрениями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гуляев Б.Б., Корнюшкин О.А., Кузин А.В. Формовочные процессы. - Л.: Машиностроение, 1987. - 264 с.

2. Патент РФ N 2082539, кл. B 22 C 9/10, 9/12. Способ изготовления литейных стержней или форм из жидкостекольных смесей /Никифоров А.П., Иткис З. Я. , Никифорова М.В., Афонаскин А.В., Никифоров С.А., Трудоношин А.Н. Бюл N 18, 1997. (прототип).

3. Патент РФ N 1757088. Формирователь наносекундных импульсов /Белкин B. C., Шульженко Г.И. Бюл. N 31, 1992, с. 226.

4. Лабораторные работы по технологии литейного производства /Под общ. ред. А.В.Курдюмова. - М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.

Формула изобретения

1. Способ изготовления литейных стержней и форм из жидкостекольных смесей, включающий нагрев оснастки, заполнение ее смесью и продувку газом-отвердителем, отличающийся тем, что стержневую и формовочную смесь в оснастке продувают парами хлорида алюминия под давлением (1,5 - 5,0)•105 Па.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно пары хлорида алюминия обрабатывают несинусоидальными электромагнитными импульсами в течение 5 - 20 мин.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при подготовке смеси жидкое стекло обрабатывают несинусоидальными электромагнитными импульсами в течение 20 - 40 мин.

Изобретение "СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ ИЗ ЖИДКОСТЕКОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ" (Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Крымский В.В., Каркарин А.М., Ивочкина О.В., Ердаков И.Н.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога