EA017009B1 - Формовочная композиция - Google Patents

Abstract

Формовочная композиция относится к области литейного производства, а именно к составам материалов, используемых при изготовлении сырых разовых песчано-глинистых смесей с углеродсодержащими добавками. Сущность изобретения заключается в том, что формовочная композиция, содержащая молотый уголь 10-75 мас.ч., компонент-носитель блестящего углерода 3-20 мас.ч., технический углерод 0,2-2,0 мас.ч. и бентонит 5-75 мас.ч., дополнительно содержит шунгит в количестве 2-12 мас.ч. Использование в составе предлагаемой композиции технического углерода совместно с шунгитом способствует повышению противопригарного эффекта за счет снижения смачиваемости поверхности формы металлом и предотвращения проникновения металла в поры формы. Применение композиции в составах формовочных смесей обеспечивает им высокую стойкость к образованию пригара, ужиминам и минимальную шероховатость поверхности отливок. Это позволяет достичь значительного экономического эффекта за счет сокращения затрат на очистку отливок. Содержание бентонита в предлагаемой композиции в широком диапазоне концентрации позволяет разрабатывать составы формовочных смесей с повышенной прочностью без дополнительного ввода бентонита. Весь бентонит в таком случае вводится в смесь в составе формовочной композиции, что упрощает процесс приготовления формовочной смеси, а также способствует улучшению санитарно-гигиенических условий труда.

Description

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к составам формовочных композиций, используемых в формовочных смесях при изготовлении сырых песчано-глинистых (бентонитовых) смесей с углеродсодержащими добавками.

В литейном производстве при приготовлении формовочных смесей для чугунного литья используются различные углеродсодержащие добавки в жидком или порошкообразном виде.

Механизм действия этих добавок в роли противопригарного средства сводится в основном к их термическому разложению под действием высоких температур заливаемого металла в форму, сопровождающемуся образованием восстановительной атмосферы в полости формы, а также выделением пиролитического блестящего углерода с осаждением его на поверхности зерен кварцевого песка. Последнее обеспечивает уменьшение смачиваемости металлом поверхности формы и, как следствие, снижение склонности к образованию пригара. За счет пластификации углеродсодержащих добавок и их частичного выгорания происходит также снижение термических напряжений. Таким образом, может быть дополнительно получен и противоужименный эффект.

Наибольшее распространение в РФ в качестве противопригарного средства в составах песчанобентонитовых формовочных смесей для чугунного литья получило применение молотого и гранулированного каменного угля. Однако достигнуть необходимого технического результата не представляется возможным, особенно в случае ответственного сложного литья, из-за относительно низких показателей противопригарных свойств у данного материала - выход блестящего углерода составляет всего 4-5%, а также недостаточного противоужименного эффекта.

Для получения комплексного противопригарного и противоужименного эффектов известно (патент РФ № 2003425, МПК В22С 1/02, В22С 1/18, опубл. 30.11.93) использование формовочной композиции, состоящей из двух компонентов, мас.%:

асфальтит 15—60 молотый уголь с низкой температурой размягчения основа

К недостаткам приведенного состава следует отнести повышенную газотворную способность (как следствие, риск возникновения газовых раковин и ухудшение санитарно-гигиенической обстановки в литейном цехе), увеличение сухой прочности формовочной смеси при повышенном содержании асфальтита, приводящее к ухудшению выбиваемости.

Известен состав противопригарной композиции, состоящей из двух групп материалов, мас.%:

группа молотый уголь 75 - 90 битум, торф или асфальтит 10-25 группа торф, торф, бурый уголь или порошок полистирола 5 - 8 % от суммы ингредиентов (заявка ФРГ № 192022, МПК В22С 1/04, опубл. 12.11.70).

Недостатком этого материала является присутствие в нем торфа, бурого угля или порошка полистирола. Наличие торфа и бурого угля обусловливает снижение противоужименных свойств формовочных смесей из-за уменьшения предела прочности при разрыве в зоне конденсации влаги, а присутствие порошка полистирола - выделение особо токсичных веществ для человеческого организма.

Известен формовочный материал для изготовления песчано-глинистых смесей для чугунного литья. (патент РФ № 2262410 С1, МПК В22С 1/02, опубл. 20.10.2005). Формовочный материал содержит молотый уголь, битум, технический углерод, бентонит, пек древесно-смоляной и продукт переработки крахмалсодержащих соединений при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

молотый уголь основа битум 5,0 - 30,0 пек древесно-смоляной 5,о _ зо,О технический углерод 2,0 - 5,0 бентонит 5,0 -15,0 продукт переработки крахмалсодержащих соединений 5,0 - 10,0 при этом суммарное содержание битума и пека древесно-смоляного составляет 15,0-35,0

К главному недостатку данного материала следует отнести то, что продукты деструкции пека, выделяющиеся под воздействием жидкого металла, содержат кислые газы, способные к дезактивирующему эффекту по отношению к бентониту, а расплавившийся пек может образовывать вокруг зерен пленку, препятствующую набуханию бентонита, что также способствует увеличению расхода связующего.

При использовании легко сгорающих органических добавок, типа продуктов переработки крахмалсодержащих соединений, например ЭКР (экструзионный крахмалсодержащий реагент ТУ 2482-002

- 1 017009

41686452-97), в форме могут возникать поры, увеличивающие опасность образования механического пригара. Кроме того, ЭКР повышает сухую прочность при сжатии и снижает термостойкость связующего. Следовательно, принимая во внимание специфичность влияния продуктов переработки крахмалсодержащих соединений, например ЭКР, на свойства формовочной смеси, их предпочтительнее вводить в смесь самостоятельно в минимально необходимых количествах с учетом номенклатуры литья, способа уплотнения и условий производства. Особенно это относится к составам формовочных смесей, предназначенным для изготовления форм динамическим способом уплотнения. В этом случае, из-за недостаточного (по сравнению со статическим способом) усилия уплотнения использование в формовочной смеси относительно завышенного количества ЭКР может привести к отрицательному воздействию на плотность и предел прочности при разрыве во влажном состоянии.

Таким образом, данный состав формовочного материала, кроме всего прочего, не может быть универсальным относительно способа уплотнения форм.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является комплексный углеродсодержащий материал для формовочной смеси, позволяющий одновременно повысить противопригарный и противоужименный эффекты, компоненты которого взяты в следующем соотношении, мас.%:

молотый уголь основа битум с температурой размягчения 125 - 135 °С 12-20 технический углерод 2-5 бентонит_________________________________5-15 (патент РФ № 2139769, МПК В22С 1/02, опубл. 20.10.99).

Однако причиной, препятствующей широкому использованию вышеуказанного формовочного материала с получением желаемого технического результата, является использование в его составе твердоплавкого дорогостоящего и дефицитного битума с температурой размягчения 125-135°С. При использовании битума с более низкой температурой размягчения затрудняется процесс его размола и возникает опасность слеживания продукта.

Технической задачей изобретения является разработка формовочной композиции для изготовления песчано-глинистых смесей, обеспечивающей получения чугунных отливок без пригара, ужимин, со значительным улучшением состояния поверхности отливок, при одновременном обеспечении возможности уменьшения содержания дорогостоящих и дефицитных материалов.

Техническими результатами решения задачи являются достижение минимальной смачиваемости поверхности формы металлом и предотвращение проникновения металла в поры формы;

существенное снижение напряжений в поверхностном слое формы при заливке металлом;

достижение минимальной шероховатости поверхности отливок, оцениваемой по среднему арифметическому отклонению профиля;

отсутствие (при неблагоприятных атмосферных условиях) слеживаемости композиции при хранении и транспортировке.

Все это обеспечивает универсальность формовочной смеси с использованием предлагаемой компо зиции.

Необходимый технический результат достигается тем, что формовочная углеродсодержащая композиция, содержащая молотый уголь, компонент-носитель блестящего углерода, технический углерод и бентонит, дополнительно содержит шунгит при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

молотый уголь10-75 компонент-носитель блестящего углерода 3-20 технический углерод θ·2 - 2,0 бентонит5-75 шунгит2-12

Шунгит является уникальным природным образованием как по происхождению, так и по структуре самой породы и входящего в его состав углерода. Порода шунгита на 30% состоит из шунгитового углерода, остальное - силикаты. Сама структура шунгитовой породы представляет собой композит. Матрицу композита образует углерод, в ней равномерно расположены высокодисперсные частицы силикатов, в основном кремнезема. Средний размер силикатных частиц менее 10 мкм. Свойства шунгитовой породы определяются ее структурой, взаимодействием углерода и силикатов, а также свойствами самого шунги тового углерода.

Шунгитовый углерод обладает аморфной структурой, характеризуется высокой реакционной способностью и высокими сорбционными свойствами. Российская Федерация имеет большие залежи Карельских шунгитовых пород.

В шунгитовом углероде впервые было обнаружено присутствие природных фуллеренов - особой

- 2 017009 формы углерода. Фуллерен - это молекула, состоящая из большого числа атомов углерода. Наиболее характерный представитель этого семейства С₆₀ состоит из шестидесяти атомов углерода.

Частицы шунгита независимо от их размера обладают биполярными свойствами. Следствием этого является их высокая адгезия и способность шунгита смешиваться со всеми веществами как органической, так и неорганической природы.

Повышенный противопригарный эффект при применении предлагаемой формовочной композиции обусловлен, во-первых, высоким выходом блестящего углерода из комбинации компонента-носителя блестящего углерода и каменного угля, а во-вторых, существенным снижением смачиваемости поверхности формы металлом за счет совместного использования в составе материала технического углерода и шунгита, что эффективно предотвращает проникновение металла в поры формы, снижая вероятность образования пригара.

Противоужименный эффект обусловлен наличием в составе формовочной композиции компонентаносителя блестящего углерода, пластифицирующегося при определенной температуре. Кроме того, частичное выгорание шунгитового углерода (как углеродсодержащего компонента) также усиливает противоужименный эффект композиции.

Совместное влияние этих двух факторов эффективно способствует уменьшению величины напряжений в поверхностных слоях формы, уменьшая, тем самым, вероятность образования ужимин.

Наличие бентонита в составе предлагаемой формовочной композиции в количестве 5-75 мас.ч. полностью обеспечивает плакирование частиц компонента-носителя блестящего углерода, что облегчает процесс его измельчения при изготовлении композиции и предотвращает слеживаемость материала при транспортировке и хранении.

Следует отметить, что содержание бентонита в предлагаемой формовочной композиции в пределах 5-75 мас.ч. позволяет разрабатывать составы формовочных смесей с высокой прочностью без дополнительного ввода бентонита. Весь бентонит в таком случае вводится в смесь в составе формовочной композиции, что упрощает процесс приготовления формовочной смеси в реальном производстве, а также способствует улучшению санитарно-гигиенических условий труда на участке приготовления формовочной смеси.

Уменьшение содержания ниже нижнего предела шунгита (менее 2,0 мас.ч.), молотого угля (менее 10 мас.ч.) и технического углерода (менее 0,2 мас.ч.) снижает противопригарное действие предлагаемой композиции.

Увеличение содержания шунгита, молотого угля и технического углерода в материале выше верхнего предела (шунгита более 12 мас.ч., угля более 75 мас.ч., технического углерода более 2 мас.ч.) не приводит к дополнительному противопригарному эффекту и экономически нецелесообразно.

Уменьшение содержания компонента-носителя блестящего углерода в предлагаемой композиции ниже нижнего предела (менее 3,0 мас.ч.) снижает его противопригарный и противоужименный эффект и увеличивает шероховатость поверхности отливок.

Повышение содержания компонента-носителя блестящего углерода в составе предлагаемой композиции выше верхнего предела (более 20 мас.ч.) нецелесообразно из-за увеличения газотворной способности формовочных смесей, что способствует образованию газовых раковин в отливке и ухудшению санитарно-гигиенических условий в литейном производстве. В качестве компонента-носителя блестящего углерода могут быть использованы хрупкий битум с температурой размягчения 125-135°С, пеки, смолы и другие материалы или их комбинации.

В результате использования предлагаемой формовочной композиции все формовочные смеси, содержащие этот материал, обладают высокой стойкостью к образованию пригара, ужимин и минимальной шероховатостью. Все это позволяет добиться улучшения качества поверхности и товарного вида отливки и достичь большого экономического эффекта за счет сокращения затрат на очистку отливок.

Процесс приготовления предлагаемого формовочного материала является обычным для технологии изготовления углеродсодержащих добавок, например гранулированного угля, и позволяет использовать для размола известное помольное оборудование - молотковые дробилки.

Для приготовления формовочной композиции все ингредиенты размалывались и смешивались в лабораторной шаровой мельнице до получения однородной массы со средним размером зерен 0,15-0,2 мм. Полученная композиция использовалась далее при приготовлении формовочных смесей. Материал вводится в смеситель вместе с другими компонентами формовочной смеси в любой последовательности, цикл перемешивания смеси при этом не изменяется.

Влияние предлагаемой композиции на качество поверхности опытных отливок оценивалось с использованием песчано-бентонитовых формовочных смесей, имеющих в своем составе кварцевый песок Раменского месторождения - основа, содержание бентонита (Хакасского месторождения) и формовочной композиции варьируется в зависимости от состава последней. При содержании в формовочной смеси 6 мас.% композиции бентонит дополнительно не вводится, так как все необходимое количество его поступает из формовочной композиции. При уменьшении содержания бентонита в формовочной композиции необходимое количество связующего вводится дополнительно.

Относительная влажность сравниваемых смесей соответствовала уплотняемости 50±2%.

- 3 017009

Варианты составов предлагаемой формовочной композиции и прототипа, а также обеспечиваемые ими уровень свойств и качество поверхности отливок приведены в таблице.

Применение предлагаемого состава формовочной композиции для чугунного литья позволяет достичь значительного эффекта за счет сокращения затрат на очистку отливок, повышения конкурентоспособности отечественных отливок на мировом рынке, улучшения санитарно-гигиенических условий труда и общей экологической обстановки.

Составы формовочной композиции, прототипа и обеспечиваемые ими уровень свойств и качество поверхности отливок

1 £	Состав формовочной композиции, мас.ч.	I ί г в 8 н §1	5? Ζ ί ω а I а II	I § Но 1 а Г	Выход блестящего углерода из формовочной смеси, содержащей композицию (расчётный), %	Оценка качества поверхности опытных отливок
молотый уголь	компонент-носитель блестящего углерода	технический углерод	бентонит	1
Шероховатость*** (среднее арифметическое отклонение профиля, Нср), мкм	Площадь поражения ужиминами, %	Визуальная оценка количества пригара па отливках, балл****
1	75	20 (битум)	0,2	5	2	2,0*	12	5	0,24	25	нет	5
2	63	3 (смола)	2,0	20	12	4,0	6	3,5	0,22	26	нет	5
3	10	10 (пек)	1	75	4	6,0**	4	0	0,25	27	нет	4
Прототип	77	15	3,0	5	-	2,0	12	5	0,24	30	10-12	3-4

Примечания.

* Основной бентонит подается отдельно.

** Весь необходимый бентонит вводится в формовочную смесь вместе с формовочной композицией.

*** Противопригарный эффект достигается не только за счет количества выхода блестящего углерода, но и за счет непосредственного снижения смачиваемости металлом формы при совместном применении в составе предлагаемой композиции технического углерода и шунгита.

**** 5 баллов - отсутствие пригара на отливках; 4 балла - незначительное количество пригара; 3 балла 10-15% пригара на отливках.

Claims (1)

1. Формовочная композиция для изготовления песчано-глинистых смесей с углеродсодержащими добавками, включающая молотый уголь, компонент-носитель блестящего углерода, технический углерод и бентонит, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит шунгит при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

   молотый уголь10-75 компонент-носитель блестящего углерода 320 технический углерод 0,2 - 2 бентонит5 ~75 шунгит2-12

   4^) Евразийская патентная организация, ЕАПВ

   Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2