RO115336B1

RO115336B1 - Compozitie refractara

Info

Publication number: RO115336B1
Application number: RO95-00048A
Authority: RO
Inventors: Dietmar Bartsch; Klaus Seeger; Hans-Dieter Kaiser
Original assignee: Huttens Albertus Chemische Wer
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1994-05-11
Publication date: 2000-01-28
Also published as: PL307061A1; HU9500128D0; BR9405401A; AU6676494A; KR950702459A; US5573580A; PL178048B1; JPH07509409A; EP0649356B1; DE59401151D1; SK5495A3; CZ284147B6; AU677661B2; CN1109678A; WO1994026440A1; BG99338A; ZA943357B; JP2938570B2; CZ5195A3; CA2139871A1

Description

Invenția se referă la o compoziție refractară destinată acoperirii suprafețelor interioare ale formelor de turnare, miezurilor sau modelelor utilizate în domeniul turnării pieslor metalice.

Sunt cunoscute materiale de formare sub formă de alice metalice din oțel sau dintr-un material corespunzător. Procesul tehnologic de realizare a formelor, în acest caz, constă din realizarea unui model din polistiren expandat, model care este poziționat corespunzător în rama de formare, apoi se realizează umplerea ramei respective cu alice din fontă sau oțel. Pentru rigidizarea alicelor, în jurul miezului se utilizează un câmp magnetic, forma devenind astfel gata pentru a se turna metalul lichid. După turnarea metalului lichid și după solidificarea acestuia, se dezbate forma de turnare, se curăță piesa turnată apoi alicele metalice sunt supuse demagnetizării

Aceste materiale prezintă dezavantajul că, nu pot realiza piese metalice cu o suprafață cu rugozitate redusă.

Mai este cunoscut o compoziție de realizare a unui strat protector pe suprafața formelor de turnare, brevet US 5415219, care constă din aplicarea unui strat terminal pe suprafața interoară a formelor de turnare, alcătuit din fibre ceramice și din oxizi solubili cu refracta ritate ridicată pentru a forma un strat intermediar poros. în stratul de fibre ceramice se mai poate adăuga și o anumită cantitate de grafit. Grafitul se depune pe suprafața formei de turnare, după ce s-a realizat stratul de fibre ceramice.

Stratul de protecție realizat pe suprafața formei de turnare este supus unei tratări cu ajutorul unui jet de plasmă pentru realizarea stratului poros respectiv, datorită oxidării grafitului în bioxid de carbon. Stratul de fibre ceramice poate fi alcătuit din 80...90% aluminiu și din 5...20% oxid de siliciu. Stratul de oxizi metalici este constituit din oxid de aluminiu și din oxid de zirconiu. Grosimea acestui strat de fibre ceramice pe suprafața formei de turnare este, de 0,2...15mm, iar grosimea stratului de oxizi metalici este de 0,01 ..0,8 mm.

în general, acoperirile protectoare sunt suspensii de materiale anorganice cu granulație fină, refractare sau înalt refractare, aplicate prin anumite procedee potrivite, de exemplu, prin pensulare, prin pulverizare, turnare sau scufundare, apoi, sunt supuse unui proces de uscare.

Materialele anorganice de granulație fină, refractare, până la înalt refractare, reprezintă componenta principală corespunzătoare realizării unei acoperiri refractare în tehnica de turnare. Aceste materiale poartă denumirea de materiale de bază și sunt suspendate în lichidul purtător cu ajutorul unor agenți de suspensie. în lichidul purtător se mai dizolvă substanțe adezive, care servesc, după îndepărtarea lichidului purtător, la fixarea particulelor de material de bază pe suprafața formei de turnare. Dacă este cazul, se pot adăuga agenți de rețea, agenți de spumare precum și substanțe bactericide. Exemple tipice de materiale de bază, singure sau în amestec unele cu altele, cuprind oxizi minerali, cum ar fi, corundul, magnezitul, mulitul, cuarțul și cromitul. Aceste materiale de bază mai cuprind silicați, cum ar fi, silicatul de zirconiu, olivinul, șamota. în afară de aceste substanțe, materialul de bază mai poate cuprinde cocs și grafit. Ca agenți de suspensie sunt utilizați silicații stratificați de înmuiere sau derivați de celuloză, care au capacitatea de a absorbi apa. Lichidul purtător pote fi apa sau un solvent, cum ar fi benzina ușoară, metanolul, etanolul, izopropanolul sau un izobutanolul, iar ca agent adeziv este ales, în coformitate cu proprietățile sale, derivații solizi, cum ar fi, dextrina, derivații de lignină, de exemplu, ligninosulfonat, rășini naturale, rășini sintetice sau materiale sintetice, în care agentul adeziv este ales în funcție de solubilitatea acestuia în lichidul purtător.

RO 115336 Bl

Această compoziție, deși conferă stratului o refractaritate corespunzătoare și 50 creează posibilități de evacuare a gazelor, este o compoziție care necesită multe faze de relizare.

Alte compoziții de realizare a straturilor protectoare, prezentate în literatura de specialitate (J.Levelnik, Turnătorie, Anul de apariție 1979, pp. 456...458, ca și O.Baratsch, Rapot al Forum-ului Tehnic la al 58-lea Congres Internațional de 55 Turnătorie, Cracovia , 1991), sunt alcătuite din silicați stratificați sub formă de plăci. Acești silicați, de exemplu, caolinitul, pirofilitul, talcul, mica sunt utilizate ca materiale de bază, care sub influența tensiunii de întindere se lasă mai ușor modeleți în formele de turnare. Materialele minerale vor fi asfel combinate, încât să permită formarea de faze temporare, faze care, de asemenea, îmbunătățesc capacitatea de modelare în 60 forma de turnare.

Ca un dezavantaj al acestor compoziții s-a stabilit că aceste acoperiri, ca urmare a unei texturi foarte dense, care apare în structură lor , nu prezintă o permeabilitate suficientă pentru evacuarea gazelor care rezultă ca urmare a descompunerii termice a agentului adeziv din alcătuirea formelor de turnare din nisip. Ca urmare a 65 acestui fapt, se formează o presiune ridicată în formele de turnare sau în miezuri, care, imediat ce depășește presiunea metalostatică, conduce la fierberea metalului și la formarea de bule de gaz. în afară de acest efect, ca urmare a creșterii presiunii, pot avea loc fisurări ale stratului de acoperire, acestea regăsindu-se pe suprafața piesei turnate. 70

Alte copoziții cunoscute de realizare a unor straturi protectoare pe suprafața formelor de turnare ( DE-C 3525874 și DE-C 4203904) utilizează fibre pentru a se obține un timp de uscare redus, fără apariția fisurilor, precum și o rezeistență ridicată a stratului de acoperire respectiv. De asemenea, în cazul utilizării fibrelor de natură organică, se poate mări permeabilitatea la gaze a stratului respectiv. 75

Aceste copoziții prezintă dezevantajul că, înglobarea fibrelor în masa de material de acoperire se face dificil, iar prelucrarea unui asemanea strat este greoaie. La înglobarea fibrelor respective în masa materialului de acoperire sunt necesare forțe de forfecare ridicate pentru a se asigura o repartiție uniformă a acestor fibre, deoarece fibrele, în timpul amestecării, tind a se aglomera. în afară de acest deza- 80 vantaj, la prelucrarea acoperirilor care conțin fibre, o suprafață netedă este greu de obținut, deoarece, în cazul realizării acoperirii prin vopsire, fibrele respective sunt antrenate printre perii pensulei.

Problema care apare în cazul realizării acoperirilor formelor de turnare, a miezurilor sau a altor elemente al formelor de turnare, constă în aceea că, aceste 85 acoperiri trebuie să asigure o suprafață netedă și fără defecte a piesei turnate, o separare netă între metalul topit și suprafața formei de turnare și influențarea zonelor de margine a turnării prin materialele active din punct de vedere metalurgic.

Această problemă a fost rezolvată cu ajutorul unei compoziții care permite realizarea unui strat de acoperire dintr-un materal cu o permeabilitare ridicată pentru 90 gaze, material care prezintă o granulație fină, fiind alcătuit din niște sfere goale într-o cantitate, de 1...40%. din greutatea totală a compoziției, care stă la baza realizării acoperirii respective. Aceste sfere sunt de natură anorganică , au un diametru cuprins, între 5 până la 500 pm, preferabil, între 60...250 pm și sunt umplute cu un gaz. Aceste sfere au învelișul alcătuit din silicați, în special, de aluminiu, calciu, mag- 95 neziu și/sau zirconiu, din oxizi, ca de exemplu, oxidul de aluminiu, cuarț, magnezit, mulit, cromit, oxid de zirconiu și/sau oxid de titan, din boruri, carburi și nitruri, cum ar fi, carbura de siliciu, carbura de titan, borura de titan, nitrura de bor și/sau

RO 115336 Bl carbura de bor, din cărbune, sticlă și chiar din unele metale, ca, de exemplu, cupru. Gazul conținut de aceste sfere este un gaz inert din punct de vedere chimic și poate fi alcătuit din aproximativ 70% bioxid de carbon și 30% azot. Compoziția mai conține fibre cu un diametru cuprins între 1 și 30 pm, preferabil, între 3 și 10 pm și cu o lungime, de 10 la 5000 pm, preferabil, între 100 și 500 pm. Fibrele sunt de natură anorganică, fiid constituite din silicați de aluminiu, oxid de zirconiu, oxid de aluminiu, oxid de titan, cărbune, carbură de siliciu, carbură de titan, nitrură de bor, carbură de bor, sticlă, bazalt, vată minerală, sau din materiale organice. Fibrele organice sunt fibre din materiale sintetice de toate tipurile sau fibre naturale, cum ar fi, fibrele celulozice.

Compoziția pentru realizarea stratului de acoperire, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- permite obținerea unor piese turnate fără defecte de suprafață;

- are o permeabilitate mărită;

- nu necesită condiții dificile de realizare;

- se îndepărtează ușor de pe suprafața piesei turnate;

- nu modifică parametri tehnici de turnare.

Invenția, se prezintă în continuare, în legătură și cu figura, care reprezită graficul permeabilității.

Compoziția pentru realizarea straturilor de acoperire protectoare, conform invenției, este relizată, în procente de greutate, din componente cu granulație fină, cuprinsă, între 1 și 40% din sfere goale din materiale anorganice. Aceste sfere sunt de dimensiuni mici, cu diametrul cuprins, între 5 și 500 pm, de preferință, între 60 și 250 pm și sunt umplute cu gaz. învelișul acestor sfere constă din silicați și, în special, cei ai aluminiu, calciului, magneziului, și/sau zirconiului, din oxizi, cum ar fi, oxidul de aluminiu, cuarțul, magnezitul, mulilitul, cromitul, oxidul de zirconiu și/sau oxidul de titan, din boruri, carburi și nitruri, cum ar fi, carbura de siliciu, carbura de titan, borura de titan, nitrura de bor și/sau carbura de bor, din cărbune, sticlă și chiar din metale, ca de exemplu, cupru. Sferele, de preferință, sunt umplute cu un gaz inert, din punct de vedere chimic, constând, de exemplu, din 70% bioxid de carbon și 30% azot .Aceste sfere goale în interior și-au găsit utilizarea și ca material de umplutură ușor, în special, pentru materialele sintetice.

Aceste sfere goale se obțin după procedee cunoscute în domeniu, putând fi procurate de la diverși producători, ca de exemplu, de la Compania Norvegian TALC, Deutschland GmbH și alte firme producătoare. în cazul unui conținut ridicat de sfere, în anumite situații, este posibil să aibă loc o reducere a rezistenței stratului de acoperire realizat. Pentru a înlătura această dificultate, se introduce în stratul de acoperire, suplimentar, o cantitate redusă de fibre scurte și subțiri. Fibrele au un diametru, de 1 până la 30 pm, de preferință, între 3 și 10 pm și o lungime de, 10 până la 5000 pm, preferabil, între 100 și 500 pm. Aceste fibre constituie materialul suport și sunt formate din materie anorganică, ca, de exemplu, silicați de aluminiu, oxid de zirconiu, oxid de aluminiu, oxid de titan, cărbune, carbură de siliciu, carbură de titan, borură de titan, nitrură de bor, carbură de bor, sticlă, bazalt, vată minerală, putându-se utiliza și fibre din materiale organice. Fibrele din materie organică sunt fibre din materiale sintetice de toate tipurile sau chiar fibre naturale, cum ar fi, de exemplu, fibrele de celuloză,nylonul,polietilena,acetatul de vinii sau un poliester.

Fibrele prezintă dezavantajul, în comparație cu sferele goale în interior, că nu pot fi înserate în cadrul acoperirii dorite fără probleme, dar în cadrul prezentei invenții se utilizează o mică cantitate de fibre și numai atunci, când nu se poate realiza o

RO 115336 Bl

150 rezistență suficientă a stratului de acoperire.

Prin aplicarea compoziției, conform invenției, permeabilitatea la gaze este puternic influențată, prin aceasta se înlătură deficiențele cunoscute în stadiul tehnicii, în cazul realizării pieselor turnate. Introducerea sferelor goale în componența stratului de acoperire,duce la micșorarea greutății acestuia, pe de o parte, iar pe de altă parte, nu influențează în mod hotărâtor celalte caracteristoici ale stratului respectiv. Compactarea stratului de acoperire,care este cauza principală, în cazul înrăutățirii permeabilității față de gazele emanate în urma contactului metalului lichid cu materialul de bază al formei de turnare, în cazul utilizării sferelor goale stratul devine mai afânat, mărind permeabilitatea la gaze. Așa cum va prezentat în continuare în exemplele de realizare, o acoperire realizată din compoziția, conform invenției, în stare uscată, înainte de efectuarea turnării, permite o permeabilitate la gaze, în mod vizibil îmbunătățită în comparație cu o acoperire realizată cu o compoziție identică, dar fără să aibă în alcătuire sfere goale.

La începutul operației de turnare, caracteristicile izolatoare ale sferelor goale în interior, precum și permeabilitatea la gaze determină un transfer de căldură întârziat, de la stratul de acoperire, la materialul formelor de turnare. Ulterior, sferele goale în interior se topesc sub acțiunea temperaturii create de metalul lichid și/sau se sparg sub acțiunea presiunii metalostatice, asfel, încât, prin aceasta, în stratul de acoperire apare un număr mare de locuri cu microdefecte, iar, ca urmare a acestui fapt, stratul de acoperire devine în mai mare măsură permeabil la gaze, fără a fi permeabil pentru metalul turnat.

Un efect secundar, dar favorabil, al topirii și/sau spargerii sferelor goale la interior constă în aceea că, umplutura de gaz inert, aflată în interiorul sferelor este eliberată, preluând funcția de pătură protectoare împotriva oxidării.

învenția este aplicabilă la toate tipurile de acoperiri, având o însemnătate deosebită, mai ales, la acele straturi de acoperire care conțin particule de material de bază sub forma unor plăci și este de nerenunțat, în ceea ce privește utilizarea practică a unor asemenea acoperiri. Dar și în cazul altor acoperiri se pot identifica avantajele prezentei invenții, întrucât particulele materialului de bază, de granulație fină, ale acoperirilor cunoscute pot și ele să formeze, ca urmare a compozițiilor lor, umpluturi compacte, deoarece granulele au, de cele mai multe ori, o configurație colțuroasă, până la o configurație sub formă de așchii.

Compoziția, conform invenției, este potrivită pentru toate amestecurile de formare, permițând cu ajutorul fibrelor sau a sferelor goale în interor, sau numai cu ajutorul sferelor goale în interor, ca permeabilitatea la gaze și rezistența mecanică a straturilor de acoperire, să corespundă cerințelor procesului de turnare, în care caz se mărește viteza de uscare și rămâne garantată capacitatea de turnare a formei, precum și o suprafață netedă a formei de turnare.

Exemple de realizare.

Au fost pregătite patru tipuri de probe de compoziții ale stratului de acoperire, în care drept lichid purtător este apa. Aceste probe au aceeași compoziție calitativă, diferind numai în ceeace privește cantitatea de sfere goale și cea de fibre. Compoziția probelor respective este reprezentată în tabelul 1, care urmează:

155

160

165

170

175

180

185

190

RO 115336 Bl

Tabelul 1

Proba	Conținutul de sfere, %	Conținutul de fibre, %
A	Fără	Fără
B	10	Fără
C	5	1
□	10	1

în mod asemănător au fost pregătite alte trei probe, în care lichidul purtător este alcoolul.

Tabelul 2

Proba	Conținutul de sfere, %	Conținutul de fibre, 0/ /0
E	Fără	Fără
F	10	Fără
G	4	1

în toate cazurile au fost utilizate sfere goale din silicat de aluminiu, al căror diametru a fost cuprins, între 90 și 250 pm, reprezentând 80%, din toată cantitatea de material de acoperire. în ceea ce privește cantitatea de fibre, s-au utilizat fibre din silicat de aluminiu cu un diametru mediu, de 3 pm și o lungime mai mică, de 3 mm.

Pentru controlul permeabilității la gaze, probele de la A la G au fost aduse pe un ansamblu de site, iar permeabilitatea a fost măsurată cu un aparat de măsură cunoscut sub denumirea “Georg Fischer” ,în care a fost comprimat aer la o presiune prestabilită pentru a trece prin probe, după care s-a măsurat debitul de aer care a trecut în unitate de timp. Rezultatele măsurătorilor sunt prezentate în tabelele 3 și 4, prezentate în continuare. Aceste rezultate sunt trecute sub forma de valori relative, raportate la proba A luată ca referință. Așa cum se poate observa din rezultatele obținute, permeabilitatea relativă la gaze, la toate probele reprezentând stratul de acoperire în conformitate cu invenția, s-au situat deasupra valorii 1, fiind mai bune față de proba A. în cazul adăugării, de 10% sfere din silicat de aluminiu, proba B, permeabilitatea la gaze a acestei probe crește, cu 280%. Proprietățile de permeabilitate, la toate acoperirile cu compoziția, conform invenției, sunt bune. La adăugarea, suplimentară, de 1% fibre ceramice, cazul probei D, stratul de acoperire are o rezistență mai bună, în cazul utilizării la realizarea miezurilor la care s-au folosit, drept liant, rășini sintetice. Creșteri asemănătoare ale permeabilității la gaze au fost observate și în cazul probelor F și G, având drept lichid purtăor, alcoolul. A fost, de asemenea, observat că, permeabilitatea la gaze, în timpul turnării metalului lichid, crește puternic în cazul straturilor de acoperire la care, în compoziția în conformitate cu invenția, s-au utilizat sfere goale în interior și/ sau sfere goale în interior și materiale fibroase.

în graficul din figură se prezintă curba de presiune a gazului a unui miez realizat după procedeul cutie rece, care a fost acoperit cu un strat alcătuit din materiale cunoscute, cazul probei A, în comparație cu un miez O, care nu a fost prevăzut cu nici

RO 115336 Bl

235 o acoperire. Testarea a fost realizată cu miezuri realizate în cutii cilindrice reci, care au fost scufundate într-o topitură metalică cu o temperatură, de aproximativ 143O°C. Presiunea, care s-a stabilizat în miez, a fost măsurată în funcție de durata de scufundare și este dată de înălțimea coloanei de metal topit. în cazul miezurilor prevăzute cu un strat de acoperire au apărut un maxim la început, apoi un alt maxim de presiune a gazului, după o durată mai mare de timp, în timp ce, în cazul miezului fără strat de acoperire s-a observat un maxim de presiune, la început, urmat de două maxime mai mici, în continuare.

Tot în figură este prezentată curba de presiune a gazului unui material de acoperire cu compoziția, în conformitate cu prezenta invenție, cazul probei C.în cazul acestei probe s-a observat doar un singur maxim de presiune la începutul testării. în punctele critice ale duratei de timp, din timpul turnării metalului lichid și în timpul fazei de solidificare nu se mai formează nici un maxim de presiune, în cazul acestei probe. Defectele prezentate anterior, în cazul utilizării materialelor de bază cunoscute, cum ar fi, bulele de gaz și înglobările în piesă, nu mai apar.

în aprecierea calității suprafețelor pieselor turnate, ca aceste suprafețe să nu mai prezinte defecte, compoziția stratului de acoperire, în conformitate cu prezenta invenție, prezintă rezultate apreciabile. Proprietățile superioare date de straturile din sfere goale sau din sfere goale și fibre sunt datorate sferelor goale în interior, aflate în compoziția stratului de acoperire

Compoziția stratului de acoperire având drept lichid purtător, apă cu diferite particule de sfere goale în interior/particula de fibre este dată în tabelul 3:

240

245

250

255

Tabelul 3

Compoziția stratului de acoperire, 0/ /0	A	B	C	D
Apă	-	-	-	-
Silicat de aluminiu	50,3	40,3	44,3	39,3
Grafit	-	-	-	-
Minerale argiloase	39,0	39,0	39,0	39,0
Oxid de fier	4,0	4,0	4,0	4,0
Dextrină	4,0	-	4,0	4,0
Agent de rețea	1,0	4,0	1,0	1,0
Agent de conservare	-	1,0	-	-
Fibre	0,65	-	0,65	0,65
Sfere goale la interior	0,8	0,65	0,8	0,8
	-	0,8	-	-
	0,25	-	0,25	0,25
	0	0,25	1	1
	0	0	5	10
	-	10	-	-
Permeabilitate relativă față de gaze (Raportată la proba A]	100% 1	100% 3,8	100% 3,4	100% 5,7

260

265

270

Probele având ca lichid purtător alcoolul cu diferite particule de sfere goale în interior/particulele de fibre sunt prezentate în tabelul 4:

275

RO 115336 Bl

280

Tabelul 4

Compoziția stratului de acoperire, %	E	F	G
Alcool	49,5	49,5	49,5
Silicat de aluminiu	38,4	28,4	33,4
Apă	6,2	6,2	6,2
Bentonită	3,1	3,1	3,1
Oxid de fier	2	2	2
Rășină sintetică	0,8	0,8	0,8
Fibre	0	0	1
Sfere goale la interior	0	10	4
Permeabilitatea relativă față de gaze	100%	100%	100%
(Raportată la proba A)	1,2	13,8	6,8

Claims

Revendicări

285

290

1. Compozite refractară utilizată la acoperirea suprafețelor interioare ale formelor de turnare, al căror component principal constă din materiale anorganice refractare până la înalt refractare, de granulație fină, compoziție caracterizată prin aceea că, are în conținut, în procente în greutate, raportat la compoziția gata de utilizare, 1 ...40% sfere de natură organică, goale la interior.
2. Compoziție, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că sferele goale în interior sunt din silicați, în special, ai aluminiului, calciului, magneziului și/sau zirconiului, din oxizi, ca, de exemplu, oxid de aluminiu, cuarț, magnezit, mulit, cromit, oxid de zirconiu și/sau oxid de titan, din boruri, carburi și nitruri, cum ar fi, carbura de siliciu, carbura de titan, borura de titan, nitrura de bor și /sau carbura de bor, din cărbune, sticlă sau metale, sau sunt amestecuri ale sferelor goale din aceste substanțe.
3. Copoziție, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că sferele goale în interior sunt umplute cu gaz inert și prezintă un diametru cuprins, între 1 și 500 pm, preferabil, între 60 și 250 pm.
4. Compoziție conform revendicărilor 1 ...3, caracterizată prin aceea că, are un conținut adițional de fibre anorganice și/sau organice într-o cantitate de 0,1 la 10% în greutate, raportată la greutatea totală a compoziției gata de utilizare.
5. Compoziție, conform revendicării 4, caracterizată prin aceea că fibrele anorganice constau din silicați de aluminiu, oxid de aluminiu, oxid de titan, oxid de zirconiu, cărbune, carbură de siliciu, carbură de titan, borură de titan, nitrură de bor, carbură de bor, sticlă, bazalt sau vată minerală, sau sunt amestecuri ale fibrelor din aceste substanțe.
6. Compoziție, conform revendicării 4, caracterizată prin aceea că fibrele organice constau din celuloză, nylon, polietilenă, acetat de vinii sau poliester sau amestecuri ale fibrelor din aceste sustanțe.
7. Compoziție, conform revendicărilor 4 la 6, caracterizată prin aceea că fibrele prezintă un diametru cuprins, între 1 și 30 pm, preferabil, între 3 și 10 pm și o lungime de, 10 la 5000 pm, preferabil, între 100 și 500 pm.