Результат интеллектуальной деятельности: ХОЛОДНОТВЕРДЕЮЩАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано для изготовления литейных форм и стержней, предназначенных, в частности, для литья алюминиевых и магниевых сплавов.

Известна холоднотвердеющая смесь (далее - ХТС) для изготовления литейных стержней и форм, включающая огнеупорный наполнитель, карбамидную смолу, ортофосфорную кислоту и этанол при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:

(SU 681648 А, 30.08.1986).

Недостатком данного состава является отсутствие ингибиторов, позволяющих предотвратить окисление магниевых сплавов в форме, изготовленной из данной ХТС.

Известен также отвердитель самоупрочняемых фурановых смоляных смесей и метод их приготовления. Отвердитель самотвердеющей фураново-смоляной смеси состоит из следующих компонентов, мас.ч.:

(CN 101722272 A, 09.06.2010).

Недостатками смеси являются: сложность приготовления отвердителя и токсичность его некоторых компонентов. Кроме того, при использовании фурановых смол вместо карбамидных повышается токсичность при производстве отливок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является холоднотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней, содержащая, мас.ч.:

(PL 158437 A1, 17.04.1990).

Недостатком прототипа является отсутствие в смеси восстановительных добавок, предотвращающих окисление расплава.

Задачей предложенного изобретения является создание холоднотвердеющей смеси для экологически безопасного литья алюминиевых и магниевых сплавов с высоким качеством поверхности.

Техническим результатом предложенного изобретения является разработка ХТС на основе карбамидного связующего для изготовления форм и стержней с высокими прочностными характеристиками для данного типа связующего, с низкой шероховатостью поверхности, хорошей выбиваемостью, живучестью, способностью создавать при заливке сплавов защитную атмосферу от окисления, а также экологически безопасных в процессе эксплуатации.

Для достижения технического результата предложена холоднотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая кремнезем, карбамидную смолу и ортофосфорную кислоту, при этом смесь дополнительно содержит, по меньшей мере, одно соединение бора и нанодисперсный углеродсодержащий модификатор, при следующем соотношении компонентов, масс.ч.:

при этом нанодисперсный углеродсодержащий модификатор содержится в количестве 0,005-0,1% от массы карбамидной смолы.

Предпочтительно, чтобы соединение бора представляло собой борную кислоту.

Ниже приводятся данные по влиянию компонентов на характеристики ХТС.

Нанодисперсный углеродсодержащий модификатор, который может представлять собой нанодисперсные углеродсодержащие частицы различных размеров и марок, при добавлении в смолу повышает прочность смеси и снижает шероховатость поверхности изготавливаемых форм и стержней, что, соответственно, повышает качество поверхности впоследствии получаемых отливок. Это происходит благодаря тому, что частицы модификатора «связывают» смолу, повышая ее вязкость. Таким образом, смола лучше удерживает песчинки кремнезема. Также при заливке модификатор способствует созданию защитной атмосферы. При уменьшении количества модификатора снижается эффект его влияния. При увеличении количества модификатора не происходит заметного увеличения свойств.

Добавление в ХТС, по меньшей мере, одного соединения бора в дальнейшем защищает расплав от окисления при заливке.

В качестве соединения бора предпочтительно использовать борную кислоту, которая обладает наименьшей токсичностью.

В случае ее использования при ее дальнейшем термическом разложении образуется борный ангидрид, который может образовывать с оксидами формовочной смеси, а также с оксидами, образовавшимися на поверхности заливаемого металла, соединения типа глазури, препятствуя доступу кислорода и паров воды к металлу. Борный ангидрид, соединяясь с оксидами, образовавшимися на поверхности заливаемого металла, может растворять их, очищая поверхность отливки.

В случае использования в качестве соединений бора таких соединений, как BF₃, KBF₄, NH₄BF₄, NaBF₄ и др. происходит образование фторидов металла с выделением бора, NH₃ или Na/K, что благоприятно сказывается на качестве поверхности металла. Однако при неполном реагировании возможно выделение газообразной плавиковой кислоты (HF), ухудшающей экологию производства.

Карбамидная смола, отверждаемая ортофосфорной кислотой, в составе ХТС позволяет получить высокие прочностные свойства форм и стержней после формовки, с разупрочнением после литья, что важно при выбивке отливок.

Компоненты предложенной ХТС являются экологически безопасными, т.к. не содержат фенолов, фуранов, соединений серы и аминов.

Примеры осуществления

В чистый смеситель типа «MLP2 лопастной» загружали сначала сыпучие материалы, в том числе нанодисперсный углеродсодержащий модификатор (ТУ 2166-004-13800624-2004), перемешивая их в течение 2-3-х минут, и осторожно вливали раствор ортофосфорной кислоты. Затем смесь перемешивали 4-5 минут, добавляли смолу, диспергированную нанопорошком в ультразвуковой ванне, и снова перемешивали в течение 4-5 минут с последующим добавлением ингибитора (борная кислота для составов 1-3 или раствор NaBF₄ для составов 4-6) и перемешиванием в течение 3-4 минут. Готовую смесь выдерживали 2 часа, после чего изготавливали формы для дальнейшей заливки их магниевым расплавом.

В таблице 1 приведен состав холоднотвердеющих смесей для литейных форм и стержней настоящего изобретения и прототипа.

В таблице 2 приведены механические и технологические свойства смесей.

Коррозионная стойкость по количеству выделившегося водорода в 3%-ном растворе NaCl за 48 часов образцов и плит из магниевого сплава системы Mg-Zn-Zr в термообработанном состоянии превышает коррозионную стойкость сплава МЛ5пч (8 см³/см²) и составляет в термообработанном состоянии по режиму Т61 - 1,9 см³/см², в литом - 7,0 см³/см². На поверхности отливок отсутствовали включения, поверхность была чистой и гладкой. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что в процессе заливки выделялось достаточное количество защитной атмосферы для получения годного литья.

Таким образом, предлагаемый состав холоднотвердеющей смеси можно применять для изготовления форм и стержней для литья точных отливок из алюминиевых и магниевых сплавов.