способ изготовления отливок, формовочный материал и его применение для осуществления способа

Формула изобретения

1. Способ изготовления отливок из металлического расплава, преимущественно легкого металлического расплава, включающий изготовление литейного формовочного изделия из формовочного материала, смешанного из инертной к металлическому расплаву, сыпучей, содержащей долю синтетического муллита формовочной основы, состоящей из частиц, имеющих, по существу, шарообразную форму, и неорганического связующего, причем характер теплового расширения формовочной основы и связующего согласован между собой таким образом, что коэффициент теплового расширения металлического расплава выше коэффициента теплового расширения изготовленного из формовочного материала литейного формовочного изделия, компоновку литейной формы с использованием литейного формовочного изделия, заливку металлического расплава в литейную форму и получение отливки, охлаждение отливки в течение времени затвердевания и охлаждения, при котором литейное формовочное изделие самопроизвольно распадается на куски, удаление кусков литейного формовочного изделия с или из отливки, переработку кусков формовочного материала в сыпучую формовочную основу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изготовление литейного формовочного изделия включает заполнение формовочным материалом выполненной в стержневом ящике полости, предварительное отверждение заполняющего стержневой ящик формовочного материала в литейное формовочное изделие за счет подвода тепла и окончательное отверждение литейного формовочного изделия в нагревательном устройстве, расположенном вне стержневого ящика.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что нагревательное устройство включает микроволновый нагрев.

4. Способ по одному из п.2 или 3, отличающийся тем, что литейное формовочное изделие перед отверждением обрызгивают связующим.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что переработка кусков формовочного материала включает дробление кусков, сепарацию металла, разъединение зерен и/или пылеудаление.

6. Формовочный материал для изготовления литейных формовочных изделий для заливки металлического расплава, преимущественно легкого металлического расплава, содержащий смесь инертной к металлическому расплаву сыпучей, содержащей долю синтетического муллита формовочной основы, состоящей из частиц, имеющих, по существу, шарообразную форму, и неорганического связующего, причем характер теплового расширения формовочной основы и связующего согласован между собой таким образом, что коэффициент теплового расширения металлического расплава выше коэффициента теплового расширения изготовленного из формовочного материала литейного формовочного изделия.

7. Материал по п.6, отличающийся тем, что связующее при нагреве расширяется иначе, чем формовочная основа.

8. Материал по п.6 или 7, отличающийся тем, что связующее под действием тепла разливки остается стабильным.

9. Материал по п.6, отличающийся тем, что связующее представляет собой связующее на жидком стекле.

10. Материал по п.6, отличающийся тем, что формовочная основа состоит полностью из муллита.

11. Материал по п.6, отличающийся тем, что металлический расплав представляет собой алюминиевый расплав.

12. Материал по п.7, отличающийся тем, что его теплопроводность ниже, чем теплопроводность разливаемого металла.

13. Применение формовочного материала, полученного по одному из пп.6-12, для осуществления способа по одному из пп.1-5.

14. Применение по п.13, отличающееся тем, что изготовленное в ходе способа литейное формовочное изделие представляет собой литейный стержень.

15. Применение по п.14, отличающееся тем, что длина (А, С) литейного формовочного изделия во много раз больше его диаметра (В, D).

Приоритет по пунктам:

14.09.2001 по пп.9, 11, 14, 15;

04.03.2002 по пп.1-8, 10, 12, 13.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу изготовления отливок из металлического расплава, в частности легкометаллического расплава, такого как алюминиевый расплав.

Кроме того, изобретение относится к формовочному материалу и его применению для изготовления литейных формовочных изделий, используемых для разливки металлического расплава, в частности, легкометаллического расплава, такого как алюминиевый расплав. Подобные литейные формовочные изделия могут представлять собой, например, литейные стержни, посредством которых внутри изготавливаемой отливки образуют полости. Также литейные формовочные изделия, согласно изобретению могут представлять собой детали, из которых составляют литейную форму, определяющую внешнюю форму изготавливаемой отливки.

При отливке деталей из металла требуются литейные формовочные изделия, посредством которых определяют, с одной стороны, внутреннюю, а, с другой стороны, - наружную форму отливаемой детали. Подобные литейные формовочные изделия могут представлять собой в соответствии с этим литейные стержни, посредством которых внутри изготавливаемой отливки образуют полости, или литейные формовочные изделия, из которых составляют литейную форму, определяющую наружную форму изготавливаемой отливки.

Для изготовления литейных формовочных изделий применяют, как правило, формовочные материалы, состоящие из формовочной основы и связующего. Оба эти компонента смешивают между собой, формуют и в подходящем процессе отверждения перерабатывают в компактное тело. В качестве формовочной основы обычно применяют кварцевый песок, который в преобладающем числе случаев связывают органическим связующим.

Применение кварцевого песка в качестве основы для изготовления литейных формовочных изделий зарекомендовало себя в различных отношениях, в частности, в области разливки легких металлических материалов. Так, подобный кварцевый песок недорог и отличается простотой переработки и высоким качеством при отображении формуемых элементов данного литейного фасонного изделия.

В качестве более приемлемой по экологии альтернативы органическим связующим было предложено применение связующих на жидком стекле. Это связующее на жидком стекле смешивают с формовочным песком. Полученной массой заполняют затем опоку формовочной машины, в которой образована отображающая форму изготавливаемого формовочного изделия полость. После этого из заполнившей форму смеси путем подвода тепла удаляют воду. Подвод тепла может происходить при этом с помощью соответствующего нагрева опоки или непосредственно воздействующего на смесь микроволнового нагрева (WO-A-86/00033, ЕР 0917499 B1, DE 19632293 А1).

Для достижения оптимального результата работы при разливке металлического расплава применяемый для изготовления литейных формовочных изделий формовочный материал должен обладать высокой прочностью и точностью размеров, которая сохраняется даже при нагрузках, возникающих в конструкции литейной формы при разливке расплава. Кроме того, после разливки формовочный материал должен удаляться простым образом. Последнее обстоятельство оказывается особенно важным, в частности, тогда, когда используют литейные стержни, образующие в отливке комплексно фасонные полости.

Наконец формовочные материалы должны иметь возможность регенерации после употребления так, чтобы у формовочной основы достигалась как можно более высокая степень повторного применения. Это достигается известным образом за счет применения неорганических связующих, которые во время изготовления формовочных изделий высвобождают небольшие количества вредных веществ, а по окончании процесса литья за счет воздействия достаточно высоких температур могут быть сожжены почти без остатка.

На практике оказывается, что известные формовочные материалы независимо от того, содержат ли они органические или неорганические связующие, обладают в обычных условиях требуемыми для достижения оптимального результата работы свойствами. Однако особенно у тонкостенных формовочных изделий, используемых, например, для литья блоков цилиндров двигателей или головок блоков цилиндров в качестве литейных стержней для масляных каналов, вследствие неизбежного теплового расширения может произойти так, что требования к точности размеров отливки не будут соблюдены.

Другая проблема при литье комплексно-фасонных отливок с применением традиционно изготовленных литейных формовочных изделий состоит в том, что смесь после охлаждения удаляется из отливки с трудом. Обычно отливку для этого трясут или подвергают ударам, которые вызывают разрушение находящихся внутри отливки литейных стержней и приставших снаружи к отливке формовочных изделий и должны способствовать высыпанию полученных частиц формовочного материала. Эти механические способы удаления формовочных изделий влекут за собой, однако, опасность разрушения отливки. Так, в частности, у филигранно фасонных или толстостенных деталей может произойти трещинообразование.

Поэтому предлагалось вместо механически воздействующих на отливку мер нагреть ее настолько, чтобы связующее сгорело, пока не останется только формовочная основа, после чего ее можно будет легко удалить в виде сыпучего материала из и с отливки. Необходимые для этого затраты на оборудование значительны. Кроме того, необходимые для сжигания связующего температуры настолько высоки, что нагрев неизбежно вызовет также изменение свойств металлической отливки.

Задачей изобретения является создание способа, с помощью которого можно было бы изготавливать высококачественные, комплексно-фасонные отливки, а по окончании процесса литья - простым образом и безопасно удалять литейные формовочные изделия из или с отливки. Кроме того, должен быть создан формовочный материал, с помощью которого можно было бы изготавливать формовочные изделия, пригодные для получения высококачественных, комплексно-фасонных отливок, и по окончании процесса литья удаляемые простым образом и безопасно из или с отливки.

Эта задача решается в части способа, согласно изобретению посредством способа изготовления отливок из металлического расплава, в частности, легкометаллического расплава, при котором осуществляют следующие этапы:

- изготовление литейного формовочного изделия из формовочного материала, смешанного из инертной к металлическому расплаву сыпучей формовочной основы и связующего, причем характер теплового расширения формовочной основы и связующего согласован между собой таким образом, что коэффициент теплового расширения металлического расплава лежит выше коэффициента теплового расширения изготовленного из формовочного материала литейного формовочного изделия;

- составление литейной формы с использованием литейного формовочного изделия;

- заливу металлического расплава в литейную форму в отливку;

- охлаждение отливки в течение времени затвердевания и охлаждения, в которое литейное формовочное изделие самопроизвольно распадается на куски;

- удаление кусков литейного формовочного изделия с или из отливки;

- переработку кусков формовочного материала в сыпучую формовочную основу.

С другой стороны, поставленная выше задача решается посредством формовочного материала для изготовления литейных формовочных изделий для разливки металлического расплава, в частности, легкого металлического расплава, состоящего из смеси инертной к металлическому расплаву, сыпучей формовочной основы и смешанного с формовочной основой связующего, причем характер теплового расширения формовочной основы и связующего согласован между собой таким образом, что коэффициент теплового расширения металлического расплава лежит выше коэффициента теплового расширения изготовленного из формовочного материала литейного формовочного изделия.

Изобретение основано на том факте, что за счет выбора подходящего формовочного материала можно изготавливать литейные формовочные изделия, которые оптимальным образом сочетают в себе свойства, необходимые для простого, надежного и экологически чистого изготовления высококачественных отливок с точными размерами.

Формовочный материал, согласно изобретению сочетает в себе оптимальным образом свойства, являющиеся предпосылкой изготовления высококачественной отливки при одновременно простом способе изготовления. Для этой цели формовочный материал, согласно изобретению содержит в виде зерен или подобных частиц и сыпучую как таковую основу, которая во время своего неизбежно возникающего при разливке нагрева имеет заметно меньшее по сравнению с традиционно применяемым кварцевым песком тепловое расширение. Формовочная основа обеспечивает, таким образом, даже при меньшей толщине материала высокую точность размеров при изготовлении комплексно формованных отливок.

Сыпучая в несвязанном состоянии основа смешана со связующим, которое при нагреве имеет отличный от основы характер расширения. Из-за разного теплового расширения формовочной основы и связующего после подвода тепла от разливки происходит отделение связующего от зерен формовочной основы. В результате связующее тогда, когда оно расширяется сильнее, чем основа, разрывает формовочное изделие так, что оно теряет свою прочную форму и может быть легко удалено из или с отливки. Наоборот, расширение формовочной основы может носить такой характер, что за счет сопутствующего нагреву изменения объема связь со связующим нарушается и основа снова становится сыпучей. Важно, что вместе с нагревом происходит разрушение стержня или формовочного изделия, так что оно после охлаждения отливки распадается на легко удаляемые, свободные отдельные куски.

За счет того, что характер теплового расширения формовочного материала, согласно изобретению согласован с характером теплового расширения разливаемого металлического расплава и этот формовочный материал получен на базе сыпучей основы, достигается то, что после охлаждения отливки, по меньшей мере, частично охватываемое отливкой или граничащее с ней формовочное изделие вследствие возникающих в процессе охлаждения сил разрушается на свободные отдельные куски, которые могут быть легко удалены. Разрушение литейных формовочных изделий вызвано при этом силами, возникающими вследствие разного теплового расширения разлитого металла и формовочного материала.

Особенно благоприятно изобретение сказывается при литье деталей из алюминиевых расплавов. Алюминий имеет высокий коэффициент теплового расширения, так что в процессе разливки и затвердевания расплава на соприкасающиеся с отливкой формовочные изделия действуют такие значительные силы, что данное формовочное изделие надежно разрушается на мелкие куски. Особенно благоприятным это оказывается тогда, когда формовочное изделие представляет собой стержень.

Другое благоприятное для изобретения свойство, согласно изобретению, применяемого формовочного материала состоит в том, что связующее и формовочная основа согласованы между собой так, что у полученных из формовочного материала формовочных изделий частицы основы термически стабильны и не связаны упругосвязующим. Формовочное изделие, полученное из формовочной основы такого характера, имеет в течение всего температурного интервала при разливке расплава хрупкое поведение, что способствует желаемому, согласно изобретению разрушению формовочных изделий.

Связующее формовочных изделий выбрано предпочтительно так, что оно не распадается под действием тепла. Таким образом, предотвращается высвобождение в сердцевине объемов, которые могли бы привести к нежелательной податливости данного формовочного изделия.

Другое предпочтительное выполнение изобретения состоит в том, что частицы формовочной основы имеют, в основном, круглую, шарообразную форму. Шарообразная форма формовочной основы и связанное с этим наличие точечных контактов между частицами формовочной основы способствует самопроизвольному распаду формовочных изделий вследствие механических усилий, возникающих при разливке и затвердевании расплава. Одной формовочной основой, особенно отвечающей этому требованию, является синтетический муллит. В соответствии с этим другое предпочтительное выполнение изобретения предусматривает, что формовочная основа содержит замещающий, по меньшей мере, одну часть, преимущественно более 50% или более 70% кварцевого песка Al₂О₃ -песок (муллит). Муллит имеет круглую форму зерен и сопоставимую с кварцевым песком плотность. Поэтому полученные из него формовочные материалы являются, по существу, более простыми в переработке, чем, например, известные ZrO₂-пески. Помимо преимуществ в отношении желательного, согласно изобретению механического распада формовочных изделий круглая шарообразная форма частиц муллита приводит на практике к упрощенной перерабатываемости полученных из таких формовочных основ формовочных материалов и, тем самым, к уменьшению износа используемых для изготовления формовочных изделий инструментов и машин. Кроме того, формовочный материал с высоким содержанием муллита обладает за счет своего небольшого теплового расширения даже при малой своей толщине высокой точностью размеров при изготовлении комплексно-фасонных отливок.

Неожиданным образом оказалось, что распад формовочных изделий, изготовленных из формовочного материала с составом, согласно изобретению самопроизвольно наступает с такой задержкой по времени относительно разливки металлического расплава, что он не оказывает больше негативного влияния на качество уже достаточно затвердевшей к этому моменту отливки.

Благодаря своим особым свойствам формовочный материал с составом, согласно изобретению особенно пригоден для изготовления литейных стержней. Последние могут быть удалены после литья без опасности повреждения готовой отливки.

С точки зрения теплотехники формовочная основа, состоящая из смеси муллита и кварцевого песка, и полученный из нее формовочный материал оказывают скорее изолирующее действие. Поэтому эти материалы могут быть целенаправленно использованы в таких областях техники литья, где, правда, происходит нагрев выше критической для кварцевых песков температуры 573°С, однако теплопроводность изготовленных из данных материалов формовочных изделий играет второстепенную роль или теплопроводность должна быть сознательно ограничена.

Практические испытания показали, что за счет примешивания достаточного количества муллитового песка к кварцевому песку могут быть решены проблемы спонтанных изменений геометрии, которые возникают при применении только кварцевого песка в качестве формовочной основы для изготовления узких, филигранных отливок. Существенным при этом является то, что доля Al₂SiO₅-песка каждый раз достаточно велика, с тем чтобы можно было компенсировать сопутствующее нагреву кварцевого песка выше критической температуры изменение длины кварца.

У имеющего характер согласно изобретению формовочного материала связующее и основа согласованы между собой, кроме того, предпочтительно таким образом, что изготовленное из формовочного материала литейное формовочное изделие обладает низкой теплопроводностью. Это свойство приводит к тому, что после разливки металлического расплава разность температур разлитого материала и формовочного изделия остается большой, что снижает до минимума опасность преждевременного термического или химического разложения формовочного изделия.

Дополнительно распаду литейных стержней может способствовать то, что компоненты формовочного материала согласуются между собой с возможностью разного расширения формовочной основы и связующего при нагреве, вследствие чего разрушаются связи между ними при сопутствующем разливке расплава нагреве.

Особенно практично изобретение может быть реализовано за счет того, что перерабатывают формовочный материал, образованный смесью из имеющейся в виде зерен или сопоставимых частиц и сыпучей как таковой основы и неорганического связующего.

Преимущество применения неорганических связующих состоит в их лучшей экологичности и в том обстоятельстве, что изготовленные с подобными связующими формовочные изделия могут быть без проблем возвращены в контур формовочного материала. Особенно пригодными в этой связи оказались формовочные материалы, полученные путем смешения связующего на базе жидкого стекла и формовочной основы с составом согласно изобретению. Существенным при этом является, однако, то, что расширение смешанных между собой компонентов имеет достаточно отличный друг от друга характер.

Особенно предпочтительно в этой связи, когда формовочная основа и связующее расширяются по-разному. В этом случае после подвода тепла от разливки нагрева происходит отделение связующего от зерен формовочной основы. Связующее, когда оно расширяется сильнее, чем основа, разрывает формовочное изделие так, что оно теряет свою прочную форму и распадается на куски. Их без опасности механического повреждения можно легко вытряхнуть из или стряхнуть с отливки. Существенным для того, чтобы у этого варианта произошел желательный, согласно изобретению, самопроизвольный распад формовочного изделия, является, следовательно, разное тепловое расширение формовочной основы и связующего таким образом, что под действием разливочного нагрева связующее вследствие возникающих между формовочной основой и связующим тепловых напряжений отделяется или разрушается. Благодаря такому хрупкому после отверждения формовочного изделия поведению связующего разрушается связь между отдельными частицами формовочной основы, и формовочное изделие распадается. Оставшаяся свободная смесь из кусков формовочной основы и связующего является сыпучей и легко может быть удалена из или с отливки.

Соответствующее литейное формовочное изделие изготавливают способом, согласно изобретению, также за счет того, что смесь формовочного материала с составом, согласно изобретению известным образом подают в стержневой ящик стержневой машины. Затем формовочный материал отверждают способом, описанным, например, в DE 19632293 А1, за счет того, что в полости нагретого до температуры 100-160°С стержневого ящика создают пониженное давление и заготовку стержня нагревают в течение 20-30 секунд.

В течение этого времени литейное формовочное изделие становится настолько прочным, что его можно извлечь из стержневого ящика и поместить в расположенное вне стержневого ящика нагревательное устройство, например микроволновую печь. В этом нагревательном устройстве оно нагревается при достаточной тепловой мощности настолько, что из него для полного отверждения удаляется достаточное количество воды.

В качестве альтернативы или дополнительно к расположенному вне стержневого ящика микроволновому нагревательному устройству удаление воды может происходить также за счет достаточного нагрева самого стержневого ящика или за счет обдува горячим воздухом. Эти меры могут быть скомбинированы с нагревом вне стержневого ящика. Точно также можно вызвать удаление воды за счет микроволнового нагрева, воздействующего непосредственно на находящуюся еще в стержневом ящике заготовку стержня.

Если для отверждения осуществляют нагрев формовочного изделия вне стержневого ящика, то данное формовочное изделие может опрыскиваться связующей жидкостью для повышения прочности поверхности стержня. Обработанные таким образом формовочные изделия имеют повышенную стабильность при такой же повышенной прочности на истирание, так что они могут храниться без проблем и отвечать самым высоким требованиям к точности их размеров. Это оказывается благоприятным в отношении оптимизации качества изготавливаемой отливки, в частности, тогда, когда применяют связующее на жидком стекле.

Ниже изобретение более подробно поясняется с помощью чертежа, изображающего пример выполнения. Единственная фигура показывает схематично в разрезе стержень 1 для распределительного вала литейной формы (не показана) для литья головки блока цилиндров из алюминиевого сплава.

На нижней стороне 2 стержня 1 на расстоянии друг от друга в продольном направлении выполнены две выемки 3, 4, определяющие форму предусмотренных для опирания распределительного вала подшипниковых стоек изготавливаемой головки блока цилиндров. В выемки 3, 4 входит соответственно ветвь 5, 6 стержня 8 масляного канала, проходящего своим главным отрезком 7 параллельно стержню 1 распределительного вала и на расстоянии от него. Длина А ветвей 5, 6 при этом во много раз больше их диаметра В. Точно так же длина С главного отрезка 7 стержня 8 масляного канала во много раз больше его диаметра D.

Стержень 8 масляного канала изготовлен само по себе известным образом в обычной формозамыкающей машине из формовочного материала, согласно изобретению полученного путем смешивания формовочной основы, состоящей из муллитового песка и кварцевого песка со связующим на жидком стекле. Доля муллитового песка обеспечивает то, что стержень 8 масляного канала даже при своем нагреве, возрастающем в процессе разливки изготавливаемой головки блока цилиндров до температуры выше 573°С, расширяется равномерно и вследствие этого однозначно предсказуемым образом.

Разрушения в зоне ветвей 5, 6, расширения главного отрезка 7 в зоне между ветвями 5, 6 и изгибы в зоне свободных концов главного отрезка 7, констатируемые у стержней масляных каналов, изготовленных традиционным образом на основе чисто кварцевого песка, этим путем надежно предотвращены. Благодаря применению формовочного материала с составом, согласно изобретению можно с высокой точностью большими партиями путем литья легких металлов надежно изготавливать головки блоков цилиндров и сопоставимые отливки, имеющие тонкие, простирающиеся на большой длине каналы.

Во время разливки металлического расплава, представляющего собой предпочтительно алюминиевый расплав или иной легкий металлический расплав, и в течение времени, в которое металл отливки еще текучий, литейные стержни 1, 8 благодаря согласованным между собой, согласно изобретению свойствам формовочной основы и связующего, деформируются лишь незначительно. Небольшое тепловое расширение формовочной основы способствует, таким образом, надежному в ходе процесса удовлетворению требований к размерам отливки.

По истечении времени затвердевания и охлаждения, за которое отливка достигает достаточной для дальнейшей обработки прочности куски, на которые самопроизвольно распадается соответствующий литейный стержень 1, 8 вследствие воздействия разливочного нагрева и разного характера теплового расширения формовочной основы и связующего, удаляют из отливки и перерабатывают. В ходе процесса затвердевания и на фазе охлаждения после полного затвердевания металла литейные стержни 1, 8 за счет значительно более сильного по сравнению с ними сжатия твердого тела отливки подвергаются высоким механическим напряжениям. Они приводят из-за хрупкого, неупругого характера литейных стержней 1, 8 к тому, что литейные стержни 1, 8 разрушаются на комковатые куски. Их объем и прочность настолько малы, что отливки могут быть отделены от песка только путем ввода колебательной энергии, поскольку весь старый песок стержня отделен от отливки. Ударов, необходимых в уровне техники и оказываемых пневматическими молотками для удаления песка, не требуется.

Переработка кусков литейных стержней может включать в себя щадящее дробление на зернистые частицы. Затем полученные зернистые частицы могут быть подвергнуты сепарации металла и пылеудалению, с тем чтобы достичь необходимого для их повторного применения состояния. После этого переработанные в зернистый материал литейные формовочные изделия применяют в качестве основы для формовочного материала с составом согласно изобретению.

Если применяют формовочные материалы согласно изобретению, состоящие из смешанной со связующим на жидком стекле формовочной основы, такой как синтетический муллит, то при изготовлении литейных формовочных изделий не происходит заметных выбросов вредных веществ. За счет этого можно избежать постоянно возникающих вследствие газообразования при традиционном способе дефектов литья, обширных мер по отсосу газов и сложной очистки инструментов. Нагрузка на окружающую среду и обслуживающий персонал уменьшена, таким образом, до минимума.

Если в качестве основы формовочного материала, согласно изобретению применяют муллит или сопоставимый инертный огнеупорный материал, то другое преимущество изобретения состоит в химической стойкости формовочной основы к связующему и расплаву. Это свойство гарантирует изготовление способом согласно изобретению отливки, поверхность которой после удаления кусков формовочных стержней полностью свободна от остатков приставшего песка без дополнительных мер по очистке.

Перечень ссылочных позиций:

1 - стержень для распределительного вала;

2 - нижняя сторона стержня для распределительного вала;

3, 4 - выемки;

5, 6 - ветви стержня для масляного канала;

7 - главный отрезок стержня для масляного канала;

8 - стержень для масляного канала;

А - длина ветвей 5, 6;

В - диаметр ветвей 5, 6;

С - длина главного отрезка;

D - диаметр главного отрезка.