EA041647B1

EA041647B1 - ADDITIVE FOR MOLDING GROUND AND MOLDING GROUND FOR MANUFACTURING CASTING MOLDS AND RODS FOR OBTAINING CASTINGS WITH DESIGNATED DIMENSIONAL AND GEOMETRIC ACCURACY

Info

Publication number: EA041647B1
Application number: EA202000330
Authority: EA
Inventors: Александр Александрович Синицкий
Original assignee: Александр Александрович Синицкий
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-11-17

Description

Настоящее изобретение относится к добавкам для формовочного песка, используемого при изготовлении литейных форм и стержней. Данная добавка направлена на стабилизацию процессов, протекающих при термическом взаимодействии жидкого металла и литейной формы или стержня.The present invention relates to additives for foundry sand used in the manufacture of foundry molds and cores. This additive is aimed at stabilizing the processes occurring during the thermal interaction of the liquid metal and the casting mold or core.

Для изготовления разовых песчано-глинистых форм применяют формовочные и стержневые смеси. Исходными материалами для них служат формовочный песок, формовочная глина, отработанная смесь, специальные связующие (стержневая смесь) и некоторые добавочные материалы (например, улучшающие податливость форм и др.). Качественный и количественный состав формовочных смесей определяет качество получаемых из них литейных форм и стержней и, тем самым, качество отливок, изготавливаемых с использованием указанных литейных форм и стержней. Большинство отливок имеют сложную объёмную конструкцию не только с внешними, но и с внутренними поверхностями.For the manufacture of one-time sand-clay molds, molding and core mixtures are used. The starting materials for them are molding sand, molding clay, spent mixture, special binders (core mixture) and some additional materials (for example, improving the ductility of forms, etc.). The qualitative and quantitative composition of the molding sands determines the quality of the casting molds and cores obtained from them and, thus, the quality of the castings made using these molds and cores. Most castings have a complex three-dimensional structure, not only with external, but also with internal surfaces.

В соответствии с нормативными документами [1] качество отливок определяется, в том числе, показателями качества поверхности отливок (в частности, шероховатость поверхности). Однако общая структуризация показателей качества в стандарте не предусматривает дифференциации критериев качества внутренних и наружных поверхностей отливок, что во многом затрудняет решение задач, связанных с идентификацией критериев и управлением качеством отливок.In accordance with regulatory documents [1], the quality of castings is determined, among other things, by the quality indicators of the surface of castings (in particular, surface roughness). However, the general structuring of quality indicators in the standard does not provide for the differentiation of quality criteria for the internal and external surfaces of castings, which greatly complicates the solution of problems related to the identification of criteria and quality management of castings.

К наиболее часто встречающимся на практике дефектам отливок можно отнести раковины, усадочную рыхлость и пористость, трещины, коробление, дефекты структуры, несоответствие заданному химсоставу, поверхностные дефекты, а также дефекты формы и размеров отливки [2]. Дефекты формы и размеров отливки, включают, в частности, группу дефектов, характеризующихся несоответствием по геометрии, которая объединяет 14 видов дефектов, обусловленных нарушением формы, неточностью размеров и массы отливки.The most common defects in castings in practice include shells, shrinkage friability and porosity, cracks, warping, structural defects, inconsistency with the specified chemical composition, surface defects, as well as defects in the shape and size of the casting [2]. Defects in the shape and dimensions of the casting include, in particular, a group of defects characterized by a mismatch in geometry, which combines 14 types of defects caused by a violation of the shape, inaccuracy in the dimensions and weight of the casting.

Известно, что дефекты внутренних поверхностей отливок можно разделить на четыре группы: дефекты несоответствия по геометрии, условно способные искажать размерную и геометрическую точность внутренних поверхностей отливок; дефекты поверхности, нарушающие целостность и рельеф поверхностей; дефекты в теле отливки, проявляющиеся на её внутренних поверхностях; дефекты структуры поверхностного слоя металла внутренних поверхностей [3]. Следует отметить, что из указанных групп дефекты несоответствия по геометрии, особенно в отношении внутренних поверхностей, являются наиболее проблемными и приводящими к большому проценту брака. В этой связи известны исследования, касающиеся управления качеством формовочной стержневой смеси (физико-механическими и эксплуатационными свойствами), которое заключается, в том числе, в управлении свойствами исходных формовочных материалов путём подбора и оптимизации, составом формовочной и стержневой смеси, режимами и условиями смешивания компонентов, факторами внешнего воздействия. Это позволяет регулировать физико-механические и эксплуатационные свойства формовочной стержневой смеси, такие как прочность, газопроницаемость, газотворность, термостойкость, выбиваемость, регенерируемость [3].It is known that defects in the internal surfaces of castings can be divided into four groups: geometry mismatch defects, conditionally capable of distorting the dimensional and geometric accuracy of the internal surfaces of castings; surface defects that violate the integrity and relief of surfaces; defects in the body of the casting, which appear on its internal surfaces; defects in the structure of the surface layer of the metal of the inner surfaces [3]. It should be noted that of these groups, mismatch defects in geometry, especially with respect to internal surfaces, are the most problematic and lead to a large percentage of rejects. In this regard, studies are known concerning the quality control of the molding core sand (physical, mechanical and operational properties), which consists, among other things, in controlling the properties of the initial molding materials through selection and optimization, the composition of the molding and core sand, modes and conditions for mixing components. , factors of external influence. This allows you to control the physical, mechanical and operational properties of the core sand mixture, such as strength, gas permeability, gas generation, heat resistance, knockout, regeneration [3].

Отливки, полученные с использованием литейных форм и литейных стержней, изготовленных с применением кварцевого песка, также, как правило, имеют дефекты геометрии, проявляющиеся в искажении конфигурации отливок и отклонении фактически размеров от заданных (образование так называемой, эллипсности внутренних цилиндрических отверстий и других дефектов). В результате полученные отливки необходимо подвергать дополнительной доработке, которая является трудоёмкой и, более того, не всегда возможна. Эти дефекты являются результатом деформаций литейного стержня, вызванных объёмным расширением огнеупорного наполнителя на основе кварца, в результате нагрева жидким металлом литейного стержня.Castings obtained using casting molds and casting cores made using quartz sand also, as a rule, have geometry defects that manifest themselves in the distortion of the configuration of the castings and the deviation of the actual dimensions from the given ones (formation of the so-called ellipse of internal cylindrical holes and other defects) . As a result, the resulting castings must be subjected to additional refinement, which is time-consuming and, moreover, not always possible. These defects are the result of core deformations caused by the volumetric expansion of the quartz-based refractory filler as a result of heating the core with liquid metal.

Известно, что качество, в частности, внутренних полостей отливок формируется литейным стержнем как изделием, эксплуатационные свойства которого должны обеспечивать формирование геометрически точных полостей с заданной шероховатостью поверхности. Поэтому стержень должен противостоять искажению геометрических и линейных размеров в условиях термомеханического воздействия расплава при заливке и кристаллизации отливки, а также предупреждать возникновение дефектов на внутренних полостях литых изделий. Сочетание прочностных и пластических свойств литейного стержня должно быть таковым, чтобы создавались такие условия механического нагружения системы металлстержень, которые обеспечивали бы стабильность линейных размеров отливки, исключая искажение геометрических параметров внутренних полостей на всех стадиях: во время заливки, кристаллизации и охлаждении отливки. При этом несбалансированность системы, превышение механических нагрузок над прочностными и пластичными свойствами литейного стержня становятся причиной образования таких характерных дефектов, как стержневой перекос, разностенность, прорыв металла, холодные и горячие трещины, недолив, нарост, залив, засор, просечки, песчаные раковины [4]. Таким образом, для сохранения геометрических параметров отливки, предупреждения образования пригара, отбела и других дефектов материал стержня при температуре взаимодействия с расплавом металла должен обладать оптимальным соотношением прочностных характеристик и пластичности, огнеупорностью, термостойкостью, теплопроводностью. С точки зрения термического взаимодействия важно управлять интенсивностью теплообмена, обеспечивающего необходимые условия кристаллизации и охлаждения отливки, что возможно за счёт регулирования состава стержневой смеси, условий уплотнения и конструкции стержня (наличие полости в стержне).It is known that the quality, in particular, of the internal cavities of castings is formed by a casting core as a product, the operational properties of which should ensure the formation of geometrically accurate cavities with a given surface roughness. Therefore, the rod must resist the distortion of geometric and linear dimensions under the conditions of thermomechanical action of the melt during pouring and crystallization of the casting, and also prevent the occurrence of defects in the internal cavities of cast products. The combination of strength and plastic properties of the casting core should be such that such conditions of mechanical loading of the metal core system would be created that would ensure the stability of the linear dimensions of the casting, eliminating the distortion of the geometric parameters of the internal cavities at all stages: during pouring, crystallization and cooling of the casting. At the same time, the imbalance of the system, the excess of mechanical loads over the strength and plastic properties of the casting core cause the formation of such characteristic defects as core misalignment, wall thickness difference, metal breakthrough, cold and hot cracks, underfilling, build-up, flooding, clogging, perforations, sand shells [4]. ]. Thus, in order to preserve the geometric parameters of the casting, prevent the formation of burn, chill and other defects, the material of the rod at the temperature of interaction with the metal melt must have an optimal ratio of strength characteristics and ductility, refractoriness, heat resistance, and thermal conductivity. From the point of view of thermal interaction, it is important to control the intensity of heat transfer, which provides the necessary conditions for crystallization and cooling of the casting, which is possible by controlling the composition of the core mixture, sealing conditions and the design of the core (presence of a cavity in the core).

- 1 041647- 1 041647

Процесс термического взаимодействия расплава и литейного стержня (аналогично, для литейной формы) сопровождается полиморфными превращениями кристаллической решетки зёрен кварцевого наполнителя с их объёмным расширением. В практических условиях такое расширение не является равномерным и более интенсивно проявляется в областях литейного стержня, подвергающихся длительному перегреву. В условиях местного перегрева стержня это может стать причиной его деформации, в последствии искажающей размеры и геометрию внутренних полостей отливки.The process of thermal interaction of the melt and the casting core (similarly, for the casting mold) is accompanied by polymorphic transformations of the crystal lattice of quartz filler grains with their volumetric expansion. Under practical conditions, such expansion is not uniform and is more intense in areas of the core subjected to prolonged overheating. Under conditions of local overheating of the rod, this can cause its deformation, which subsequently distorts the dimensions and geometry of the internal cavities of the casting.

Традиционно для решения подобных технологических задач предлагают использовать формовочные материалы с малым тепловым расширением. Наиболее распространенными материалами, применяемыми в качестве огнеупорного наполнителя, являются хромит, оливин, керамический песок [5]. Однако применение данных материалов не всегда экономически целесообразно ввиду их высокой стоимости.Traditionally, to solve such technological problems, it is proposed to use molding materials with low thermal expansion. The most common materials used as a refractory filler are chromite, olivine, ceramic sand [5]. However, the use of these materials is not always economically feasible due to their high cost.

Вторым, радикальным, но вместе с тем малоприменимым на практике методом является применение смешанных видов песков (кварцевого песка - хромита, в том числе сферического, или оливина) [6]. Такие смешанные наполнители формируют высокую объёмную термостабильность смеси, однако параллельно характеризуются различным рН (кварц - кислотный; хромит/оливин - основной), что затрудняет эффективный выбор связующего для подобных смесей и негативно влияет на огнеупорность, предопределяя высокую вероятность образования пригара на поверхности стальных отливок.The second, radical, but at the same time hardly applicable in practice method is the use of mixed types of sands (quartz sand - chromite, including spherical, or olivine) [6]. Such mixed fillers form a high volumetric thermal stability of the mixture, however, they are simultaneously characterized by different pH values (quartz - acid; chromite / olivine - basic), which makes it difficult to effectively select a binder for such mixtures and negatively affects the refractoriness, predetermining a high probability of burn formation on the surface of steel castings.

С учётом этого полное или частичное применение материалов с низким температурным расширением вместо кварцевого песка не является эффективным решением для снижения термических напряжений в литейной форме или литейном стержне при заливке металла.With this in mind, the use of materials with low thermal expansion, in whole or in part, instead of quartz sand is not an effective solution to reduce thermal stresses in the mold or core when pouring metal.

Третьим, наиболее распространенным способом компенсации объёмных деформаций литейных стержней является применение органических добавок (опилки, древесная мука), действие которых основано на образовании микропустот в результате выгорания, которые компенсируют увеличение объема стержня и способствуют снижению напряжений в смеси [7]. Добавки такого рода весьма эффективны, однако они имеют весьма ограниченное применение вследствие повышения газотворности и снижения прочностных характеристик смеси.The third, most common way to compensate for volumetric deformations of casting cores is the use of organic additives (sawdust, wood flour), the action of which is based on the formation of microvoids as a result of burnout, which compensate for the increase in the volume of the core and help reduce stresses in the mixture [7]. Additives of this kind are very effective, but they are of very limited use due to an increase in gas production and a decrease in the strength characteristics of the mixture.

В настоящее время перспективным материалом для применения в качестве добавки в формовочные смеси для изготовления литейных форм и литейных стержней является алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ). Данный материал имеет низкий коэффициент линейного расширения, низкую газотворную способность. Известно применение данного материала в качестве добавки, предотвращающей возникновение ужимин и просечек.At present, aluminosilicate hollow microspheres (ASPM) are a promising material for use as an additive in molding sands for the manufacture of casting molds and casting cores. This material has a low coefficient of linear expansion, low gas generating capacity. It is known to use this material as an additive that prevents the occurrence of uzhimin and notches.

Так, известна добавка для изготовления литейных форм, которая обеспечивает предотвращение возникновения ужимин в отливках. Добавка содержит полые алюмосиликатные микросферы в количестве от 90 до 99% и флюс от 1 до 10% от общего веса добавки [8]. Полые алюмосиликатные микросферы содержат оксид алюминия в количестве от 15 до 45 мас.%. В формовочную смесь данная добавка вводится в количестве от 1 до 10 мас.%. В патенте нет указания, что добавка на основе АСПМ в заявленных количествах способна повышать стабильность геометрической формы и размеров во всём объёме литейных форм и литейных стержней при заливке металла.Thus, an additive for the manufacture of foundry molds is known, which prevents the occurrence of uzhimin in castings. The additive contains hollow aluminosilicate microspheres in an amount from 90 to 99% and flux from 1 to 10% of the total weight of the additive [8]. Hollow aluminosilicate microspheres contain alumina in an amount of from 15 to 45 wt.%. In the molding mixture, this additive is introduced in an amount of 1 to 10 wt.%. There is no indication in the patent that the additive based on ASPM in the stated amounts is capable of increasing the stability of the geometric shape and dimensions throughout the volume of casting molds and casting cores during pouring of metal.

Известна также формовочная смесь для изготовления литейных стержней или форм, содержащая песок, связующее и добавку в виде полых микросфер алюмосиликата в количестве 1-30 мас.% от массы формовочной смеси при содержании окиси алюминия в них 15-45 мас.% [9]. В качестве технического результата, который обеспечивается за счёт упомянутой выше добавки на основе АСПМ в составе формовочной смеси, указана возможность сведения к минимуму такого явления, как образование ужимин. И хотя в этом патенте упоминается, что расширение кремнезема, присутствующего в формовочной смеси, не сопровождается увеличением размеров стержня, так как расширение снимается за счёт внутренних пространств полых микросфер, что таким образом позволяет полностью избежать образование трещин на поверхности стержня и, следовательно, образование ужимин, в патенте также нет указания, что добавка на основе АСПМ в заявленных количествах способна повышать стабильность геометрической формы и размеров во всём объёме литейных форм и литейных стержней при заливке металла.Also known molding sand for the manufacture of foundry cores or molds containing sand, binder and additive in the form of hollow aluminosilicate microspheres in the amount of 1-30 wt.% by weight of the molding sand with alumina content in them 15-45 wt.% [9]. As a technical result, which is provided by the above-mentioned additive based on ASPM in the composition of the molding sand, the possibility of minimizing such a phenomenon as the formation of uzhimin is indicated. And although this patent mentions that the expansion of the silica present in the sand is not accompanied by an increase in the size of the core, since the expansion is removed due to the internal spaces of the hollow microspheres, which thus completely avoids the formation of cracks on the surface of the core and, consequently, the formation of , there is also no indication in the patent that the additive based on ASPM in the stated amounts is capable of increasing the stability of the geometric shape and dimensions throughout the volume of casting molds and casting cores during pouring of metal.

Ещё одно техническое решение формовочных смесей и добавок для них для предотвращения возникновения ужимин при изготовлении металлических деталей предлагает использование в качестве добавки, предотвращающей возникновение ужимин, полых алюмосиликатных микросфер, которые добавляют к песку в количестве от 1 до 30 мас.% [10]. Микросферы должны содержать оксид алюминия в количестве от 20 до 35%. Эти полые микросферы предотвращают возникновение трещин в литейных стержнях и формах в результате их способности давать усадку и сминаться под действием тепла расплавленного металла. Когда они дают усадку и сминаются, образующиеся полости поглощают расширение кремнезема, предотвращая или снижая возникновение трещин, приводящих к ужиминам. При использовании таких полых микросфер возникает проблема, заключающаяся в том, что если их содержание в песчаной смеси не превышает 10 мас.%, то они не дают оптимальных результатов, т.е. они не всегда предотвращают возникновение ужимин в необходимой степени. С другой стороны, если используются повышенные количества полых микросфер (более 10%, обычно от 20 до 30%), проблема предотвращения возникновения ужимин решается, однако механические характеристики стержней и форм при заявленном содержании в микросферах оксида алюминия ухудшаются.Another technical solution for molding sands and additives for them to prevent the occurrence of uzhimin in the manufacture of metal parts suggests the use of hollow aluminosilicate microspheres as an additive that prevents the occurrence of uzhimin, which are added to sand in an amount of 1 to 30 wt.% [10]. The microspheres should contain alumina in an amount of 20 to 35%. These hollow microspheres prevent cores and molds from cracking due to their ability to shrink and collapse under the heat of the molten metal. When they shrink and crumple, the resulting cavities absorb the expansion of the silica, preventing or reducing the occurrence of cracks that lead to pinching. When using such hollow microspheres, there is a problem that if their content in the sand mixture does not exceed 10 wt.%, then they do not give optimal results, i. they do not always prevent the occurrence of Uzhimin to the extent necessary. On the other hand, if higher amounts of hollow microspheres are used (more than 10%, usually from 20 to 30%), the problem of preventing the occurrence of uzhimin is solved, however, the mechanical characteristics of the rods and molds at the declared content of alumina in the microspheres deteriorate.

- 2 041647- 2 041647

Таким образом, анализ уровня техники показал, что возможность получения отливок с заданной размерной и геометрической точностью при применении АСПМ в качестве добавки в формовочную смесь для изготовления литейных форм и стержней не описана в современной литературе и патентах.Thus, the analysis of the prior art has shown that the possibility of obtaining castings with a given dimensional and geometric accuracy when using ASPM as an additive in the molding mixture for the manufacture of molds and cores is not described in modern literature and patents.

Поэтому дальнейшие исследования применения АСПМ в данном направлении представляют научный и практический интерес.Therefore, further research on the use of ASPM in this direction is of scientific and practical interest.

Также, учитывая отсутствие в уровне техники решений формовочных смесей и добавок на основе АСПМ для формовочных смесей для изготовления отливок с заданной размерной и геометрической точностью, прототип для заявляемой добавки и формовочной смеси не выбран.Also, taking into account the absence in the prior art of solutions for molding sands and additives based on ASPM for molding sands for the manufacture of castings with a given dimensional and geometric accuracy, a prototype for the claimed additive and sand is not selected.

Специалистам в данной области техники известно, что надёжность работы литых деталей, снижение трудо-, энерго- и материалоёмкости их изготовления во многом определяются стабильностью размерной и геометрической точности отливок. Ввиду этого обеспечение заданных геометрических характеристик отливок является актуальной технологической задачей на литейных предприятиях. Автором в ходе выполнения научных работ были исследованы механизм и причины образования дефектов отливки, проявляющихся в отклонении геометрии внутренней полости от цилиндричности [11]. Результаты практических экспериментов были подтверждены на компьютерных моделях, созданных в пакете MAGMASOFT, где, в частности, были проанализированы распределения температур металла в теле отливки в период заливки и затвердевания. По результатам исследований и моделирования было установлено, что причины искажения геометрической формы отверстий связаны с деформацией литейного стержня в ходе термического и механического взаимодействия с расплавом. Так, с точки зрения механического взаимодействия в период заливки и затвердевания литейный стержень подвергается воздействию сил статического давления жидкого металла и сил усадочного характера. В условиях локального перегрева стержня это может стать причиной деформаций. Из результатов проведённого моделирования следует, что в области отливки, где выявлено несоответствие по геометрии, сконцентрированы длительные термические нагрузки, что является причиной перегрева стержня и протекания объёмных термических расширений зёрен кварцевого песка. На основании полученных сведений о локальном перегреве стержня были также проведены исследования, касающиеся применения вспомогательных добавок различного (неорганического, органического и гибридного) происхождения. В качестве одной из возможных добавок исследовались полые алюмосиликатные микросферы с различным содержанием оксида алюминия (А120з).Specialists in this field of technology know that the reliability of cast parts, the reduction of labor, energy and material consumption of their manufacture is largely determined by the stability of the dimensional and geometric accuracy of castings. In view of this, ensuring the specified geometric characteristics of castings is an urgent technological task at foundry enterprises. The author, in the course of performing scientific work, investigated the mechanism and causes of the formation of casting defects, which manifest themselves in the deviation of the geometry of the internal cavity from cylindricity [11]. The results of practical experiments were confirmed on computer models created in the MAGMASOFT package, where, in particular, the temperature distributions of the metal in the body of the casting during pouring and solidification were analyzed. Based on the results of research and modeling, it was found that the reasons for the distortion of the geometric shape of the holes are associated with the deformation of the casting core during thermal and mechanical interaction with the melt. So, from the point of view of mechanical interaction during the period of pouring and solidification, the casting core is exposed to the forces of static pressure of the liquid metal and the forces of a shrinkage nature. Under conditions of local overheating of the rod, this can cause deformations. From the results of the simulation, it follows that in the area of the casting, where a discrepancy in geometry was revealed, long-term thermal loads are concentrated, which causes overheating of the rod and the flow of volumetric thermal expansion of quartz sand grains. Based on the information obtained about the local overheating of the rod, studies were also carried out regarding the use of auxiliary additives of various (inorganic, organic and hybrid) origin. As one of the possible additives, hollow aluminosilicate microspheres with different contents of aluminum oxide (A1203) were studied.

Таким образом, задачей изобретения является получение добавки для формовочной смеси, а также формовочной смеси для изготовления литейных форм и стержней для получения отливок. Добавка и формовочная смесь должны обеспечивать возможность изготовления литейных форм и литейных стержней, которые при заливке металла сохраняют свою (заданную) объёмную геометрическую форму и размеры, что обеспечивает возможность получения отливок с высокой степенью точности заданных формы и размеров, не требующих дальнейшей сложной механической доработки при существенном снижении брака.Thus, the object of the invention is to provide an additive for molding sand, as well as molding sand for the manufacture of foundry molds and cores for castings. The additive and the molding sand should make it possible to manufacture casting molds and casting cores, which, when pouring metal, retain their (specified) three-dimensional geometric shape and dimensions, which makes it possible to obtain castings with a high degree of accuracy of specified shapes and dimensions that do not require further complex mechanical refinement during a significant decline in marriage.

Поставленная задача решается и указанные выше технические результаты достигаются заявляемой добавкой для формовочной смеси для изготовления литейных форм и стержней для получения отливок с заданной размерной и геометрической точностью, выполненной в виде полых керамических алюмосиликатных микросфер с содержанием Al₂O₃ в микросферах не менее 32%.The problem is solved and the above technical results are achieved by the claimed additive for the molding sand for the manufacture of foundry molds and cores for castings with a given dimensional and geometric accuracy, made in the form of hollow ceramic aluminosilicate microspheres with an Al ₂ O ₃ content in the microspheres of at least 32%.

В предпочтительных формах реализации заявляемой добавки диаметр микросфер составляет 100300 мкм, а толщина стенки микросферы составляет 5-10% от диаметра микросферы.In the preferred forms of implementation of the proposed additive, the diameter of the microspheres is 100-300 μm, and the wall thickness of the microsphere is 5-10% of the diameter of the microsphere.

Поставленная задача решается, и указанные выше технические результаты достигаются также заявляемой формовочной смесью для изготовления литейных форм и стержней, содержащей кварцевый песок, связующее, отвердитель и добавку в виде полых керамических алюмосиликатных микросфер за счёт того, что формовочная смесь содержит 30-50 мас.% полых керамических алюмосиликатных микросфер от массы смеси при содержании Al₂O₃ в микросферах не менее 32%.The problem is solved, and the above technical results are also achieved by the claimed molding sand for the manufacture of molds and cores containing quartz sand, a binder, a hardener and an additive in the form of hollow ceramic aluminosilicate microspheres due to the fact that the sand contains 30-50 wt. hollow ceramic aluminosilicate microspheres by weight of the mixture when the content of Al ₂ O ₃ in the microspheres is not less than 32%.

В предпочтительных формах реализации формовочной смеси диаметр микросферы составляет 100300 мкм, а толщина стенки микросферы составляет 5-10%, от диаметра микросферы.In preferred embodiments of the sand, the microsphere diameter is 100-300 µm and the microsphere wall thickness is 5-10% of the microsphere diameter.

Следует также отметить, что заявляемая формовочная смесь, кроме указанных выше, может также содержать другие компоненты, например литейные присадки, связующие материалы и т.п., традиционно используемые в этой отрасли.It should also be noted that the inventive sand, in addition to those mentioned above, may also contain other components, such as foundry additives, binders, etc., traditionally used in this industry.

Как известно, АСПМ в составе литьевых форм и литьевых стержней в области поверхностей литьевой формы или литьевого стержня обладают способностью сминаться под тепловым воздействием расплава металла, при этом образуя полости, компенсирующие расширение кварцевого песка, что способствует предотвращению образования поверхностных трещин и ужимин.As is known, ASPM in the composition of injection molds and injection rods in the area of the surfaces of the injection mold or injection rod have the ability to collapse under the thermal effect of the metal melt, while forming cavities that compensate for the expansion of quartz sand, which helps prevent the formation of surface cracks and shrinkage.

Однако автор обнаружил, что добавление в формовочную смесь для изготовления литейных стержней или форм, содержащую песок, связующее, отвердитель, АСПМ в количестве 30-50 мас.% от массы формовочной смеси при содержание окиси алюминия в них не менее 32 мас.% позволяет получать с использованием изготовленных из такой смеси литейных формах и литейных стержнях отливок с практически 100%-ной заданной размерной и геометрической точностью. Вероятнее всего, это происходит за счёт того, что сминание полых микросфер под тепловым воздействием расплава металла при содержанииHowever, the author found that adding to the molding sand for the manufacture of foundry cores or molds containing sand, binder, hardener, ASPM in the amount of 30-50 wt.% by weight of the molding sand with an aluminum oxide content of at least 32 wt.% in them allows you to obtain using casting molds and casting cores made from such a mixture with almost 100% specified dimensional and geometric accuracy. Most likely, this occurs due to the fact that the crushing of hollow microspheres under the thermal effect of the metal melt at a content of

- 3 041647 полых микросфер в заявленном диапазоне происходит не только в приграничных областях литьевых форм и литьевых стержней, но и по всему объёму литьевой формы и литьевого стержня. Таким образом, обеспечивается не только требуемое качество поверхностей отливок (отсутствие поверхностных трещин, ужимин и заданная шероховатость), особенно внутренних, но и стабильность заданной геометрической формы и размеров, что позволяет исключить, в частности, эллипсность внутренних цилиндрических отверстий, которая в уровне техники является распространённым и практически неустранимым дефектом.- 3 041647 hollow microspheres in the stated range occurs not only in the border areas of injection molds and injection cores, but also throughout the entire volume of the injection mold and injection core. Thus, not only the required quality of casting surfaces (the absence of surface cracks, uzhimin and specified roughness), especially internal ones, is ensured, but also the stability of a given geometric shape and dimensions, which makes it possible to exclude, in particular, the ellipse of internal cylindrical holes, which in the prior art is common and almost unrecoverable defect.

Автором был проведен ряд опытов с использованием алюмосиликатных полых микросфер, вводившихся в различных количествах в формовочную смесь, которые позволили выявить прямую зависимость между количеством добавки (15-50 мас.% от массы стержневой смеси), содержанием оксида алюминия в полых микросферах (31, 32, 35 мас.%) и точностью получаемого размера и формы отверстия. Также были проведены опыты с использованием формовочных смесей, не содержащих добавку АСПМ.The author conducted a series of experiments using aluminosilicate hollow microspheres introduced in various amounts into the molding mixture, which made it possible to reveal a direct relationship between the amount of additive (15-50 wt.% of the mass of the core mixture), the content of aluminum oxide in hollow microspheres [31, 32 , 35 wt.%) and the accuracy of the resulting size and shape of the hole. Experiments were also carried out using molding sands that did not contain the ASPM additive.

При проведении опытов применялся способ изготовления литейного стержня или литейной формы, известный, в частности, их упомянутого выше патента [9], который включает засыпку формовочной смеси в опоку, формование литейного стержня или литейной формы с последующим холодным отверждением стержня или формы до требуемого состояния и извлечением стержня или формы из опоки. Также применялся описанный в данном источнике информации способ изготовления отливок, включающий помещение литейного стержня или литейной формы в приспособление для литья и заливку жидкого металла, затем охлаждение и отверждение металла и извлечение отливки из приспособления для литья. Более подробно, схема проведения опытов включает следующие стадии:During the experiments, a method for manufacturing a casting core or mold was used, known, in particular, from the above-mentioned patent [9], which includes pouring the molding sand into the flask, molding the casting core or mold, followed by cold hardening of the core or mold to the required state and removing the core or mold from the flask. The method of making castings described in this source of information was also used, including placing a foundry core or mold in a casting fixture and pouring liquid metal, then cooling and solidifying the metal and removing the casting from the casting fixture. In more detail, the experimental scheme includes the following stages:

(1) подготовка и засыпка формовочной смеси согласно изобретению в опоку для формовки неотвержденного стержня или формы;(1) preparing and pouring the molding sand of the invention into a flask to form an uncured core or mold;

(2) воздействие на неотверждённые на стадии (1) стержень или форму катализатором отверждения;(2) exposing the uncured in step (1) rod or mold to a curing catalyst;

(3) отверждение неотверждённых на стадии (2) стержня или формы до приемлемого состояния;(3) curing uncured at the stage (2) the rod or form to an acceptable state;

(4) отделение стержня или формы от опоки;(4) separating the core or mold from the flask;

(5) помещение стержня или формы, полученных на стадии (4), в приспособление для литья;(5) placing the core or mold obtained in step (4) into a casting tool;

(6) заливка жидкого металла в упомянутое приспособление для литья;(6) pouring liquid metal into said casting tool;

(7) охлаждение и отверждение металла, залитого в устройство для литья;(7) cooling and solidifying the metal poured into the casting device;

(8) отделение отливки от устройства для литья.(8) separating the casting from the casting device.

Стадия (1) включала перемешивание формовочной смеси, содержащего кварцевый песок с добавкой в виде полых керамических алюмосиликатных микросфер при различном их количественном содержании и при различном содержании в них Al₂O₃, со связующей смолой до получения однородной смеси. После отверждения смола содействует связыванию и сцеплению частиц и отверждению формы или стержня. На стадии (1) может использоваться любой тип смолы, обычно используемый при изготовлении литейных стержней и форм. В общем случае могут использоваться фенолуретановые смолы, насыщенные амином; акриловые эпоксидные смолы, насыщенные SO2; щелочно-фенольные смолы, насыщенные метилформиатом или CO2; фенолформальдегидные смолы; фурановые смолы; фенольные смолы; карбамид-формальдегидные смолы или различные их сочетания.Stage (1) included mixing a molding sand containing quartz sand with an additive in the form of hollow ceramic aluminosilicate microspheres at their different quantitative content and at different Al ₂ O ₃ content in them, with a binder resin until a homogeneous mixture is obtained. Once cured, the resin assists in binding and cohesion of the particles and curing of the mold or core. In step (1), any type of resin commonly used in the manufacture of cores and molds can be used. In general, amine-saturated phenol-urethane resins can be used; acrylic epoxy resins saturated with SO2; alkaline phenolic resins saturated with methyl formate or CO2; phenol-formaldehyde resins; furan resins; phenolic resins; urea-formaldehyde resins or various combinations thereof.

После перемешивания формовочной смеси со смолой смесь помещали в форму для изготовления литейной формы или литейного стержня. Конфигурация литейной формы и/или литейного стержня определяет форму отливаемой металлической детали. Для уплотнения получаемой формы или стержня на стадии (3) применяли виброуплотнение. Для целей настоящего изобретения может использоваться любой обычно используемый в отрасли отверждающий катализатор. После уплотнения и отверждения литейных форм или литейных стержней их отделяли от формы, в которой их получали, и использовали для отливки деталей из расплава металла. В частности, в опытах изготавливали отливки Стойка из сталей 20 Л, 20 ГЛ согласно ГОСТ 977-88.After mixing the moldable mixture with the resin, the mixture was placed in a mold to make a mold or core. The mold and/or core configuration determines the shape of the metal part to be cast. Vibrocompaction was used to compact the resulting mold or rod in step (3). For the purposes of the present invention, any curing catalyst commonly used in the industry can be used. After compaction and curing of the casting molds or casting cores, they were separated from the mold in which they were received, and used for casting parts from the metal melt. In particular, in the experiments, castings Stoyka were made from steels 20 L, 20 GL according to GOST 977-88.

Результаты проведенных опытов позволили установить зависимость, которая проявляется в том, что увеличение до определённого предела в формовочной смеси количества добавки на основе АСПМ при увеличении содержания оксида алюминия благоприятно сказывается на точности размера отверстия.The results of the experiments made it possible to establish a dependence, which manifests itself in the fact that an increase in the amount of additive based on ASPM in the molding sand to a certain limit with an increase in the content of aluminum oxide favorably affects the accuracy of the hole size.

Было также установлено, что, кроме предотвращения искажения внутренней конфигурации отливок и их размеров, введение в состав формовочной смеси заявляемой добавки в заявляемых количествах также благоприятно влияет на податливость литейной формы и литейного стержня, обеспечивая снижение величин внутренних механических напряжений в них.It was also found that, in addition to preventing distortion of the internal configuration of the castings and their dimensions, the introduction of the claimed additives into the composition of the molding sand in the claimed amounts also favorably affects the compliance of the mold and the casting core, reducing the values of internal mechanical stresses in them.

Результаты замеров диаметра отверстий в опытных отливках, полученных с использованием литейных стержней различного состава, представлены в виде диаграмм на фиг. 1-3 - для формовочных смесей с АСПМ с содержанием оксида алюминия 31, 32, 35 мас.% соответственно. При этом результаты замеров диаметра отверстий по оси Y (верхняя ломаная) и замеров диаметра тех же отверстий по оси X (нижняя ломаная) для стержней различных составов для наглядности выделены прямоугольниками для различных составов формовочных смесей (состав смеси, а также числовые значения диаметров по вертикали и по горизонтали приведены в нижней части диаграммы). Горизонтальными штрихпунктирными линиями на диаграмме обозначен заданный диаметр (КД) отверстий в отливках, а также минимальное (КД_min) и максимальное (КД_mах) допустимое значение диаметра.The results of measurements of the diameter of holes in experimental castings obtained using casting cores of various compositions are presented in the form of diagrams in Fig. 1-3 - for molding sands with ASPM containing aluminum oxide 31, 32, 35 wt.%, respectively. At the same time, the results of measuring the diameter of holes along the Y axis (upper broken line) and measuring the diameter of the same holes along the X axis (lower broken line) for rods of various compositions are highlighted by rectangles for clarity for various compositions of molding sands (mixture composition, as well as numerical values of diameters along the vertical and horizontally shown at the bottom of the diagram). The horizontal dash-dotted lines in the diagram indicate the specified diameter (CD) of the holes in the castings, as well as the minimum (CD _min ) and maximum (CD _max ) allowable diameter value.

Отливки, полученные с использованием литейных стержней, полностью изготовленных из кварце- 4 041647 вого песка, во всех опытах имеют ярко выраженную эллипсность отверстий и значения их диаметров по вертикали намного выходят за пределы допустимых отклонений.Castings obtained using casting cores made entirely of quartz sand, in all experiments, have a pronounced ellipse of holes and their vertical diameters are much beyond the limits of permissible deviations.

В поле допуска 50,8-54 мм и без существенных отклонений размеров по вертикальной и горизонтальной оси находятся диаметры (и по вертикали, и по горизонтали) отверстий отливок, полученных с использованием литейных стержней, полностью изготовленных из хромита (как уже было отмечено выше, хромит является дорогостоящим материалом, и его использования является экономически нецелесообразным), а также из формовочной смеси по изобретению.In the tolerance field of 50.8-54 mm and without significant deviations of the dimensions along the vertical and horizontal axes, there are diameters (both vertically and horizontally) of the holes of castings obtained using casting cores made entirely of chromite (as noted above, chromite is an expensive material and its use is not economically feasible), as well as from the foundry sand according to the invention.

Отливки, полученные с использованием литейных стержней, изготовленных из кварцевого песка с добавлением 15 и 20 мас.% АСПМ во всех опытах, имеют небольшое отклонение значения диаметра отверстия по горизонтальной оси, но отклонение значения диаметра отверстия по вертикальной оси превышает максимально допустимое, что говорит о выраженной эллипсности отверстий.Castings obtained using casting cores made of quartz sand with the addition of 15 and 20 wt.% ASPM in all experiments have a slight deviation in the value of the hole diameter along the horizontal axis, but the deviation in the value of the hole diameter along the vertical axis exceeds the maximum allowable, which indicates pronounced ellipse holes.

Отливки, полученные в опытах с использованием литейных стержней, изготовленных из кварцевого песка с добавлением 30 и 50 мас.% АСПМ с содержанием менее 32 мас.% Al₂O₃, также имеют отклонения геометрических размеров (фиг. 3).Castings obtained in experiments using foundry cores made of quartz sand with the addition of 30 and 50 wt.% ASPM with a content of less than 32 wt.% Al ₂ O ₃ also have deviations in geometric dimensions (Fig. 3).

Отливки, полученные в опытах с использованием литейных стержней, изготовленных из кварцевого песка с добавлением 30 и 50 мас.% АСПМ с содержанием 32 мас.% (фиг. 2) и 35 мас.% Al₂O₃ (фиг. 1) демонстрируют самые незначительные отклонения значения диаметра отверстия и по горизонтальной оси, и по вертикальной оси от заданного, и данные отклонения по величине сопоставимы, что подтверждает отсутствие эллипсности и соответствие диаметра отверстия заданным размерам.Castings obtained in experiments using foundry cores made of quartz sand with the addition of 30 and 50 wt.% ASPM with a content of 32 wt.% (Fig. 2) and 35 wt.% Al ₂ O ₃ (Fig. 1) demonstrate the most slight deviations of the hole diameter both along the horizontal axis and along the vertical axis from the specified one, and these deviations are comparable in magnitude, which confirms the absence of ellipse and the compliance of the hole diameter with the specified dimensions.

Отливки, полученные в опытах с использованием литейных стержней, изготовленных из кварцевого песка с добавлением 30 и 50 мас.% АСПМ с содержанием 32 и 35 мас.% Al₂O₃ демонстрируют самые оптимальные результаты как по соблюдению установленных размеров отверстий, так и по сохранению их круглой формы.Castings obtained in experiments using foundry cores made of quartz sand with the addition of 30 and 50 wt.% ASPM with a content of 32 and 35 wt.% Al ₂ O ₃ demonstrate the most optimal results both in compliance with the established hole sizes and in maintaining their round shape.

На фиг. 4а, 4б, для сравнения, представлены фотографии отливок, полученные с использованием литейных форм и литейных стержней, изготовленных из формовочной смеси по изобретению и из формовочной смеси с добавкой АСПМ в количестве ниже заявленного.In FIG. 4a, 4b, for comparison, there are photographs of castings obtained using casting molds and casting cores made from the sand according to the invention and from the sand with the addition of ASPM in an amount lower than the declared one.

Таким образом, проведенные опыты подтверждают, что ввод в стержневую смесь добавки АСПМ менее 30% не обеспечивает оптимальных результатов, т.е. они не всегда предотвращают термическое расширение кварцевого песка в необходимой мере по всему объёму литейной формы и литейного стрежня.Thus, the experiments carried out confirm that the addition of less than 30% ASPM additive to the core mixture does not provide optimal results, i.e. they do not always prevent the thermal expansion of quartz sand to the extent necessary throughout the entire volume of the mold and core.

Ввод в стержневую смесь добавки АСПМ более 50% приводит к значительному снижению прочностных характеристик смеси. Улучшение прочностных параметров, в свою очередь, потребует ввода значительного количества связующих материалов, что негативно отразится на себестоимости изделий, приведет к повышенному газообразованию смеси, снижению податливости смеси и повышению сопротивления формы и стержня усадочным напряжениям в отливке.The introduction of more than 50% ASPM into the core mixture leads to a significant decrease in the strength characteristics of the mixture. Improving the strength parameters, in turn, will require the introduction of a significant amount of binder materials, which will negatively affect the cost of products, lead to increased gas generation of the mixture, a decrease in the compliance of the mixture, and an increase in the resistance of the form and core to shrinkage stresses in the casting.

Снижение содержания оксида алюминия в АСПМ ниже 32 мас.% приводит к снижению качества внутренних поверхностей отливок. Это обусловлено общим ухудшением огнеупорности стержневой смеси.Reducing the content of aluminum oxide in ASPM below 32 wt.% leads to a decrease in the quality of the internal surfaces of the castings. This is due to a general deterioration in the refractoriness of the core mix.

Источники информации.Information sources.

1. ГОСТ 4.439-86.1. GOST 4.439-86.

2. Контроль качества отливок. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине Техническая диагностика и контроль качества для студентов, обучающихся по направлению 150700 Машиностроение. Составители B.C. Люкшин, Д.Б. Шатько. Издательство Юргинского технологического института (филиала) Томского политехнического университета, 2014.2. Quality control of castings. Guidelines for the implementation of laboratory work in the discipline Technical diagnostics and quality control for students studying in the direction 150700 Engineering. Compiled by B.C. Lyukshin, D.B. Shatko. Publishing house of the Yurga Technological Institute (branch) of Tomsk Polytechnic University, 2014.

3. И.Б. Одарченко, И.Н. Прусенко, Управление качеством литейных стержней и внутренних поверхностей отливок. Журнал Литьё и металлургия, № 1(78), 2015, с. 12-16.3. I.B. Odarchenko, I.N. Prusenko, Quality control of casting cores and internal surfaces of castings. Journal of Casting and Metallurgy, No. 1(78), 2015, p. 12-16.

4. И.Б. Одарченко, И.Н. Прусенко, Процессы взаимодействия жидкого металла и литейного стержня при формировании качества внутренних полостей отливок. Журнал Литьё и металлургия, № 4(81), 2015, с. 33-37.4. I.B. Odarchenko, I.N. Prusenko, Processes of interaction of liquid metal and a casting core during the formation of the quality of internal cavities of castings. Journal of Casting and Metallurgy, No. 4(81), 2015, p. 33-37.

5. Опыт применения формовочных смесей на основе кварцевых, оливиновых, хромитовых песков. Буклет компании Sibelco.ru. 2012 г. [Электронный ресурс] - 22 сентября 2020 г. - Режим доступа: https://docplayer.ru/33622367-Opyt-primeneniya-formovochnyh-smesey-na-osnove-kvarcevyh-olrvinovyhhromitovyh-p e skov-2. html.5. Experience in the use of molding sands based on quartz, olivine, chromite sands. Sibelco.ru booklet. 2012 [Electronic resource] - September 22, 2020 - Access mode: https://docplayer.ru/33622367-Opyt-primeneniya-formovochnyh-smesey-na-osnove-kvarcevyh-olrvinovyhhromitovyh-p e skov-2. html.

6. А. А. Коробов, Повышение качества поверхности отливок в результате применения сферического хромита SPHERICHROME. Журнал Литьё и металлургия, № 3(67), 2012, с. 61-62.6. A. A. Korobov, Improving the quality of the surface of castings as a result of the use of spherical chromite SPHERICHROME. Journal of Casting and Metallurgy, No. 3(67), 2012, p. 61-62.

7. Вспомогательные формовочные материалы. Интернет-ресурс Сталь и всё о стали. [Электронный ресурс] - 22 сентября 2020 г. - Режим доступа: https://www.inmetal.ru/360-vspomogatelnyeformovochnye-materialy.html.7. Auxiliary molding materials. Internet resource Steel and everything about steel. [Electronic resource] - September 22, 2020 - Access mode: https://www.inmetal.ru/360-vspomogatelnyeformovochnye-materialy.html.

8. Патент RU № 2570680 С2, опубл. 10.12.2015.8. Patent RU No. 2570680 C2, publ. 12/10/2015.

9. Патент RU № 2202437 С2, опубл. 20.04.2003.9. Patent RU No. 2202437 C2, publ. 04/20/2003.

10. Патент ЕР№ 0891954 В1, опубл. 20.01.1999.10. Patent EP No. 0891954 B1, publ. 01/20/1999.

11. И.Б. Одарченко, А.А. Синицкий, И.Н. Прусенко, Обеспечение стабильности внутренних полос11. I.B. Odarchenko, A.A. Sinitsky, I.N. Prusenko, Ensuring the stability of internal bands

- 5 041647 тей стальных отливок. Журнал Литьё и металлургия, № 1, 2019, с. 24-27.- 5 041647 steel castings. Journal of Casting and Metallurgy, No. 1, 2019, p. 24-27.

Claims

1. Molding mixture for the manufacture of molds and cores for castings with a given dimensional and geometric accuracy, containing quartz sand, a binder, a hardener and an additive in the form of hollow ceramic aluminosilicate microspheres in an amount of more than 30 and not more than 50 wt.% of the mass of the mixture at the content of Al ₂ O ₃ in the microspheres is not less than 32%.

2. The mixture according to claim 1, characterized in that the diameter of the microsphere is 100-300 microns.

3. A mixture according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the wall thickness of the microsphere is 5-10% of the diameter of the microsphere.