Главная → Статьи

Применение связующих в литейном производстве

Литейное производство — одна из важнейших отраслей машиностроительной промышленности. Литые детали составляют 60—80% от массы машины.

Основными потребителями литых заготовок и деталей являются: машиностроение — 60%; строительство — 20%; металлургия — 15%. Методом литья получают детали сложной конфигурации, большинство которых невозможно изготовить другими способами (например, ковкой, штамповкой, прокатом) при этом стоимость литых заготовок, как правило, меньше, а качество выше. Масса отливок может быть самой различной — от нескольких граммов до сотен тонн. До 75% отливок изготавливают из чугуна, 15% — из стали, 10% — из сплавов цветных металлов (алюминиевых, медных, цинковых, титановых и др.). Отливка может представлять собой вполне законченную деталь или заготовку, которая подвергается затем обработке на металлорежущих станках.

Рис. 8.5. Схема литейной формы
1 — отливка; 2—стержень; 3 — форма; 4 — опока; 5 —прибыль; 6 — литниковая система

В литейном производстве фасонные изделия или заготовки получают путем заливки жидкого металла в специально приготовленную форму, полость которой по размерам и конфигурации соответствует изготовляемым деталям. Полученные таким образом детали и заготовки называются отливками. Форма заполняется металлом через систему каналов, называемую литниковой системой (рис. 8.5).

Наружные очертания отливки определяются полостью формы, а внутренние образуются соответствующими фасонными вставками, называемыми стержнями. Стержни могут применяться также и для формирования внешних контуров отливки.

Литейные формы изготавливаются из различных материалов. Они могут быть разовыми, для получения одной отливки: после извлечения отливки из форм последние разрушаются. В древние времена использовали глиняные формы по восковым моделям. Форму прокаливали, при этом воск выплавлялся, и в нее заливали жидкий металл. Позже появились двусторонние каменные формы (опоки) с разветвленными литниковыми системами.

В технологии формовки до 1940-х годов применяли сырой кварцевый песок и глину, смешанную с конским навозом и коровьей шерстью. Затем стали использовать гипс. По гипсовой модели делали гипсовую форму. Позднее в качестве связующих стали применять продукты переработки животных, растений, древесины, а с развитием промышленности —и отходы различных производств. Взамен натуральных продуктов начали использовать синтетические материалы.
Технология литья в песчаные формы. Разовые формы изготавливают из формовочной смеси, состоящей из огнеупорного материала наполнителя (как правило, кварцевый песок) и связующего (глина, масла, смолы, жидкое стекло, цемент, фосфатные связки или любой другой вяжущий материал). Литье в песчано-глинистые формы является наиболее распространенным способом и занимает в общем выпуске литья >50%. Технологический процесс литья состоит из нескольких этапов: изготовление моделей и стержневых ящиков, подготовка формовочных материалов и приготовление формовочных и стержневых смесей, изготовление форм и стержней, сборка форм, подготовка шихтовых материалов, получение расплавленного металла, заливка форм, обрубка и очистка отливок, термообработка.

Для того чтобы полости литейной формы соответствовали наружной конфигурации отливки, применяют модели. При изготовлении модели сначала по чертежу детали делают чертеж отливки, размеры которой должны быть больше по сравнению с размерами детали на величину припусков для механической обработки (min 5 мм), так как в большинстве случаев невозможно получить размеры той точности и чистоту поверхности того класса, которые необходимы для эксплуатации детали.

Чертеж отливки отличается от детали наличием литейных радиусов — галтелей (min 5 мм) в местах сопряжений и литейных уклонов, необходимых для предохранения формы от разрушения при извлечении из нее модели.

По чертежу отливки делается чертеж модели, размеры последней по отношению к размерам отливки должны быть больше на величину припуска для усадки металла (до 2%) в зависимости от вида сплава.

Стержни изготавливаются с минимальной влажностью, во избежание попадания паров воды в отливку и образования газовых раковин, и должны быть достаточно прочными при транспортировке и заливке металла в форму. Форма изготавливается в рамках (опоках) — металлических ящиках без дна. Литейная разовая форма (см. рис. 6.5) выполняется обычно в виде двух полуформ — нижней и верхней. Каждая половинка модели за-формовывается в отдельной опоке. После извлечения моделей стержни устанавливают в нижнюю полуформу и затем на нее ставят верхнюю полуформу. Полу формы скрепляют между собой, сверху устанавливают груз.

Одновременно с изготовлением форм плавят металл в специальных плавильных печах различной конструкции в зависимости от типа сплава. Жидкий металл заливают в форму разливочными ковшами. Из ковша металл поступает в литниковую чашу или воронку, затем —в литниковый стояк и питатели. Литниковая система служит для уменьшения ударного воздействия струи, частичного отделения шлака и питания отливки металлом.

После того как металл затвердеет и охладится, форму разрушают и извлекают из нее готовую отливку. Из отливки выбивают или вымывают внутренние стержни, затем отделяют литники и прибыли, очищают поверхность отливки от пригоревшей формовочной смеси, удаляют заливы по месту разъема полуформ, зачищают заусенцы. При необходимости исправляют дефекты отливки, затем подвергают ее термической обработке для снятия напряжений и улучшения свойств металла. После контроля отливку отправляют в механический цех для обработки.

Литье по выплавляемым моделям. Сущность способа заключается в изготовлении модели из такого материала, который можно выплавить или растворить и получить при этом неразъемную форму, что обеспечивает высокую точность отливки. Материалом модели является воскообразная модельная масса. Этот способ целесообразно применять для производства отливок из трудно обрабатываемых сплавов, при высоких требованиях по точности размеров и чистоте литой поверхности.

Технологический процесс состоит в следующем: в металлическую пресс-форму через отверстие запрессовывается легкоплавкая смесь, называемая модельным составом. После затвердевания модели пресс-форму разбирают и извлекают модель. Модельная масса чаще всего состоит из смеси стеарина, парафина, воска и других веществ. Восковые модели припаивают к литниковой системе. Процесс изготовления формы по выплавляемым моделям включает подготовку материалов, формирование огнеупорной керамической оболочки, формовку, прокалку формы.

Суспензия состоит из огнеупорного наполнителя — корунда, электрокорунда, искусственного пылевидного кварца, мармалита (пылевидного кварца), плавленного кварца, магнезита, оливина, силлиманита и др. В качестве связующего наибольшее распространение получили гидролизованный раствор этилсиликата, жидкое стекло, оксинитрат А1, азотнокислый кальций и др. Огнеупорный заполнитель и вяжущее берут в пропорции 2:3 (по массе) и перемешивают.

Суспензию наносят на модельный блок, окуная блок или обливая его либо путем электрофоретического осаждения осадка. После окунания блок обсыпают песком для экономии расхода связующего раствора и предупреждения стекания суспензии с моделей во время сушки на воздухе или в среде аммиака, затем опять окунают, обсыпают и сушат. Таким образом наносят на модель до 6 слоев. После этого модельный состав удаляют, выплавляя его из полости форм. Для этого модельный блок с огнеупорным покрытием помещают в камерные электропечи либо нагревают в горячей воде, сжатым воздухом или паром.

Итак, получили неразъемную форму. Для упрочнения формы перед заливкой жидким сплавом ее засыпают наполнителем в опоках. Сыпучие наполнители состоят из кварцевого песка или шамота, жидкие наполнители — из кварцевого песка (88%), глиноземистого цемента (12%) и воды (30—40%). Затем формы прокаливают в электропечах при 850—1000 °С для сжигания оставшегося модельного состава и упрочнения оболочки. После этого в формы заливают металл, их охлаждают и выбивают; отливки отрезают или отламывают от стояка и очищают от остатков оболочек в кипящих водных растворах щелочей.

Пример технологии микролитья по выплавляемым моделям приведен на рис. 8.6. На схеме показан технологический процесс литья ювелирных украшений — золотых перстней (колец). Первоначально изготавливают модель-эталон (оригинал) будущего изделия из латуни или другого цветного металла; эта модель-эталон выполняется вместе с литниковой системой, или литником 2. Затем по модели готовят резиновую пресс-форму 3 из двух половинок, содержащую отпечаток модели-эталона после вулканизации. На следующем этапе жидкий воск запрессовывают в резиновую форму и после охлаждения и разъема формы получают восковую модель отливки 4 (вместе с литником).

Восковые модели отливки по несколько штук (на схеме —8 штук) соединяют с заранее подготовленной восковой моделью главного литьевого канала-стояка 5, в результате образуется модельный восковой блок. Модельный блок устанавливают в опоку — сосуд 6 из нержавеющей стали с резиновым поддоном 7, после чего осуществляется заливка воскового блока формовочной смесью — суспензией содержащей огнеупорный заполнитель, связующие и воду. После заливки производят уплотнение формовочной смеси, например, вибрированием, вакуумированием. В результате процессов, происходящих со связующим, суспензия схватывается, а затем твердеет. После отвердевания суспензии форму сушат и предварительно прокаливают до 580 °С.

Рис. 8.6. Пооперационная схема микролитья по выплавляемым моделям

При этом из нее выплавляется восковая модель и образуется полость заданных размеров. Предварительно термообработанную форму подвергают высокотемпературному упрочнению (600— 800 °С), при котором выжигаются остатки воска, происходит дегазация формы и ее упрочнение.

Готовую форму соединяют с тиглем , в котором находится расплавленный металл (золото), и методом центробежного литья заполняют ее. После охлаждения формы из нее удаляют (выбивают) блоки отливок путем механического и гидравлического разрушения формы. Полученный блок отливки подвергают окончательной очистке от остатков спеченной формовочной смеси химическим путем — последовательной обработкой блока в растворах щелочей и HF. Затем от очищенного блока отделяют готовые изделия, а сам блок направляют на переплавку.

Формовочные материалы. Любая смесь состоит из огнеупорной основы и вяжущего. Свойства смеси зависят от характера применяемых материалов и их взаимного распределения. Более половины брака в отливках объясняется использованием некачественной формовочной смеси. Из-за дефектов формы в отливке могут образовываться пригар, зазоры, раковины, трещины и др.

Рассмотрим свойства формовочных смесей (аэрофизические, механические, теплофизические, технологические), влияющие на качество изделий.

Аэрофизические свойства:
газотворность — нагретая жидким металлом смесь выделяет газ в связи с разложением или частичным испарением связующих оболочек вокруг песчинок; определяется количеством газа, вышедшим из образца при прогреве его до 1000 °С;
газопроницаемость—способность прохождения образующихся газов из полости формы и из смеси в процессе заливки жидким металлом; оценивается на стандартных образцах при прохождении воздуха под постоянным давлением.

Механические свойства при нормальной температуре и при нагреве:
прочность на сжатие в сыром и сухом состоянии, определяется на стандартных образцах-цилиндриках d=50 мм и Н=50 мм;
прочность на разрыв в сухом состоянии, определяется на образцах восьмерках;
поверхностная твердость, устанавливается погружением стального шарика под постоянным давлением;
осыпаемость — поверхностная прочность, определяется по потере массы образца при вращении в сетчатом цилиндре.

Тепяофизические свойства:
малый коэффициент термического расширения — размеры отливки, трещины;
заданная теплопроводность — условия затвердевания отливки.

Технологические свойства:
текучесть (формуемость), характеризует заполняемость смесью глубоких выемок, называемых карманами, величина обратная вязкости y=l/rj\
прилипаемость, характеризуется адгезией смеси с модельной оснасткой.

В качестве огнеупорной основы формовочных и стержневых смесей чаще всего используют кварцевый песок. Другие пески достаточно дороги и дефицитны, их применяют в тех случаях, когда огнеупорность кварцевого песка недостаточна для заливки металла.

Пески не должны иметь примесей, образующих легкоплавкие соединения; содержание глинистой составляющей должно быть минимальным. Пески характеризуются определенными зерновым и химическим составами, минералогической формой зерна.

Выбор связующего для формовочных и стержневых смесей. Выбор и разработка связующих для литейных формовочных и стержневых смесей базируется на необходимости обеспечения комплекса технических, технологических, санитарно-гигиенических и экономических требований к литейной форме. Эти требования в ряде случаев противоречат друг другу: оптимизация состава связующего с позиций технических свойств формы может не обеспечить санитарно-гигиенических условий труда; связующее, соответствующее оптимальной технологии формы, может оказаться неэкономичным и т. д. Общего, единого, критерия оценки выбора связующего для литейных формовочных и стержневых смесей нет и, видимо, быть не может, так же как не может быть создано универсальное связующее для литейного производства, пригодное для любого технологического процесса литья и любого металла.

Однако задача оптимизации состава связующего может быть в некоторой степени конкретизирована, если ее сформулировать, например, для ведущего технологического процесса — литья в разовые формы. В этом случае из многообразия требований, определяющих пригодность связующего для практического использования, можно выделить следующие: обеспечение требуемой прочности формы (стержня) в заданные сроки; санитарно-гигиенические требования при изготовлении формы и при заливке металла; легкая выбиваемость смеси после заливки металла; возможность регенерации отработанной смеси.

Как правило, соответствие связующего именно этим четырем требованиям (с учетом экономического фактора) делает его перспективным для реализации в промышленности. Большой комплекс других технологических и технических свойств можно условно считать требованиями менее значимыми (второстепенными). К ним относят, например, живучесть смеси, осыпаемость, газопроницаемость, газотворность, прилипаемость к оснастке и т. д. Как правило, при обеспечении главных четырех требований обеспечение перечисленных второстепенных находит свое техническое решение.

Четыре главных требования к связующему для формовочных (стержневых) смесей можно считать равнозначными, тем не менее в настоящее время принято предлагаемое к использованию связующее прежде всего оценивать с позиций обеспечения легкой выбивки смеси, поскольку именно эта операция в литейных цехах является наиболее трудоемкой и требует повышения производительности труда, являясь наиболее узким местом технологического процесса.
Рассмотрим основные принципы разработки (выбора) связующего для легковыбиваемых смесей.

Сложность выбивки из формы обусловлена физико-химическим взаимодействием связующего с огнеупорным наполнителем, что приводит к образованию конгломерата, сохраняющего высокую прочность после охлаждения формы с залитым в нее металлом. В случае песчаных кварцевых форм спекание собственно огнеупорного наполнителя (кварцевого песка) при температуре заливки обычной стали (-1550 °С) незначительно и его можно не принимать во внимание. Основные пути создания легковыбиваемых смесей базируются на регулировании физико-химического взаимодействия связующего с огнеупорным наполнителем с целью снижения прочности конгломерата, образующегося при температуре заливки формы металлом.

При изготовлении литейных форм и стержней применяют две группы связующих — цементы и связки. В качестве цементов для приготовления формовочных (стержневых) смесей используют портландцемент, глиноземистые и высокоглиноземистые цементы, «Гидралюм», сульфоалюминатные цементы и т. д., в качестве связок — жидкое стекло, алюмосиликатное связующее, фосфатные связки, органические смолы и др.

Химическими соединениями, обеспечивающими исходную прочность формы (стержня), являются продукты твердения цементов и связок, склеивающие огнеупорный наполнитель в прочный конгломерат. Такими продуктами могут быть кристаллические безводные вещества, кристаллогидраты, водные гели, органические и неорганические полимерные структуры.

Физическая структура затвердевшей формы (стержня) представлена сочетанием крупных зерен исходного кварцевого песка, тонкокристаллической или аморфной структурой продуктов твердения связующего и определенным значением пористости, включающей макропоры межзернового пространства кварцевого песка и микропоры (в большинстве случаев поры геля), образовавшиеся в продуктах твердения связующего.

В процессе затвердевания литейной формы (стержня) микро-пористость уменьшается за счет заполнения части крупных пор продуктами твердения связующего. Однако она должна сохраниться достаточной для требуемого свойства газопроницаемости. Вода в затвердевшей смеси может сохраняться в виде физически свободной (в макропорах), адсорбционной (в порах геля) и химически связанной, структурной (в кристаллогидратах).

При заливке металла в форму на нее (на стержень) воздействуют высокие температуры. В зависимости от конфигурации и массы формы, массы отливки, вида металла, температура в форме (стержне) в период ее работы составляет 100—200 °С, а в наружных частях формы — примерно равняется температуре заливаемого металла (1500—1600 °С). Преимущественная температура прогрева основной массы формовочной смеси — 400-4-900 °С.

При воздействии высоких температур в затвердевшей формовочной смеси протекают следующие процессы (по мере возрастания температуры): удаление остатков физически свободной воды из макропор и сорбционной воды из пор гелевых фаз; термическая диссоциация кристаллогидратов и ряда соединений типа карбонатов, гидроксидов, сульфатов; реакции синтеза в твердой фазе и твердофазное спекание; полиморфные превращения соединений, образование расплавов, протекание процессов жидкофазного спекания и синтеза новых химических соединений.

Таким образом, при воздействии высоких температур существенно меняется фазовый состав литейной формы, ее физическая структура и, как следствие, свойства (прочность). Однако для оценки процессов выбивки не меньшее значение имеют процессы, происходящие при охлаждении формы, включающие кристаллизацию новых соединений из расплава и в присутствии расплава, образование стекла, полиморфные превращения соединений. Охлажденная литейная форма имеет фазовый состав, структуру и свойства, отличные от аналогичных характеристик формы как в исходном (затвердевшем) состоянии, так и при высоких температурах. Очевидно, что характер процессов, происходящих при отвердевании формовочной смеси, ее последующей термообработке, охлаждении и определяет такое важное свойство, как работа выбивки.

Исходная требуемая прочность литейной формы (стержня), как правило, невелика (1—2,5 МПа) и определяется характером межчастичного взаимодействия в системе связующее — заполнитель (образование коагуляционных, кристаллизационных и смешанных структур).

При термообработке затвердевшей смеси (заливке металлом) могут происходить как процессы ее упрочнения, так и разупрочнения, однако прочность формы при высокой температуре, как правило, ниже исходной прочности. Если при охлаждении формы этот низкий уровень прочности сохраняется, форма окажется легковыбиваемой, если произойдет упрочнение — трудно-выбиваемой.

Для большинства неорганических вяжущих систем характерно следующее изменение прочности при термообработке (рис. 8.7). При 100 °С происходит удаление остатков физической влаги, наблюдается некоторое упрочнение. При дальнейшем повышении температуры в интервале 180—230 °С (температура Т\) фиксируется разупрочнение затвердевшего связующего, обусловленное удалением сорбционной воды и развитием небольших усадочных деформаций. Следующее разупрочнение смеси при температуре Г2 связано с термической диссоциацией кристал-логидратных фаз, которое происходит в большинстве случаев с образованием одного или нескольких безводных кристаллических или аморфных соединений. Температурный интервал этого разупрочнения весьма широк и для разных групп неорганических связующих находится в пределах от 300—400 °С (жидкое стекло) до 600—900 °С (цементы, высокоизвестковое связующее). Второе разупрочнение наиболее существенное, потеря исходной прочности может составить 60—80%.

Рис. 8.7. Изменение остаточной прочности затвердевшего связующего при термообработке
1 —снижение остаточной прочности; 2 —повышение остаточной прочности за счет жидкофазного спекания; 3 — твердофазное спекание

В случае большого химического сродства связующего и наполнителя (кварцевого песка) твердофазовое взаимодействие в системе может начинаться уже при 400—600 °С, это твердофазовое спекание приведет к повышению остаточной прочности смеси и усложнению выбивки (кривая 3, рис. 8.7). При отсутствии спекания связующего с кварцем вплоть до высоких температур (температур преимущественного прогрева формы) в системе сохранится низкий уровень прочности, гарантирующей легкую выбивку. Конечно, нужно иметь в виду, что форма прогревается неравномерно и в разных ее частях степень твердофазного спекания связующего с кварцем может быть различной.

При достижении температуры Гз в системе вяжущее — кварц появляется расплав. Это может привести к дальнейшему разупрочнению системы (снижению остаточной прочности) вследствие развития при последующей кристаллизации расплава термических напряжений (кривая 2, рис. 8.7). Однако в большинстве случаев наблюдается обратная картина — остаточная прочность смеси значительно повышается за счет ее цементации продуктами кристаллизации расплава, особенно в тех случаях, когда при охлаждении смеси расплав образует стеклофазу. Эта ситуация наиболее неблагоприятна с позиций улучшения вы-биваемости (кривая 2, рис. 8.7).

Общая картина существенно изменится, если за счет высокотемпературного взаимодействия связующего с кварцевым песком или в результате термического превращения связующего образуется кристаллическая фаза, характеризующаяся полиморфными превращениями, протекающими с большим изменением удельного объема. Даже если содержание такой фазы в смеси составит 5—15%, а изменение объема при полиморфном превращении 5—10%, присутствие такой фазы в формовочной смеси обеспечит полное разупрочнение. Известны попытки использовать полиморфные превращения двухкальциевого силиката и кристобаллита для обеспечения легкой выбивки стержневых смесей. К сожалению, этот прием весьма сложен в воспроизводстве и чувствителен к небольшому отклонению от заданного состава.

При оценке высокотемпературного взаимодействия системы связующее — огнеупорный наполнитель (в основном, кварц) нужно учитывать физико-химическое взаимодействие связующего с кварцем, особенно на границе раздела фаз. Однако из-за крупного размера зерен кварца и кратковременного воздействия высоких температур рассматриваемая система слишком далека от равновесия и процессы высокотемпературного превращения собственно связующего превалирует над высокотемпературным взаимодействием связующего с кварцем. Так, например, если рассматривать систему жидкое стекло — кварц как равновесную, то при содержании в смеси 6% жидкого стекла с формулой Na20 • 3Si02 теоретическая температура ликвидуса составит 1710 °С, тогда как температура плавления собственно связующего равна 850 °С. Существенное взаимодействие в этой системе жидкого стекла с кварцем могло бы привести к повышению огнеупорности смеси и улучшению выбивки.

Наоборот, в смесях, содержащих в качестве связующего алюмината кальция, огнеупорность связующего выше расчетной огнеупорности смесей алюминатов кальция с Si02 (система СаО — — Si02 — AI2O3) и заметное взаимодействие в этой системе привело бы к значительному затруднению выбивки.

Исходя из рассмотренного выше общего подхода, следует ориентироваться на три основных типа связующих, разрабатываемых для легковыбиваемых смесей:
I тип связующих — высокопрочные связующие, обеспечивающие требуемый набор прочности формы (стержня) при низком содержании их (менее 3%) в составе смеси. В этом случае даже крайне неблагоприятные свойства самого связующего (например, низкая температура плавления или интенсивное твердофазное спекание с кварцем) не могут перевести смесь в разряд трудновыбиваемых вследствие низкой концентрации нежелательных контактов кварц — связующее. При таких условиях сохраняются основные ценные свойства кварцевого песка —высокая огнеупорность, низкая спекаемость вплоть до температур заливки металла. На требования проявления высоких значений вяжущих свойств (прочности) накладывается также требование быстрого нарастания прочности — получения конечного значения прочности за короткое время.

Безусловно, обеспечение максимальных вяжущих свойств — общее требование к связующим. Однако в ряде случаев оно является ведущим в определении целесообразности применения того или иного связующего в составе формовочной (стержневой) смеси. Так, например, исходя из требований прочности, содержание портландцемента в составе смесей составляет 10— 15%. При таком содержании связующего значительно усиливаются процессы спекания цементно-кварцевой смеси, образуется прочный конгломерат и ухудшается выбивка. Если бы удалось существенно активировать твердение портландцемента и снизить его количество в смеси до 5—1%, то перспективы использования этого связующего в литейном производстве могли существенно возрасти. Установлена возможность применения малоцементных композиций на основе безгипсового портландцемента, а также цементов на основе сульфо- и фторалюминатов кальция.

Улучшение вяжущих свойств связующего является единственным способом снижения его концентрации в составе смеси и, как следствие, облегчает процесс ее выбивки из форм при использовании в литейном производстве основного связующего — жидкого стекла.

Таким образом, минимальное содержание связующего, обеспечивающее возможность придания необходимой конфигурации изделиям в процессе формовки при заданной прочности и качестве поверхности, позволяет сохранить такие определяющие свойства заполнителя, как его огнеупорность, термостойкость, газопроницаемость в процессе эксплуатации готовой формы и на заключительном этапе —легкую выбиваемость отливок (освобождение от форм) вследствие малой спекаемости заполнителя. При применении связующих I типа из-за малой их концентрации в составе смеси на второй план отступают такие свойства связующего, как его легкоплавкость, взаимодействие с наполнителем и др.

II тип связующих — так называемые высокоогнеупорные связующие, характеризующиеся появлением расплава при высоких (свыше 1400 °С) температурах, а также отсутствием низкоплавких эвтектик с кварцевым наполнителем. В случае применения таких связующих обеспечивается «химическая индифферентность» связующего по отношению к кварцевому наполнителю, наполнитель существенно не спекается со связующим и легко выбивается после охлаждения формы. Примером разработки этого типа связующих могут, быть связующие на основе низкоосновных алюминатов кальция, характеризующиеся температурой появления расплава выше 1450 °С при нормальной огнеупорности связующего больше 1600 °С, а также разработка высокоизвесткового связующего с еще большей огнеупорностью (рассматривается ниже).

III тип связующего — так называемые терморазупрочняющи-еся связующие, т. е. связующие, снижающие свою прочность при нагреве (в рассматриваемом случае при заливке металла) и при последующем охлаждении. Причины такого разупрочнения могут быть разные: термическая диссоциация гидратных фаз (например, кристаллогидратов), высокотемпературный полиморфизм отдельных соединений связующего, образование при высоких температурах новых соединений. Во всех случаях протекание этих реакций приводит к снижению прочности контактов связующее — наполнитель, их разрыхлению и, как следствие, к созданию условий для легкой выбивки.

Жидкостекольные формовочные и стержневые смеси. Из применяемых в литейном производстве неорганических связующих главенствующая роль принадлежит жидкому стеклу. Широкое распространение жидкого стекла в литейном производстве связано с возможностью достижения требуемых технических свойств форм и стержней при его применении, а также недефицитностью этого связующего. Основная область использования жидкого стекла в литейном производстве — это его применение в качестве связующего в составе форм и стержней для ведущего технологического процесса — литья в разовые формы. В литейном производстве жидкое стекло используют также для приготовления противопригарных красок и для литья по выплавляемым моделям.

Для различных формовочных смесей в литейном производстве применяют натриевое жидкое стекло со следующими характеристиками:
1. Высокомодулыюе жидкое стекло с силикатным модулем и = 2,7+3,0 и выше для смесей ЖСС, плотность стекла — 1400+1420 кг/м3.
2. Среднемодульное жидкое стекло с силикатным модулем п = 2,5+2,7, плотность стекла—1480+1520 кг/м3 для стержневых смесей по «СОг-процессу».
3. Низкомодульное жидкое стекло с силикатным модулем « = 2,15+2,30, плотность— 1480+1520 кг/м3 для формовочных смесей типа ФБС.

Использование жидкого стекла в качестве связующего для литейных форм и стержней основывается на процессах отвердевания жидкого стекла, сопровождающихся проявлением адгезионных свойств к огнеупорному наполнителю (кварцевый песок или другие огнеупорные пески). Такое отвердевание жидкого стекла может осуществляться при естественном (на воздухе) или искусственном (нагрев, продувка теплым воздухом) высушивании смеси или за счет введения специальных химических добавок — отвердителей жидкого стекла.

Основными путями снижения содержания жидкого стекла в литейных смесях являются следующие:
повышение стабильности состава и свойств (в первую очередь вязкости) жидкого стекла;
повышение качества формовочных песков, прежде всего с позиций содержания пылевидных фракций;
применение модифицированных жидких стекол за счет введения добавок как органической, так и неорганической природы при выведении системы на «грань стабильности», но в пределах агрегативной устойчивости стекла (добавка-модификатор может вводиться как при варке или растворении стекла, так и в уже готовое стекло);
разработка высокоактивных вяжущих композиций в системе жидкое стекло — добавка с использованием как твердых, так и жидких отвердителей;
применение специальных приемов активации поверхности зерен кварцевого песка, обеспечивающих проявление высокопрочных адгезионных контактов на границе жидкое стекло — кварц;
оптимизация технологических приемов приготовления смесей с позиций обеспечения полного и своевременного взаимодействия компонентов смеси (последовательность введения компонентов, способ введения и др.);
совершенствование агрегатов с целью обеспечения тщательного смешивания компонентов смеси при низком содержании в ней жидкого стекла и низкой влажности.

Таким образом, снижение содержания жидкого стекла в смеси — первый и основной прием улучшения ее выбиваемости из формы. Другим направлением является применение добавок-разупрочнителей. В процессе прогрева формы при заливке металла происходит терморазупрочнение (деструкция), или выгорание, добавки, приводящее к ослаблению структуры формы (стержня). В качестве добавок такого типа используют, например, сахар- и крахмалсодержащие вещества, промышленные отходы, специальные синтетические добавки на основе переработки технических Сахаров, а также комплексные добавки, включающие фенолформальдегидные смолы, растворы и эмульсии, содержащие полистирол, битум, латексы и т. д.

Третьим направлением улучшения выбивки жидкостеколь-ных формовочных смесей является принципиальное изменение состава и физико-химической природы жидкого стекла. Этого можно достичь либо путем перехода в область высокомодульных жидких стекол (полисиликатов) со значением силикатного модуля 44-40, либо использованием в качестве жидкого стекла силикатов органических оснований, прежде всего силикатов четвертичных аммонийных оснований.

Формовочные смеси с использованием глины в качестве связующего. Чаще всего для изготовления форм применяют песчано-глинистые смеси. Основное их преимущество — низкая стоимость материалов и возможность многократного использования оборотной смеси, основной недостаток — необходимость подсушки, а в ряде случаев и полного высушивания формы. В качестве связующего используют обычно бентонитовые глины, содержащие монтмориллонит AI2O3 • 4Si02 • Н2О, а также каолинит AI2O3 • 2Si02 • 2Н2О. Примерный состав смеси: оборотная смесь —90-95%; кварцевый песок — 5-10%; глина —2%. Способ изготовления сырых форм — уплотнение с помощью прессования, встряхивания и т. д. В некоторых случаях в состав песчано-глинистых смесей вводят дополнительно связующее (жидкое стекло, органическое связующее). Формы сушат в камерных сушилках, с помощью переносных горелок, а также горячими газами, горячим воздухом, током высокой частоты и др.

Песчано-цементные смеси изготавливают из кварцевого песка и портландцемента (10%), вода в смесь добавляется в количестве 10%. Поскольку основной недостаток таких смесей — медленный набор прочности, то в их состав вводят добавки-ускорители твердения: хлориды, алюминат натрия. Твердение смесей обусловлено образованием гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция, как и в случае формирования строительных изделий на портландцементе. Разработаны составы формовочных смесей с использованием безгипсового портландцемента (молотого клинкера), а также быстротвердеющего цемента, содержащего сульфоалюминаты кальция.

Фосфатные смеси. Перспективность использования фосфатных вяжущих для литейных формовочных и стержневых смесей определяется высокой прочностью таких вяжущих, быстрым нарастанием прочности, низким содержанием воды, в том числе связанной, нетоксичностью, сравнительной доступностью исходного сырья и удовлетворительными экономическими показателями.

Хорошие вяжущие свойства и огнеупорность фосфатных систем являются предпосылкой для создания легковыбиваемых смесей с невысоким содержанием в них (1,5—3,0%) связующего. Исходный уровень свойств фосфатных связующих должен обеспечивать формовочной смеси живучесть от 1 до 120 мин., прочность при сжатии через 24 ч —0,8-1,5 МПа при соответствии требованию разупрочнения смеси после заливки металла.

В настоящее время применяют два типа фосфатных цементов в составе формовочных смесей: железофосфатные и магнийфосфатные.

Железофосфатные смеси содержат в качестве твердого порошкообразного компонента окалину—отход от кузнечных и прокатных производств (смесь оксидов железа различной степени окисления FeO, РегОз, FesCU и ортофосфорную кислоту в качестве жидкости затворения).

Твердение таких систем за счет образования фосфатов железа различного состава является основой разработки самотвердеющих смесей. Типовой состав формовочной смеси на желе-зофосфатном вяжущем с кварцевым заполнителем включает 5—5,5% окалины, 7,5-8% Н3Р04 (у =1,32 г/см3), 0,5-0,6% пенообразователя. Подготовка окалины состоит в ее прокалке (для удаления масел) и тонком размоле, в качестве ортофосфорной кислоты рекомендуют применять термическую кислоту как более стабильную по составу и свойствам.

Высокая экзотермия реакции взаимодействия оксидов железа с ортофосфорной кислотой при большой массе промышленного замеса приводит к недопустимому сокращению сроков живучести смеси. Совершенствование состава смесей на железофосфатной связке и их свойств, прежде всего живучести, связано с модифицированием состава затворителя (ортофосфорной кислоты) за счет введения добавок.

Магнийфосфатные формовочные смеси содержат в качестве связующего (порошкового компонента) оксид магния, образующий с ортофосфорной кислотой прочный камень при быстром нарастании прочности и сравнительной доступности магнезиального сырья.

Оксид магния используется в виде магнезита, как спеченного, так и плавленного. Ориентировочный состав смеси: огнеупорный заполнитель — 96-98%, MgO — 1,5-ь2,0% ортофос-форная кислота — 2%. Основные свойства формовочных смесей на магнийфосфатном связующем: живучесть —8-г 15 мин, осыпаемость — менее 0,2%, прочность через 24 ч — 2 МПа, остаточная прочность после прогрева при 1000 °С —менее 0,2 МПа. Для регулирования живучести и прочности смеси в ее состав вводят специальные добавки. Разработанные формовочные смеси на фосфатных связующих прошли успешное опробование и применяются в литейных цехах машиностроительных заводов.

Формовочные смеси для литья по выплавляемым моделям. Изготавливают чаще всего с использованием в качестве связующего этилсиликата.

Этилсиликат (тетраэтоксисилан) — прозрачная или слегка окрашенная в желтовато-зеленоватый цвет жидкость с запахом эфира. Его получают при взаимодействии четыреххлористого кремния с этиловым спиртом:

SiCl4+4C2H5OH -> (C2H50)4Si+4HCl

При избытке воды, кроме моноэфира, можно получить диэфир (C2H50)6Si20, триэфир (C2H50)gSi302 и др. Для придания этилсиликату вяжущих свойств его подвергают гидролизу водой в присутствии ацетона или спирта. Гидролиз этилсиликата заключается в его взаимодействии с водой и замещении в эфире ортокремниевой кислоты этоксильных групп С2Н5О — гидроксильными группами ОН — с образованием силоксановых связей между молекулами (поликонденсация).

Этилсиликат и вода не растворимы друг в друге, и гидролиз идет только на поверхности раздела фаз, поэтому для ускорения реакции добавляют ацетон, спирт или эфирно-альдегидную фракцию, а в качестве катализатора —НС1. При малом расходе воды

(C2H50)4Si+H20 – (C2H50)3Si(OH) + C2H5OH.

При большом расходе воды

(C2H50)4Si+4H20 – Si(OH)4+4C2H5OH.

В результате гидролиза этилсиликата образуется гель крем-некислоты, который и обеспечивает проявление вяжущих свойств системой.

Противопригарные краски. Несмотря на применение современных методов формообразования не всегда удается получать отливки с чистой поверхностью — без пригара. Поэтому практически все формы и стержни покрывают противопригарными красками, которые представляют собой суспензию, состоящую из порошкообразного огнеупорного наполнителя, связующего компонента и добавок.

Краски должны обладать достаточной огнеупорностью, высокой седиментационной устойчивостью, хорошей кроющей способностью, высокой прочностью сцепления с поверхностью форм и стержней при заливке металла, малой газотворностью и гигроскопичностью. К тому же они не должны быть токсичными, дефицитными и дорогими.

В качестве огнеупорных наполнителей красок используют оксиды, карбиды, нитриды, бориды и некоторые чистые химические элементы. Наибольшее распространение получили оксиды с Гпл > 1700 °С, химически инертные к жидкому металлу. Обычно используют оксиды Al, Si, Mg, Zr, силикаты Al, Mg, Zr (циркон ZrSi04, дистен-силлиманит А120з • Si02, пылевидный кварц Si02 — маршаллит, тальк—магнезиальный силикат 4Si02 • 3MgO • Н20), а также корунд, электрокорунд, оливин, ду-нит, рутил, шамот, хромит, хромомагнезит, графит.

Дисперсионной средой для красок является вода для изготовления водных, требующих сушки, красок. Для приготовления самовысыхающих красок используют органические растворители, для повышения седиментационной устойчивости вводят стабилизаторы—поливиниловый спирт, поливинилбутераль (ПВБ). В качестве органических пленкообразователей применяют технические лигносульфонаты, крахмальную патоку, смолы синтетические. Неорганические пленкообразователи: жидкое стекло (натриевое, калиевое), триполифосфат натрия (Ка5РзОю)и, ме-тафосфат натрия (ИаРОз), а также фосфатные связки — алю-мофосфатные, алюмохромфосфатные и др.

Ваш отзыв