RU2163854C1

RU2163854C1 - Sand for making molds and cores with gypsum binder at producing castings of non- ferrous and precious alloys

Info

Publication number: RU2163854C1
Application number: RU2000118646A
Authority: RU
Inventors: О.В. Ивочкина; Л.Г. Знаменский; В.К. Дубровин; Б.А. Кулаков
Original assignee: Южно-Уральский государственный университет
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2001-03-10

Abstract

FIELD: foundry. SUBSTANCE: molding sand includes (mass%): gypsum 12-15; Dinas powder 24-30; production waste of optical glasses 24-30; concentrate of aluminum - boron phosphate 0.02-0.04, oxalic acid 0.03-0.08; water - the balance. Usage of production waste of optical glasses due to compensation of expansion of Dinas powder at heating provides reduced thermic expansion coefficient of molds and cores. EFFECT: enhanced accuracy and strength of molds and cores, improved surface quality of jewelry and decorative fine-relief castings. 3 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при изготовлении форм и стержней на гипсовом связующем, преимущественно в производстве тонкорельефных художественных и ювелирных отливок из цветных и драгоценных сплавов, получаемых литьем по выплавляемым моделям (ЛВМ). The invention relates to the field of foundry and can be used in the manufacture of molds and cores on a gypsum binder, mainly in the production of high-relief art and jewelry castings from non-ferrous and precious alloys, obtained by investment casting (LVM).

В настоящее время в художественном и ювелирном литье наибольшее распространение получили смеси на гипсовом связующем импортные "К- 90", "Суперкаст", "Ультравест" [1, 2] , а также отечественные "Ювелирная-1" и "Ювелирная-2" [2]. Однако импортные смеси дороги, а отечественные имеют пониженный уровень текучести смеси, уменьшающий точность воспроизведения микрорельефа моделей. Кроме того, наблюдается снижение прочности форм из перечисленных смесей в горячем состоянии в результате разложения гипса - единственного связующего компонента. Currently, in artistic and jewelry casting, the most widely used are gypsum-based mixes imported "K-90", "Supercast", "Ultravest" [1, 2], as well as domestic "Jewelery-1" and "Jewelery-2" [ 2]. However, imported mixtures are expensive, while domestic mixtures have a lower level of fluidity of the mixture, which reduces the accuracy of reproducing the microrelief of models. In addition, there is a decrease in the strength of the forms of the above mixtures in the hot state as a result of decomposition of gypsum - the only binder component.

Наиболее близкой по технической сущности является смесь для изготовления керамических форм и стержней при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов [3]. Смесь включает гипс, динасовый порошок, пылевидный возгон шамотного производства, алюмохромфосфатное связующее и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Гипс - 10...14
Динасовый порошок - 50...63
Пылевидный возгон шамотного производства - 3,7...7,0
Алюмохромфосфатное связующее - 0,003...0,020
Вода - Остальное
Известная смесь обеспечивает получение необходимого уровня реологических свойств (текучесть, продолжительность затвердевания) смеси для изготовления художественных и ювелирных отливок по выплавляемым моделям.The closest in technical essence is a mixture for the manufacture of ceramic molds and cores in the manufacture of castings from non-ferrous and precious alloys [3]. The mixture includes gypsum, dinas powder, pulverized sublimation of chamotte production, aluminochromophosphate binder and water in the following ratio of ingredients, wt.%:
Gypsum - 10 ... 14
Dinas powder - 50 ... 63
Dusty sublimation of fireclay production - 3.7 ... 7.0
Alumochromophosphate binder - 0.003 ... 0.020
Water - Else
The known mixture provides the necessary level of rheological properties (fluidity, solidification time) of the mixture for the manufacture of art and jewelry castings on lost wax patterns.

Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:
- повышенный коэффициент термического расширения смеси при нагреве до температур прокалки является причиной трещинообразования форм и стержней;
- низкая седиментационная устойчивость коллоидного водного раствора алюмохромфосфатного связующего в составе смеси прототипа не обеспечивает стабильность реологических свойств смеси и форм на гипсовом связующем;
- низкая смачиваемость водной гипсовой суспензией выплавляемых воскообразных моделей приводит к снижению воспроизводимости смесью их конфигурации и нарушению качества тонкорельефной поверхности отливок;
- неудовлетворительный комплекс прочностных характеристик форм и стержней, в особенности при изготовлении художественных и ювелирных отливок, отличающихся сложнопрофильностью и тонкорельефностью;
- недостаточные физико-механические свойства форм и стержней вызывают увеличение брака художественных и ювелирных отливок по засорам, наплывам и шероховатости поверхности.However, the prototype has the following significant disadvantages:
- increased coefficient of thermal expansion of the mixture when heated to calcination temperatures is the cause of cracking of molds and rods;
- low sedimentation stability of a colloidal aqueous solution of aluminochromophosphate binder in the mixture of the prototype does not ensure the stability of the rheological properties of the mixture and the forms on the gypsum binder;
- low wettability with an aqueous gypsum suspension of melted wax-like models leads to a decrease in reproducibility by the mixture of their configuration and a violation of the quality of the high-relief surface of the castings;
- an unsatisfactory complex of strength characteristics of molds and cores, especially in the manufacture of art and jewelry castings, characterized by complexity and high relief;
- insufficient physical and mechanical properties of molds and cores cause an increase in the marriage of art and jewelry castings for blockages, influxes and surface roughness.

Кроме того, при изготовлении смеси по прототипу удаление смеси из развитых полостей тонкорельефных отливок затруднено, что увеличивает трудоемкость зачистных работ и приводит к безвозвратным потерям драгоценных и цветных сплавов. In addition, in the manufacture of the mixture according to the prototype, it is difficult to remove the mixture from the developed cavities of thin-relief castings, which increases the complexity of the cleaning operations and leads to irretrievable losses of precious and non-ferrous alloys.

В основу изобретения положена задача создать такую смесь, которая обеспечила бы повышение физико-механических свойств форм и стержней на гипсовом связующем и стабильность технологического процесса их изготовления, а также улучшение качества поверхности ювелирных и художественных отливок, отличающихся тонкорельефностью. The basis of the invention is the task of creating such a mixture that would provide an increase in the physicomechanical properties of molds and rods on a gypsum binder and stability of the technological process of their manufacture, as well as an improvement in the surface quality of jewelry and artistic castings, distinguished by high relief.

Указанная задача решается таким образом, что смесь для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем, используемая в производстве тонкорельефных художественных и ювелирных отливок из цветных и драгоценных сплавов, включающая гипс, динасовый порошок, фосфоросодержащую добавку и воду, согласно изобретению в качестве фосфоросодержащей добавки содержит алюмоборфосфатный концентрат, а также дополнительно отход производства оптических стекол и щавелевую кислоту при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Гипс - 12...15
Динасовый порошок - 24...30
Отход производства оптических стекол - 24...30
Алюмоборфосфатный концентрат - 0,02...0,04
Щавелевая кислота - 0,03...0,08
Вода - Остальное
Введение в смесь отхода производства оптических стекол (ОПОС) за счет дополнительной с гипсом компенсации расширения динаса при нагреве обеспечивает уменьшение коэффициента термического расширения (КТЛР) форм и стержней, повышение их точности и прочности вследствие значительного содержания указанной технологической добавки, имеющей высокие показатели дисперсности и удельной поверхности.This problem is solved in such a way that the mixture for the manufacture of molds and rods on a gypsum binder, used in the manufacture of fine-relief art and jewelry castings from non-ferrous and precious alloys, including gypsum, dinas powder, a phosphorus-containing additive and water, according to the invention contains aluminum phosphate as a phosphorus-containing additive concentrate, as well as additional waste from the production of optical glasses and oxalic acid in the following ratio of ingredients, wt.%:
Gypsum - 12 ... 15
Dinas powder - 24 ... 30
Optical glass production waste - 24 ... 30
Aluminum phosphate concentrate - 0.02 ... 0.04
Oxalic acid - 0.03 ... 0.08
Water - Else
The introduction into the waste mixture of the production of optical glasses (OPOS) due to additional compensation with gypsum for the expansion of dinas during heating provides a reduction in the coefficient of thermal expansion (KTLR) of molds and rods, an increase in their accuracy and strength due to the significant content of this technological additive, which has high dispersion and specific gravity surface.

Уменьшение КТЛР позволяет увеличить интенсивность тепловой обработки форм и стержней на гипсовом связующем без их разрушения и трещинообразования. В результате появляется возможность снизить энергоемкость и себестоимость производства отливок. A decrease in CTRL allows one to increase the intensity of heat treatment of molds and rods on a gypsum binder without their destruction and cracking. As a result, it becomes possible to reduce the energy intensity and cost of production of castings.

Снижение КТЛР и улучшение за счет этого точности форм и стержней на гипсовом связующем во многом определяются фазовым составом ОПОС. По данным рентгенофазового анализа (ДРОН-4) указанная технологическая добавка содержит 40...50% кварца и 60...50% кристобалита. The decrease in KTLR and the improvement due to this the accuracy of the shapes and cores on the gypsum binder are largely determined by the phase composition of the OPOS. According to x-ray phase analysis (DRON-4), the specified technological additive contains 40 ... 50% quartz and 60 ... 50% cristobalite.

ОПОС образуется в процессе изготовления стекол высокой чистоты. Его химический состав приведен в табл. 1. OPOS is formed during the manufacture of high purity glasses. Its chemical composition is given in table. 1.

Введение в состав смеси алюмоборфосфатного концентрата (АБФК), являющегося высокотемпературным связующим материалом, способствует повышению прочности форм и стержней на гипсовом связующем, в особенности при температурах прокалки и заливки цветных и драгоценных сплавов. The introduction of a mixture of alumina-phosphate concentrate (ABFC), which is a high-temperature binder, helps to increase the strength of molds and rods on a gypsum binder, especially at temperatures of calcination and pouring of non-ferrous and precious alloys.

Высокая седиментационная устойчивость коллоидного водного раствора АБФК, используемого в качестве затворителя смеси, обеспечивает стабильность реологических свойств суспензии на гипсовом связующем. The high sedimentation stability of the colloidal aqueous solution of ABFC used as a mixture finisher ensures the stability of the rheological properties of the gypsum binder suspension.

Введение в состав смеси щавелевой кислоты, обладающей свойствами поверхностно-активного вещества, уменьшает поверхностное натяжение водного затворителя и обеспечивает требуемую смачиваемость гипсовой суспензией поверхности воскообразных выплавляемых моделей. Поэтому наблюдается высокая степень воспроизводимости формой особо сложной конфигурации моделей и достигается повышение качества тонкорельефной поверхности художественных и ювелирных отливок. The introduction of oxalic acid into the mixture, which has the properties of a surfactant, reduces the surface tension of the aqueous hardener and provides the required wettability of the surface of the waxy cast models with a gypsum suspension. Therefore, a high degree of reproducibility by the shape of a particularly complex configuration of models is observed, and an improvement in the quality of the high-relief surface of art and jewelry castings is achieved.

Подготовку заявленной смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов осуществляют следующим образом. Перемешивают расчетное количество АБФК (ТУ 113-08-606-87), щавелевой кислоты и воды и получают затворитель смеси. Затем готовят сухую смесь из гипса, динаса и отхода производства оптических стекол путем перемешивания указанных ингредиентов. The preparation of the claimed mixture for the manufacture of molds and cores on a gypsum binder in the manufacture of castings from non-ferrous and precious alloys is as follows. Mix the calculated amount of ABFC (TU 113-08-606-87), oxalic acid and water and get the mixture topping. Then a dry mixture of gypsum, dinas and a waste product for the production of optical glasses is prepared by mixing these ingredients.

Перед непосредственным изготовлением форм и стержней сухую смесь засыпают в предварительно подготовленный затворитель из расчета 380...400 мл затворителя на 1 кг сухих составляющих. Смесь перемешивают и подвергают вибровакуумной обработке в течение 3...4 мин. После чего смесь может быть использована для изготовления форм и стержней. Before the direct manufacture of molds and cores, the dry mixture is poured into a pre-prepared grout at the rate of 380 ... 400 ml of grout per 1 kg of dry components. The mixture is stirred and subjected to vibrational treatment for 3 ... 4 minutes. Then the mixture can be used to make molds and cores.

Содержание в предлагаемой смеси ОПОС меньше 24 мас.% оказывается недостаточным для существенного снижения КТЛР при нагреве до температур прокалки. Введение в состав смеси указанной добавки в количестве более 30% не обеспечивает требуемый уровень реологических свойств гипсовой суспензии (текучесть, продолжительность затвердевания). The content in the proposed mixture of OPOS less than 24 wt.% Is insufficient for a significant reduction in CTRL when heated to calcination temperatures. The introduction of the specified additives in the mixture in an amount of more than 30% does not provide the required level of rheological properties of the gypsum slurry (fluidity, curing time).

Количество АБФК в составе смеси 0,02...0,04 мас.% является оптимальным с позиций получения требуемых прочностных характеристик форм и стержней на гипсовом связующем, в особенности при повышенных температурах, и обеспечения оптимальной продолжительности отверждения смеси. The amount of ABFC in the composition of the mixture 0.02 ... 0.04 wt.% Is optimal from the point of view of obtaining the required strength characteristics of the molds and cores on a gypsum binder, especially at elevated temperatures, and to ensure the optimal duration of curing of the mixture.

Содержание в смеси щавелевой кислоты в количестве 0,03...0,08 мас.% вызывает явление смачиваемости суспензией поверхности воскообразных выплавляемых моделей. Введение щавелевой кислоты в количестве более 0,08% приводит к выделению газов при подготовке суспензии на гипсовом связующем. The content in the mixture of oxalic acid in an amount of 0.03 ... 0.08 wt.% Causes the phenomenon of wettability by the surface suspension of waxy smelted models. The introduction of oxalic acid in an amount of more than 0.08% leads to the evolution of gases during the preparation of the suspension on a gypsum binder.

В заявленном составе предпочтительнее использовать высокопрочный гипс марок Г-16 (ГОСТ 125-79) и выше Самарского гипсового комбината и динас марки ЭД (ГОСТ 1566-71) Первоуральского динасового завода. Кроме того, может быть применен раздробленный и просеянный бой динасового кирпича, являющегося отходом производства при замене футеровки металлургических печей. In the claimed composition, it is preferable to use high-strength gypsum of grades G-16 (GOST 125-79) and above the Samara gypsum plant and dinas of the ED brand (GOST 1566-71) of the Pervouralsky dinas plant. In addition, crushed and sifted battle of dinas bricks can be used, which is a waste of production when replacing the lining of metallurgical furnaces.

Предлагаемый состав смеси для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем иллюстрируется следующим примером. The proposed composition of the mixture for the manufacture of molds and cores on a gypsum binder is illustrated by the following example.

Пример. Готовят сухую смесь из гипса марки Г-16 (ГОСТ 125-79), динасового порошка и отхода производства оптических стекол. Перед изготовлением форм и стержней сухую смесь вводят в затворитель - предварительно подготовленный водный раствор АБФК (ТУ 113-08-606-87) и щавелевой кислоты - в количестве 380 мл на 1 кг сухих составляющих с последующим перемешиванием и вибровакуумной обработкой в течение 3...4 минут. Применяют вибрацию с амплитудой 0,3. . .0,55 мм и частотой 50 Гц. Поддерживают разрежение в емкости с гипсовой суспензией с остаточным воздушным давлением 1400 Па [2]. Example. A dry mixture is prepared from gypsum brand G-16 (GOST 125-79), dinas powder and waste from the production of optical glasses. Before the manufacture of molds and cores, the dry mixture is introduced into the grinder - a pre-prepared aqueous solution of ABFC (TU 113-08-606-87) and oxalic acid - in the amount of 380 ml per 1 kg of dry components, followed by mixing and vibration processing for 3 .. .4 minutes. Apply vibration with an amplitude of 0.3. . .0.55 mm and a frequency of 50 Hz. A vacuum is maintained in a container with a gypsum slurry with a residual air pressure of 1400 Pa [2].

Параллельно для получения сравнительных данных осуществляют приготовление смеси на гипсовом связующем согласно прототипу, соблюдая то же наполнение суспензии и указанные параметры вибровакуумной обработки смеси. Составы смесей приведены в табл. 2. In parallel, to obtain comparative data, the mixture is prepared on a gypsum binder according to the prototype, observing the same filling of the suspension and the indicated parameters of the vibration-vacuum processing of the mixture. The compositions of the mixtures are given in table. 2.

Подготовленные смеси используют для изготовления форм и стержней на гипсовом связующем с фиксацией их физико-механических свойств. Prepared mixtures are used for the manufacture of molds and cores on a gypsum binder with fixation of their physical and mechanical properties.

Показателями для сравнения являются коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) смеси в интервале температур 20...800^oC, смачивающая способность и седиментационная устойчивость затворителя, прочность форм при сжатии после сушки и остаточная (характеризует выбиваемость смеси).Indicators for comparison are the coefficient of thermal linear expansion (KTLR) of the mixture in the temperature range of 20 ... 800 ^o C, wetting ability and sedimentation stability of the curing agent, compressive strength after drying and residual (characterizes the knockability of the mixture).

КТЛР определяли на дилатометре "PAULIK", используя образцы диаметром 5 мм и высотой 30 мм. CTLC was determined on a PAULIK dilatometer using samples with a diameter of 5 mm and a height of 30 mm.

Смачивающую способность затворителя оценивали по известной методике капиллярной пропитки пористой среды. Для этого измеряли в трубке диаметром 5 мм и высотой 300 мм равновесную высоту пропитки затворителем предварительно подготовленной смеси из кварцевого песка 2K₁O₃03 (ГОСТ 2138-91) и пылевидного кварца марки А (ГОСТ 9077-82), взятых в соотношении 3:1 по массе. Чем больше равновесная высота пропитки затворителем пористой среды, тем лучше его смачивающая способность и выше степень воспроизведения смесью на гипсовом связующем тонкорельефной поверхности моделей.The wetting ability of the curing agent was evaluated by the known method of capillary impregnation of a porous medium. For this, the equilibrium height of impregnation of a previously prepared mixture of quartz sand 2K ₁ O ₃ 03 (GOST 2138-91) and dust-like quartz grade A (GOST 9077-82), taken in the ratio 3: was measured in a tube in a tube of 5 mm diameter and 300 mm height, taken in the ratio 3: 1 by weight. The greater the equilibrium height of the impregnation of the porous medium with the substitute, the better its wetting ability and the higher the degree of reproduction by the mixture on the gypsum binding of the high-relief surface of the models.

Седиментацию затворителя оценивали по ГОСТ 80772-78. The sedimentation of the matrix was evaluated according to GOST 80772-78.

Прочность форм определяли, испытывая на сжатие стандартные образцы диаметром и высотой 50 мм после сушки на воздухе и после прокалки (700^oC, 2 часа) и охлаждения до комнатной температуры.The strength of the molds was determined by testing standard samples with a diameter and a height of 50 mm for compression after drying in air and after calcination (700 ^° C, 2 hours) and cooling to room temperature.

Результаты испытаний смесей приведены в табл. 3. The test results of the mixtures are given in table. 3.

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный состав смеси позволяет более чем в 2 раза уменьшить КТЛР, обеспечить смачиваемость гипсовой суспензией тонкорельефной поверхности моделей, а также стабильность формирования реологических свойств смеси за счет значительного увеличения седиментационной устойчивости затворителя. Также создаются условия для повышения прочностных характеристик форм и стержней на 30...40% при улучшении их выбиваемости. The test results show that, in comparison with the prototype, the claimed composition of the mixture allows more than 2-fold reduction of CTLR, to ensure wettability by gypsum suspension of the high-relief surface of the models, as well as the stability of the formation of rheological properties of the mixture due to a significant increase in sedimentation stability of the grout. Also, conditions are created to increase the strength characteristics of molds and cores by 30 ... 40% while improving their knockability.

Смесь опробована в художественном и ювелирном литье по выплавляемым моделям на номенклатуре отливок, отличающихся тонкорельефностью и особо сложной конфигурацией, показав улучшение качества их производства. The mixture was tested in artistic and jewelry casting on investment casting on the nomenclature of castings, which are distinguished by delicate relief and a particularly complex configuration, showing an improvement in the quality of their production.

Учитывая улучшенный комплекс технологических свойств смеси, заявленный состав может быть также использован при изготовлении сложной литейной оснастки, в зубопротезном деле, в точном литье сложнопрофильных машиностроительных заготовок ответственного назначения. Given the improved set of technological properties of the mixture, the claimed composition can also be used in the manufacture of complex foundry equipment, in dental prosthetics, in the precision casting of complex engineering workpieces for critical purposes.

Список литературы
1. Урвачев В.П., Кочетков В.В., Горина Н.Б. Ювелирное и художественное литье по выплавляемым моделям сплавов меди. - Челябинск: Металлургия, 1991. - 168 с.List of references
1. Urvachev V.P., Kochetkov V.V., Gorina N.B. Lost and investment casting of copper alloys. - Chelyabinsk: Metallurgy, 1991 .-- 168 p.

2. Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литье. - СПб.: Политехника, 1996. - 213 с. 2. Magnitsky ON, Pirainen V.Yu. Art casting. - St. Petersburg: Polytechnic, 1996. - 213 p.

3. Патент РФ N 2129932. Смесь для изготовления керамических форм и стержней при производстве отливок из цветных и драгоценных сплавов и способ ее приготовления. / Знаменский Л.Г., Кулаков Б.А., Крымский В.В. и др. Бюл. N 13, 1999 (прототип). 3. RF patent N 2129932. A mixture for the manufacture of ceramic molds and cores in the manufacture of castings from non-ferrous and precious alloys and the method of its preparation. / Znamensky L.G., Kulakov B.A., Krymsky V.V. et al. Bull. N 13, 1999 (prototype).

Claims

A mixture for the manufacture of molds and rods on a gypsum binder in the manufacture of non-ferrous and precious alloy castings, including gypsum, dinas powder, a phosphorus-containing additive and water, characterized in that it contains aluminum phosphate concentrate as a phosphorus-containing additive, and also an optical fiber and glass production waste and oxalic acid in the following ratio of ingredients, wt.%:
Gypsum - 12 - 15
Dinas powder - 24 - 30
Optical Glass Production Waste - 24 - 30
Aluminum phosphate concentrate - 0.02 - 0.04
Oxalic acid - 0.03 - 0.08
Water - Else