PL178048B1 - Pokrycie ochronne na formy odlewnicze - Google Patents

Abstract

1. Pokrycie ochronne na formy odlew- nicze, zasadniczo skladajace sie z ognio- trwalych, az do wysokiej ogniotrwalosci, materialów nieorganicznych w postaci roz- drobnionej, znamienne tym, ze zawiera tak- ze materialy nieorganiczne w postaci pustych kulek, w ilosci od 1 do 40% wagowych goto- wego do uzycia pokrycia. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest pokrycie ochronne na formy odlewnicze, a także na rdzenie i modele.

Znane pokrycia ochronne stanowią zawiesiny drobnoziarnistych, ogniotrwałych, aż do wysokiej ogniotrwałości, materiałów nieorganicznych w cieczy nośnej, przy czym tak spreparowane substancje nanosi się na odpowiednie części form, stosując właściwe dla danego przypadku techniki nanoszenia, np. za pomocą pędzla, natryskiwania, lania lub kąpieli, po czym, po wysuszeniu, uzyskuje się żądane powłoki zabezpieczające.

Drobnoziarniste, ogniotrwałe aż do wysokiej ogniotrwałości materiały nieorganiczne stanowią- z punktu widzenia techniki odlewania - celowy składnik pokrycia. Materiały te określane również jako „materiały podstawowe”, rozprowadzane są zawiesinowo w cieczy nośnej za pomocą środków suspensyjnych.

W cieczy nośnej rozpuszczane są także spoiwa, które służą do ustalania cząstek substancji podstawowej na powierzchni części formy, po usunięciu cieczy. W razie potrzeby stosuje się także środki zwilżające, antypieniące i bakteriobójcze.

Typowe przykłady materiałów podstawowych obejmują (pojedynczo lub w mieszaninie ze sobą) tlenki nieorganiczne jak korund, magnezyt, mullit, kwarc i chromit, a dalej również krzemiany, jak krzemian cyrkonu, oliwin, szamot i poza tym również koks i grafit. Jako środki zawiesinowe używane sąpęczniejące krzemiany warstwowe lub pochodne celulozy, które sązdolne do zatrzymywania wody. Cieczą nośną może być woda lub rozpuszczalnik, jak benzyna lekka, metanol, etanol, izopropanol lub izobutanol, ajako spoiwo wchodząw rachubę pochodne skrobi, jak dekstryna, pochodne ligniny, jak sulfoniany ligniny, żywice naturalne, żywice sztuczne lub two178 048 rzywa sztuczne, jak włókno polialkoholowinylowe, przy czym spoiwa wybiera się odpowiednio do ich rozpuszczalności w cieczy nośnej.

Środki do wykonywania pokryć powinny spełniać następujące zadania w odlewnictwie:

1. Poprawa gładkości powierzchni odlewu.

2. Czyste rozdzielenie ciekłego metalu i formy.

3. Zapobieganie wadom powierzchniowym, jak np. pęcherzom gazowym lub żyłkom odlewniczym lub wżerom.

4. Oddziaływanie na strefę krawędzi odlewu za pomocąsubstancji czynnych metalurgicznie.

Zadanie 1 i 2 można dobrze zrealizować w zasadzie za pomocąróżnych, odpowiednio spreparowanych materiałów, a zadanie 4 obejmuje jedynie obszar krawędzi, gdyż metalurgicznie czynne pokrycia, np. z siarką, używane są tylko częściowo.

Zadanie 3 ma dzisiaj i będzie mieć w przyszłości coraz większe znaczenie, ponieważ wszystkie formy piaskowe i rdzenie, związane z żywicą sztuczną, w wysokiej temperaturze pękają wskutek wydłużania się piasku, a wytop wnika potem do formy lub rdzenia. Usuwanie powstających w wyniku, tego wad powierzchniowych odlewów jest bardzo trudne i czasochłonne.

Znane i stosowane pokrycia ochronne, które przeciwdziałają tym wadom, zostały opisane w literaturze J. Levelink, Giesserei (odlewnictwo), rocznik 66, 1979 str. 456 - 458 oraz D. Bartsch, Report of Technical Forum, 58 ty World Foundry Congress, Kraków 1991 (Sprawozdanie z forum technicznego, 58-th Światowy Kongres Odlewnictwa).

Sposób działania takich pokryć polega na tym, że ukształtowane płytkowo krzemiany warstwowe jak kaolinit, pirofillit, talk i mika używane sąjako materiały podstawowe, które pozwalają się lepiej odkształcać (formować) pod działaniem naprężenia rozciągającego.

Ponadto materiały mineralne tak dobiera się, że tworzą one przemijające fazy mięknienia, co również poprawia formowalność (odkształcalność) pokrycia.

Jednakże stosowanie tych pokryć wykazało, że uzyskane powłoki charakteryzują się bardzo gęstą teksturą, a przez to nie dają odpowiedniej przepuszczalności dla gazów, które powstają przy termicznym rozkładzie spoiwa form piaskowych.

W wyniku powyższego w formie i/lub w rdzeniu powstaje wysokie ciśnienie gazu, które gdy przekroczy metalostatyczne przeciwciśnienie, prowadzi do wrzenia metalu i wydzielania pęcherzy gazowych. Poza tym, wskutek wzrostu ciśnienia, mogą również odpadać części pokrycia, które potem osadzają się w odlewie, jak wtrącenia.

Z niemieckich opisów patentowych DE - C 3525847 i DE - C 4203904 znane są pokrycia ochronne, zawierające materiały nieorganiczne w postaci włókien, dzięki którym skraca się czas suszenia - bez powstawania pęknięć, a przy tym uzyskuje się zwiększoną wytrzymałość powłok form na zginanie, przy czym, zgodnie z DE - C 4203904, przy pomocy dodatkowych włókien organicznych uzyskuje się także zwiększoną przepuszczalność gazową powłoki.

Istota wynalazku polega na tym, że pokrycie ochronne, oprócz ogniotrwałych, aż do wysokiej ogniotrwałości zasadniczych materiałów nieorganicznych w postaci rozdrobnionej, zawiera także materiały nieorganiczne w postaci kulek, w ilości od 1 do 40% wagowych gotowego do użycia pokrycia.

Korzystnym jest, gdy puste kulki składająsię z krzemianów, zwłaszcza glinu, wapnia, magnezu i/lub cyrkonu, z tlenków jak tlenek glinu, kwarc, magnezyt, mullit, chromit, tlenek cyrkonu i/lub tlenek tytanu, z borków, węglików i azotków, jak węglik krzemu, węglik tytanu, borek tytanu, azotek boru i/lub węglik boru, z węgla, szkła i metali lub są mieszaniną tych kulek.

Korzystnym jest także, gdy puste kulki są wypełnione gazem i mają średnicę od 1 do 500 pm, korzystnie 60 - 250 pm.

Ponadto korzystnym jest, gdy pokrycie dodatkowo zawiera nieorganiczne i/lub organiczne włókna w ilości od 0,1 do 10% wagowych gotowego do użycia pokrycia.

Przy tym korzystnym jest, gdy nieorganiczne włókna składają się z krzemianów glinu, tlenku glinu, tlenku cyrkonu, tlenku tytanu, węgla, węglika krzemu, węglika tytanu, borku tytanu, azotku boru, węglika boru, szkła, bazaltu lub wełny mineralnej lub stanowią mieszaninę tych włókien.

178 048

Jednocześnie korzystnym jest, gdy organiczne włókna składają się z celulozy, nylonu, polietylenu, octanu winylu, lub poliestru, lub stanowią mieszaninę tych włókien.

Dodatkowo korzystnym jest, gdy włókna mają średnicę od 1- 30 pm, korzystnie 3 -10 pm i długość 10 do 5000 pm, korzystnie 100 - 500 pm.

Puste kulki stanowią mikrosfery o średnicy rzędu 5 - 500 pm (korzystnie 60 - 250 pm), których powłoka składa się z krzemianów, zwłaszcza glinu, wapnia, magnezu i/lub cyrkonu, z tlenków jak tlenek glinu, kwarc, magnezyt, mullit, chromit, tlenek cyrkonu i/lub tlenek tytanu, z borków, węglików i azotków, jak węglik krzemu, węglik tytanu, borek tytanu, azotek boru i/lub węglik boru, z węgla, ze szkła lub również metali jak np. miedź i napełnione są gazem, normalnie mieszaniną gazów obojętnych, na przykład składających się z 70% CO2, i 30% H₂.

Te wewnątrz puste kulki zostały opracowane w ostatnim czasie i znajdują zastosowanie, zwłaszcza jako wypełniacz lekki tworzyw sztucznych.

Przy bardzo dużej zawartości takich kulek w pokryciu może dojść, ewentualnie do zmniejszenia wytrzymałości utworzonej powłoki. Aby temu przeciwdziałać uzupełnia się skład pokrycia niewielką ilością cienkich i krótkich włókien z materiałów nieorganicznych.

Przy wprowadzaniu włókien do pokryć niezbędne sąduże siły ścinające, aby zapewnić wystarczający, równy ich rozdział, gdyż włókna wykazują skłonność do skłębiania się.

Poza tym, przy przetwarzaniu pokryć zawierających włókna, z trudnością można uzyskać gładkąpowierzchnię, gdyż na przykład przy nakładaniu pokrycia za pomocąpędzlajego szczecina pociąga za sobą włókna.

Z tego powodu stosuje się tylko niewielkie ilości włókna i to również tylko wtedy, gdy w inny sposób nie można uzyskać wystarczającej wytrzymałości powłoki.

Okazało się, że znacznie można poprawić przepuszczalność gazów przez powłoki bez ujemnego wpływu na żądane własności odlewania, gdy pokrycie zawiera pewną część pustych kulek z dodatkiem mniejszych ilości materiału włóknistego.

Dzięki temu udało się usunąć na wstępie niedogodności bez konieczności pogodzenia się przez to z innymi wadami. Kulki wewnątrz puste dzięki ich kształtowi można bez problemu wprowadzić do pokryć, a przetwarzalność takich pokryć odpowiada przetwarzalności znanych pokryć, przy czym można jeszcze stwierdzić korzystnie skrócony czas suszenia pokrycia.

Analizując rolę nieorganicznych, pustych kulek w pokryciu ochronnym stwierdzono, że kulki te rozluźniaj ą gęstą strukturę cząstek materiału podstawowego w pokryciu, które można traktować jako główną przyczynę złej przepuszczalności gazów i w ten sposób modyfikują pokrycie, j ak pokazano niżej w oparciu o przykłady. Pokrycie form wykonane według wynalazku w suchym, nie odlanym jeszcze stanie wykazuje wyraźnie lepszą przepuszczalność gazów w porównaniu z pokryciem bez domieszki pustych kulek, ale o tym samym składzie chemicznym.

Na początku procesu odlewania izolujące własności pustych kulek oraz pokryć przepuszczających gaz powodują opóźniony przepływ ciepła przez powłokę w materiał formy. Później kulki te topią się w temperaturze odlewania i/lub rozrywają się pod ciśnieniem odlewania, przez co w powłoce powstają liczne mikrowady, dzięki którym powłoka otrzymuje niezwykle wysoką przepuszczalność gazów, bez przepuszczalności odlewanego metalu. Korzystnym efektem ubocznym topienia i/lub rozrywania pustych kulekjest uwolnienie gazu obojętnego z wnętrza kulek, co chroni powierzchnię metalu przez utlenianiem.

Wynalazek można stosować uniwersalnie przy wszystkich rodzajach pokryć ochronnych.

Odgrywa on szczególne znaczenie przy tego rodzaju pokryciach, które zawierają płytkowate cząsteczki materiału podstawowego, z którego nie można zrezygnować dla praktycznego zastosowania takich pokryć.

Także przy innych pokryciach występują wskazane zalety wynalazku, gdyż drobnoziarniste cząsteczki materiału podstawowego zwykłych pokryć, mające przeważnie postać granulek lub łusek, mogą również tworzyć stosunkowo gęste struktury.

Reasumując, dzięki wynalazkowi otrzymuje się pokrycie, które nadaje się dla wszystkich zastosowań i umożliwia za pomocą pustych kulek i włókien lub samych kulek dostosowanie przepuszczalności gazów i wytrzymałości mechanicznej pokryć do wymagań sposobu odlewa178 048 nia, przy czym prędkość suszenia zwiększa się, ajednocześnie zapewniona jest nadal dobra przetwarzalność i gładkość powierzchni.

Wynalazek objaśniają następujące przykłady.

Przykład A-D według tabeli 1

Przygotowano cztery roztwory wodne pokryć, które przy tym samym składzie chemicznym zawieraj ą różne ilości kulek zawierających wewnątrz gaz obojętny lub mieszaniny gazów obojętnych i ewentualnie włókna:

Pokrycie A

Pokrycie B Pokrycie C Pokrycie D

Kulki z gazem obojętnym bez kukk

10% wag.

55% wag.

10% wag.

Włókna bez włókien (przykład porównawczy) nie ma

10% wag.

1% wag.

Przykład E-G wg tabeli 2

Analogicznie do przykładów A-D przygotowano trzy następujące roztwory alkoholowe pokryć:

Kulki
Pokrycie E	z gazem obojętnym bez kulek	Włóóna bez włókien
Pokrycie F	10% wag .	(przykład porównawczy) bez włólden
Pokrycie G	4% wag.	11%

We wszystkich przypadkach użyto pustych kulek z krzemianu glinu, których wielkość w 80% stanowiły cząstki o wymiarach między 90 - 250 pm.

Użyto także włókien z krzemianu glinu o średniej średnicy 3 pm i długości < 3 mm.

Dla zbadania przepuszczalności gazów, umieszczono pokrycia A - F na nośniku i potem oznaczano ich przepuszczalność gazową za pomocą przyrządu Georga Fischera, w którym powietrze o zadanym ciśnieniu przetłaczane jest przez próbki, zaś mierzy się ilość powietrza przechodzącą w jednostce czasu.

Wyniki pomiarów podano w tabelach 1 i 2, i to jako wartości względne odniesione do pokrycia A jako bazy. Należy stwierdzić, że względna przepuszczalność gazów wszystkich pokryć według wynalazku znajduje się powyżej 1, a więc w stosunku do pokrycia Ajest wyraźnie lepsza. Na przykład przy dodaniu 10% kulek z krzemianu glinu (pokrycie B) przepuszczalność gazu wzrasta o 280%. Własności przetwarzania tego pokrycia są dobre. Przy dalszym dodaniu 1% włókna ceramicznego (pokrycie C), uzyskana powłoka ma dobrą wytrzymałość na rdzeniach związanych z tworzywem sztucznym.

Porównywalne wzrosty przepuszczalności gazów obserwuje się przy pokryciach alkoholowych F i G.

To, że przepuszczalność gazów uzyskanych powłok znacznie wzrasta wskutek dodania pustych kulek i/lub kulek i materiału włóknistego, obserwuje się również w warunkach odlewania.

Na załączonym rysunku przedstawiono krzywą ciśnienia gazu w czasie z konwencjonalnie naniesionym pokryciem (A) na rdzeniu Coldbox w porównaniu z niepokrytym rdzeniem (O).

Oznaczanie odbywało się za pomocą walcowych rdzeni Coldbox, zanurzonych w wytopie żelaza w temperaturze około 143°C. Powstające w rdzeniu ciśnienie gazowe mierzono w zależności od czasu zanurzenia i podano w centymetrach słupa żelaza.

Przy pokrytym ochronnie rdzeniu występuje, po maksimum początkowym, jeszcze drugie maksimum ciśnienia gazu w okresie późniejszym, natomiast przy rdzeniu nie pokrytym obser6

178 048 wuje się tylko maksimum początkowe i dwa mniejsze pozostałe maksima ciśnienia (nie pokryty rdzeń ma maksymalnie największą przepuszczalność gazową).

Następnie na wykresie przedstawiono krzywą ciśnienia gazu pokrycia według wynalazku (pokrycie C). W tym przypadku obserwuje się tylko wysokie maksimum ciśnienia początkowego.

W krytycznych punktach czasowych, podczas odlewania i krzepnięcia nie obserwuje się wzrostu ciśnienia gazu. Nie występują przy tym uprzednio opisane wady, jak pęcherze gazowe i wtrącenia w odlewie.

Tabela 1

Pokrycia wodne z różną zawartością pustych kulek i włókien

Pokrycie	A	B	C	D
Substancja (procentowy udział wagowy)
Woda	50,3	40,3	44,3	39,3
Krzemiany glinu	39,0	39,0	39,0	39,0
Grafit	4,0	4,0	4,0	4,0
Minerał ilasty	4,0	4,0	4,0	4,0
Tlenek żelaza	1,0	1,0	1,0	1,0
Dekstryna	0,65	0,65	0,65	0,65
Środek zwilżający	0,8	0,8	0,8	0,8
Środek konserwujący	0,25	0,25	0,25	0,25
Włókna	0	0	1	1
Kulki puste	0	10	5	10
Względna przepuszczalność gazu	100%	100%	100%	100%
(odniesiona do pokrycia A)	1	3,8	3,4	5,7

Tabela 2

Pokrycie alkoholowe z różną zawartością pustych kulek i włókien

Pokrycie	E	F	G
Substancja (procentowy udział wagowy)
Alkohol	49,5	49,5	49,5
Krzemiany glinu	38,4	28,4	33,4
Woda	6,2	6,2	6,2
Bentonit	3,1	3,1	3,1
Tlenek żelaza	2	2	2
Żywica sztuczna	0,8	0,8	0,8
Włókna	0	0	1
Kulki puste	0	10	4
Względna przepuszczalność gazu	100%	100%	100%
(odniesiona do pokrycia A)	1,2	13,8	6,8

178 048

Zimna skrzynka - rdzeń bez pokrycia A Zimna skrzynka - z pokryciem A

C Zimna skrzynka - z pokryciem C

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Pokrycie ochronne na formy odlewnicze, zasadniczo składające się z ogniotrwałych, aż do wysokiej ogniotrwałości, materiałów nieorganicznych w postaci rozdrobnionej, znamienne tym, że zawiera także materiały nieorganiczne w postaci pustych kulek, w ilości od 1 do 40% wagowych gotowego do użycia pokrycia.
2. 2. Pokrycie według zastrz. 1, znamienne tym, że puste kulki składają się z krzemianów, zwłaszcza glinu, wapnia, magnezu i/lub cyrkonu, z tlenków, jak tlenek glinu, kwarc, magnezyt, mullit, chromit, tlenek cyrkonu i/lub tlenek tytanu, z borków, węglików i azotków, jak węglik krzemu, węglik tytanu, borek tytanu, azotek boru i/lub węglik boru, a węgla, szkła i metali lub są mieszaniną tych kulek.
3. 3. Pokrycie według zastrz. 1, znamienne tym, że puste kulki są wypełnione gazem i mają średnicę od 1 do 500 pm, korzystnie 60 - 250 pm.
4. 4. Pokrycie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że dodatkowo zawiera nieorganiczne i/lub organiczne włókna w ilości od 0,1 do 10%o wagowych gotowego do użycia pokrycia.
5. 5. Pokrycie według zastrz. 4, znamienne tym, że nieorganiczne włókna składają się z krzemianów glinu, tlenku glinu, tlenku cyrkonu, tlenku tytanu, węgla, węglika krzemu, węglika tytanu, borku tytanu, azotku boru, węglika boru, szkła, bazaltu lub wełny mineralnej lub stanowią mieszaninę tych włókien.
6. 6. Pokrycie według zastrz. 4, znamienne tym, że organiczne włókna składaaąsię z celulozy, nylonu, polietylenu, octanu winylu, lub poliestru, lub stanowią mieszaninę tych włókien.
7. 7. Pokrycie według zastrz. 4, znamienne tym, że włókna mają średnicę od 1 - 30 pm, korzystnie 3 -10 pm i długość 10 do 5000 pm, korzystnie 100 - 500 pm.

   * * *