Смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов

 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении форм и стержней. Смесь включает следующие ингредиенты, мас. %: гипс 10-14, диспергированный кварцевый песок зернистостью 50-160 мкм 50-63, пылевидный возгон шамотного производства 3,7-7,0, дигидрофосфат натрия 0,05-0,1, вода остальное. Введение дигидрофосфата натрия обеспечивает повышение адгезионной способности гипсового связующего. Введение в смесь диспергированного кварцевого песка обеспечивает уменьшение коэффициента термического линейного расширения смеси. Следовательно, повышается точность, прочность и трещиноустойчивость форм и стержней. 2 табл.

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении форм и стержней на гипсовом связующем, преимущественно в производстве крупногабаритных художественных отливок из цветных и драгоценных сплавов, получаемых литьем по выплавляемым моделям (ЛВМ).

В настоящее время для изготовления форм на гипсовом связующем используют импортные смеси "К-90", "Суперкаст", "Ультравест" [1, 2] и отечественные: "Ювелирная-1" и "Ювелирная-2" [2]. Они положительно зарекомендовали себя в производстве мелких, ажурных ювелирных изделий, но не обеспечивают высоких технологических свойств, требуемых при литье по выплавляемым моделям крупногабаритных художественных отливок из цветных и драгоценных сплавов.

Наиболее близкой по технической сущности является смесь для изготовления керамических форм и стержней при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов [3]. В соответствии с указанным прототипом смесь включает гипс, динасовый порошок, пылевидный возгон шамотного производства, алюмохромфосфатное связующее и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Гипс - 10...14 Динасовый порошок - 50...63 Пылевидный возгон шамотного производства - 3,7...7,0 Алюмохромфосфатное связующее - 0,003...0,020 Вода - Остальное Известное техническое решение обеспечивает получение необходимого уровня реологических свойств (текучесть, продолжительность затвердевания) смеси для изготовления художественных отливок по выплавляемым моделям.

Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки: - повышенный коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) смеси, вызванный происходящими полиморфными превращениями тридимита и кристобалита динасового порошка, увеличивает склонность к трещинообразованию форм и стержней; - низкая седиментационная устойчивость коллоидного водного раствора алюмохромфосфатного связующего при выдержке более 24 ч не обеспечивает стабильность реологических свойств смеси и форм на гипсовом связующем, вследствие протекающего в нем процесса гидролиза; - затрудненные условия удаления смеси из развитых полостей тонкорельефных отливок увеличивают трудоемкость зачистных работ и приводят к безвозвратным потерям цветных и драгоценных сплавов;
- комплекс прочностных характеристик форм и стержней из смеси является неудовлетворительным для изготовления литьем по выплавляемым моделям крупногабаритных художественных отливок.

Кроме того, использование смеси прототипа предполагает усложнение способа ее подготовки, состоящее в дополнительной операции приготовления водного раствора алюмохромфосфатного связующего. Для способа подготовки динасового порошка, входящего в состав смеси прототипа, характерны высокие энергетические затраты, обусловленные необходимостью проведения трудоемкой операции дробления кирпичей с последующим помолом.

В основу изобретения положена задача создать такую смесь, которая была бы универсальной по массе выпускаемых отливок и обеспечила бы улучшение физико-механических свойств (КТЛР, трещиноустойчивость, прочность на сжатие, выбиваемость) форм и стержней на гипсовом связующем, стабильность технологического процесса их изготовления и за счет этого повышение качества литья по выплавляемым моделям.

Указанная задача решается таким образом, что смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов, включающая гипс, наполнитель на основе кремнезема, пылевидный возгон шамотного производства, фосфоросодержащую добавку и воду, согласно изобретению в качестве фосфоросодержащей добавки содержит дигидрофосфат натрия, а наполнителем является диспергированный кварцевый песок при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Гипс - 10...14
Диспергированный кварцевый песок зернистостью 50...160 мкм - 50...63
Пылевидный возгон шамотного производства - 3,7...7,0
Дигидрофосфат натрия - 0,05...0,1
Вода - Остальное
Твердая добавка дигидрофосфата натрия (ДФН) ГОСТ 245-66 дается в сухие составляющие формовочной смеси и в качестве затворителя используется только дистиллированная или водопроводная вода.

Образование фосфат-ионов при затворении водой сухой формовочной массы с ДФН создает условия для повышения адгезионной способности гипсового связующего и обуславливает увеличение прочности форм и стержней.

Отсутствие седиментации в водном затворителе обеспечивает стабильность свойств суспензии на гипсовом связующем материале, а введение ДФН в сухие составляющие формовочной массы исключает операцию приготовления водного раствора и позволяет осуществлять высокотехнологичное затворение водой.

Введение в смесь диспергированного кварцевого песка обеспечивает плавное расширение форм и стержней при нагреве в диапазоне 200...300^oС. В указанном интервале температур смесь, взятая в качестве прототипа, интенсивно расширяется вследствие происходящих полиморфных превращений тридимита и кристобалита динасового порошка. Негативное увеличение с высокой скоростью размеров кварцевого песка при 570...580^oC, вызванное переходом -кварца в -кварц, компенсируется в заявляемой смеси усадкой при этих же температурах пылевидного возгона шамотного производства. Поэтому в этой высокотемпературной области заявляемая формовочная смесь имеет плавное расширение. В связи с этим, для нее характерно, в отличие от прототипа, значительное уменьшение коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) в диапазоне температур 20. . . 800^oC, что обеспечивает повышение точности, прочности и трещиноустойчивости форм и стержней при нагреве.

Уменьшение КТЛР смеси позволяет увеличить интенсивность тепловой обработки форм и стержней на гипсовом связующем без их разрушения и трещинообразования.

Диспергирование частиц кварцевого песка до зернистости 50...160 мкм обеспечивает высокое качество отпечатка форм на гипсовом связующем, а также их требуемые физико-механические характеристики. При этом диспергирование может быть осуществлено простым помолом кварцевого песка, например, марок 3К₃О₂ОЗ или 5К₃О₂ОЗ (ГОСТ 2138-91), что выгодно отличается от трудоемкой операции дробления кирпичей при подготовке динасового порошка в смеси прототипа.

Подготовку заявляемой смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов осуществляют следующим образом. Готовят сухую смесь из гипса, диспергированного кварцевого песка, пылевидного возгона шамотного производства и дигидрофосфата натрия путем перемешивания сухих ингредиентов. Затем отмеряют необходимое количество воды.

Перед непосредственным изготовлением форм и стержней сухую смесь засыпают в предварительно подготовленный затворитель из расчета 380...400 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих. Смесь перемешивают и подвергают вибровакуумной обработке в течение 3...4 мин. После чего смесь может быть использована для изготовления форм и стержней.

Содержание в предлагаемой смеси диспергированного кварцевого песка менее 50 мас.% оказывается недостаточным для обеспечения необходимой трещиноустойчивости форм в процессе прокалки. Это вызвано повышенным содержанием связующего материала между зернами наполнителя. А именно, усадка гипса во время сушки приводит к возникновению внутренних напряжений, являющихся причиной образования трещин в связующем каркасе из CaSO₄2H₂O при нагреве. По этой же причине увеличивается и газотворная способность форм, так как образуется повышенное количество разлагающегося гипса в процессе заливки полости форм жидким металлом. Введение в состав смеси указанного диспергированного кварцевого наполнителя более 63 мас.% приводит к седиментации фракций наполнителя в гипсовой суспензии во время формовки.

Количество ДФН в смеси 0,05...0,1 мас.% является оптимальным с позиций достижения требуемых реологических свойств гипсовой суспензии (текучесть, продолжительность затвердевания).

В заявляемом составе предпочтительнее использовать высокопрочный гипс марок Г-16 (ГОСТ 125-79) и выше Самарского гипсового комбината.

Пылевидный возгон шамотного производства собирается на циклонах в системе обжиговых печей по изготовлению шамотных изделий, является отходом и недефицитен.

Предлагаемый состав смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем иллюстрируется следующим примером.

Пример. Готовят сухую смесь из гипса марки Г-16 (ГОСТ 125-79), диспергированного кварцевого песка, пылевидного возгона шамотного производства и дигидрофосфата натрия. Перед изготовлением форм и стержней сухую смесь вводят в затворитель - дистиллированную воду - в количестве 380 мл на 1 кг сухих составляющих с последующим перемешиванием и вибровакуумной обработкой в течение 3...4 мин. Применяют вибрацию с амплитудой 0,3...0,55 мм и частотой 50 Гц. Поддерживают разрежение в емкости с гипсовой суспензией с остаточным воздушным давлением 1400 Па [3].

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют приготовление смеси на гипсовом связующем согласно прототипу, соблюдая то же наполнение суспензии и указанные параметры вибровакуумной обработки смеси. Составы смесей приведены в табл. 1.

Подготовленные смеси используют для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем с фиксацией физико-механических свойств.

Показателями для сравнения являются коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) смеси в интервале температур 20...800^oС, трещиноустойчивость форм при прокалке, седиментационная устойчивость затворителя, прочность форм при сжатии после сушки и остаточная (характеризует выбиваемость смеси).

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

Трещиноустойчивость оценивали, прокаливая (550^oC, 4 ч) гипсовую смесь в стальных обечайках высотой 20 и диаметром 100 мм. После охлаждения образцов до 20^oC курвиметром измеряли суммарную протяженность трещин и вычисляли отношение площади поверхности образца к общей длине трещины (м²/мм).

Седиментацию затворителя оценивали по ГОСТ 80772-78.

Прочность форм определяли, испытывая на сжатие стандартные образцы диаметром и высотой 50 мм после сушки на воздухе и после прокалки (550^oC, 4 ч) и охлаждения до комнатной температуры.

Результаты испытаний смесей приведены в табл. 2.

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси позволяет более чем в 3 раза уменьшить КТЛР, повысить трещиноустойчивость форм во время прокалки, обеспечить стабильность свойств смеси за счет устранения седиментации затворителя. В результате создаются условия для повышения прочностных характеристик форм и стержней на 25...35% при улучшении их выбиваемости.

Смесь прошла промышленные испытания на ЗАО "Уральская бронза" (г. Челябинск) на широкой номенклатуре художественных отливок различных габаритов и массы. Отмечено значительное улучшение качества поверхности отливок, снижение более чем в 1,5 раза их брака по заливам, засорам и наплывам, уменьшение в 2...3 раза себестоимости литья по выплавляемым моделям.

Учитывая улучшенный комплекс технологических свойств смеси, ее универсальный характер завяленный состав может быть использован в точном литье машиностроительных заготовок из цветных сплавов.

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. 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).

Формула изобретения

Смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов, включающая гипс, наполнитель на основе кремнезема, пылевидный возгон шамотного производства, фосфоросодержащую добавку и воду, отличающаяся тем, что в качестве фосфоросодержащей добавки она содержит дигидрофосфат натрия, а в качестве наполнителя на основе кремнезема - диспергированный кварцевый песок зернистостью 50-160 мкм при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Гипс - 10-14
Диспергированный кварцевый песок - 50-63
Пылевидный возгон шамотного производства - 3,7-7,0
Дигидрофосфат натрия - 0,05-0,1
Вода - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2