Сполучні матеріали

Сполучники вводять у формувальні і стержневі суміші для зв'язування піщин і надання міцності у вологому чи сухому стані формувальним і стержневим сумішам.

Сполучники повинні задовольняти наступним вимогам:

• рівномірно розподілятися по поверхні формувальних пісків при приготуванні формувальних і стержневих сумішей;

• забезпечувати достатню міцність у вологому і сухому станах;

• додавати суміші пластичність для заповнення нею всіх порожнин стержневого ящика, поглиблень у моделі;

• не прилипати до моделі і стержневого ящика під час виготовлення стержнів і форм;

• сприяти швидкому висиханню стержня і форми і не поглинати вологу при зборці форм і збереженні стержнів на складі;

• не виділяти багато газів при сушінні і заливанні розплаву у форму, забезпечувати піддатливість форми і стержня;

• не знижувати вогнетривкість формувальної чи стержневої суміші і не збільшувати пригар на відливках;

• сприяти легкому видаленню стержня з відливки;

• бути нешкідливими для працюючих і оточуючих людей (тобто не роз'їдати руки і не виділяти шкідливі гази), бути дешевими і недефіцитними.

Класифікація сполучників (табл. 4.5.).

Таблиця 4.5

Класифікація сполучників

Група ма­теріалу	Питома міцність, кПа/1 %	Клас А (органічні неводні матеріали)		Клас Б (органічні водні матеріали)		Клас B (неорганічні водні матеріали)
		Характер твердіння	Сполучник	Характер твердіння	Сполучник	Характер твердіння	Сполучник
I	490	Необоротній	А-1 Оліфа, П ПТ, КО, ПС, ПК-104 4ГУ (в)	Необоротній	Б-1 МФ17, М, УКС, КФ-90, М19-62 ОФ-1, БС-40	Необоротній ва § ^ та 0- "8 0) ^т1 1^-«	В-1 Рідке стекло
		Проміжний
II	294—490		А-2 4ГУ(п), БК, СЛК	Проміжний	Б-2 СБ, СП, КВС		В-2
III	294		А-3 БТК Каніфоль	Зворотний >я 3 1 та 0- §	Декстрин, пектиновий клей, крах­маліт		В-3 Цемент. Глини формувальні
		Зворотний			Б-3 Патока, сульфітно-спиртова барда
						Зворотний

В основі класифікації закладені дві ознаки:

• природа матеріалу (органічні і неорганічні, водорозчинні і нерозчинні — неводні);

• характер затвердіння (необоротний, проміжний, оборотний).

Водяні і неводні сполучники не змішують між собою, тому що це майже завжди знижує міцність суміші як у вологому, так і в сухому стані, особливо якщо в якості водяного сполучних використовують формувальну глину.

Необоротно твердіючі сполучники при затвердінні перетерплюють складні хімічні перетворення на основі полімеризації або поліконденсації речовини. Зворотно твердіючі — відновлюють свої властивості після охолодження (бітуми, пеки, каніфоль) чи при дії розчинника (декстрин, пектиновий клей).

Сполучники, які затвердівають необоротно, надають найбільшу міцність сухим стержням, більш 490 кПа на 1 % сполучника. Сполучники з проміжним характером затвердіння — середню міцність, 294—490 кПа на 1 %. Зворотно твердіючі — найменшу міцність, 294 кПа на 1 %. Відповідно до цього сполучники розділяють на три групи по питомій міцності на розрив у сухому стані.

Органічні сполучники виділені в два класи: А — неводні; Б — водяні, а неорганічні сполучники займають клас В і є водяними.

Органічні хімічно твердіють сполучники. У цю групу входять органічні неводні (А-1 і А-2) і водяні (Б-1) сполучники, котрі надають суміші низьку міцність, гарну текучість у вологому стані і високу міцність у сухому. З таких сумішей виготовляють тонкостінні складні стержні. Для підвищення міцності у вологому стані в суміш додають глину, декстрин і інші сполучники.

Хімічно твердіючі сполучники розділяють на дві групи: олії і синтетичні смол.

Олії можуть бути рослинні, з нафтопродуктів, зі сланців.

До рослинних олій відносяться лляна олія й оліфа. Оліфа – це рослинна олія з добавкою каталізатора, який прискорює процес сушіння.

До сполучників на основі олій з нафтопродуктів відносять петролатум, розчинений в уайтспириті у відношенні 1:1 (сполучник П), сполучники ПТ, ПС із поліпшеними властивостями.

До цієї ж групи відносять комбіновані сполучники, наприклад, сполучник 4ГУ — розчин рослинної олії і каніфолі в уайтспириті й ін.

Сполучники групи А-1, А-2 — оліфа, П, ПТ, 4ГУ — вводять у стержневі суміші в кількості 1,5—2 %; температура їхнього сушіння 200—220 °С.

При застосуванні зазначених вище сполучників необхідно сушіння стержнів — тривала операція, яка вимагає значних енерговитрат, площ, займаних сушилами. Тому у виробництві широко застосовують у якості сполучників синтетичні смоли, які дозволяють усунути операцію сушіння стержнів. Ці смоли можуть бути термореактивні і термопластичні. Термопластичні смоли при нагріванні плавляться, а при охолодженні затвердівають зворотно. Термореактивні смоли при нагріванні спочатку розм'якшуються, а потім унаслідок необоротних хімічних процесів затвердівають; їх застосовують при виготовленні оболонкових форм і стержнів. Процес твердіння таких сполучників відбувається з великою швидкістю й утворенням міцної еластичної плівки. Це дозволяє різко прискорити процес виготовлення стержнів і форм, підвищити їхню міцність.

Найбільш широко застосовують пульвербакелит — фенолоформальдегідну смолу, змішану з 7—8 % уротропіну — затверджувач. Цей сполучник при вмісті його в суміші 4—6 % додає міцність суміші в сухому стані до 5,8—7,92 МПа.

Для виготовлення стержнів широко використовують фуранові смоли (фенолоформальдегідні смоли з добавками фурилового спирту).

Карбомідні смоли — продукти конденсації сечовини з формальдегідом — сполучники МФ17, М, УКС, КФ-35, КФ-90 і т.д. Ці сполучники надають низьку міцність сумішам у вологому стані, а після сушіння стержні негігроскопічні і легко вибиваються.

Органічні висихаючі сполучники (клас Б-2 і Б-3). Вони водорозчинні, добре змішуються з глиною, тому використовують їх разом. Формувальна глина додає стержневій суміші міцність у вологому стані, а сполучник — після сушіння стержня.

Барда сульфітного щолока — побічний продукт переробки деревини. Використовують випарену сульфітну барду щільністю 1,25—1,3 г/см³, що містить близько 50 % сухого залишку, називають її ливарним концентратом барди рідкої (ЛКБЖ). Сульфітну барду, випарену до щільності 1,4 г/см³ і утримуючу 76 % сухої речовини, називають ливарним концентратом барди твердої (ЛКБТ). Концентрат барди твердої зі вмістом не менше 87 % сухого залишку випускають у виді порошку марки КБП. Рідку барду використовують без підготовки; тверду барду перед використанням розчиняють.

На основі сульфітної барди розроблені комбіновані сполучники СБ, СП. Ці сполучники вводять у формувальні і стержневі суміші в кількості 1,5—3 %. Температура сушіння 160—180 °С.

Декстрин — продукт обробки крохмалю слабкою кислотою при невеликому нагріванні — використовують у комбінації з іншими сполучниками, а також для приготування клея для стержнів.

Органічні затвердіваючі сполучники (група А-3). У твердому стані вони крихкі, тому самостійно їх не використовують, а застосовують у комбінації з глиною і сульфітною бардою. Наприклад, каніфоль, що входить у сполучники 4ГУ, П.

Органічні сполучники використовують, головним чином, для приготування стержневих сумішей, іноді їх додають у піщано-глинисті формувальні суміші для підвищення їхньої міцності і пластичності.

При виготовленні холоднотвердіючих сумішей (ХТС) і сумішей для виробництва оболонкових форм і стержнів у гарячому оснащенні широке застосування одержали синтетичні смоли.

Неорганічні сполучники відносяться до класу В; найбільш поширені рідке скло, формувальна глина, цемент, гіпс.

Рідке скло — найбільш розповсюджений сполучник з усіх неорганічних. Це водяний розчин силікатів натрію або калію перемінного складу R₂О_n·SiО₂, де R — натрій або калій.

Рідке скло одержують, розчиняючи силікат-брилу в автоклавах при тиску пари 400—800 кПа. Крім силікату-брили вітчизняна промисловість випускає готове рідке скло: натрієве содове і содово-сульфатне, каустичне і калієве.

Основною характеристикою рідкого скла є силікатний модуль — відношення числа грам-молекул кремнезему до числа грам-молекул оксиду натрію:

М = (% SiО₂ / % Nа₂0). 1,032,

де 1,032—відношення молекулярної маси оксиду натрію до молекулярної маси кремнезему.

Рідке скло випускають трьох марок:

• А (із силікатним модулем 2,00—2,30),

• Б (із силікатним модулем 2,31—2,60),

• В (із силікатним модулем 2,61—3,00).

Чим більше модуль, тим швидше твердіє суміш, тому модуль встановлюють у залежності від призначення суміші. Форми і стержні для великих відливок, які мають багатодобовий цикл виробництва, виготовляють із сумішей на рідкому склі з М == 2,0÷2,3. Для форм і стержнів у яких необхідно зберігати пластичні властивості суміші протягом 1—2 діб, застосовують рідке скло з М == 2,3÷2,6. Для форм і стержнів, затвердіння яких при продувці СО₂ повинно бути особливо швидким і термін збереження яких малий, варто застосовувати рідке скло з М == 2,6÷3,0.

Модуль рідкого скла впливає також на міцність суміші. Зі збільшенням модуля збільшується міцність суміші у вологому стані, але зменшується в сухому стані. Модуль рідкого скла можна штучно знижувати шляхом добавки до нього розчину їдкого натру щільністю, близькою до щільності рідкого скла.

Кількість сухого їдкого натру в грамах на 1 кг рідкого скла обчислюють у залежності від масової частки (%) оксидів SiО₂ і Мg₂О в рідкому склі:

Х == 13,35SiО₂/М — 12,9Nа₂0

Вогнетривка глина є основним сполучним матеріалом у формувальних і стержневих сумішах.

Глиною прийнято вважати частки розміром не більш 22 мкм. Глини складаються з одного чи декількох мінералів, до складу яких входять глинозем - AI₂O₃, зерна кварцу Si₂ і невелика кількість домішок деяких мінералів, що не містять глинозем.

Шкідливі домішки - сульфітна сірка, окисли заліза, магнезит, вапняк і ін. – знижують вогнетривкість глини, а присутність їх у формувальних і стержневих сумішах сприяють утворенню пригару на відливках і погіршенню якості поверхні.

Вогнетривкі глини мають температуру плавлення не нижче ніж 1580^оС. При нагріванні вологої глини до 100^оС відбувається випар вільної води, що не входить у хімічний склад глини. Висушена глина не утрачає своїх сполучних властивостей при повторному розмелі і зволоженні. При температурі 400 - 500^оС і вище з глини віддаляється не тільки вільна вода, але губиться сполучна здатність. Унаслідок цього, при повторних використаннях суміші, збагачуються неактивні (шамотизирвані) включення і для відновлення необхідних властивостей у суміш додають свіжий пісок і глину.

Спеціальні глини (бентоніти) володіють у сирому стані дуже високою сполучною здатністю (клейкістю) і пластичністю. У природі бентоніти утворилися в результаті вивітрювання хімічних змін вулканічного туфу і попілу. (ст.23 Денисов)

Сполучні властивості глини підвищуються зі збільшенням її дисперсності. Частки розміром до 10 мкм при змочуванні водою переходять у желеподібний стан (гель). Навіть невелика кількість глини з великим вмістом колоїдної складової додає суміші високу міцність. Для формувальних і стержневих сумішей це дуже важливо, тому що звичайна глина, яка знаходиться в суміші в кількості, необхідній для одержання визначених пластичності і міцності, одночасно знижує газопроникність і піддатливість. Тому в сумішах повинна бути мінімальна кількість глини, але, по можливості, з високими сполучними властивостями.

Пластичність глини пояснюється її будовою, глини складаються із дрібних пластинок або луски, а не зерен, як пісок.

Сипуча в сухому стані глина стає пластичною, якщо її змішати із певною оптимальною кількістю води. Процес перетворення глини із сипучого стану в пластичний відбувається при умові, якщо температура сушіння не перевищує 400^оС. Із підвищенням температури глина губить кристалізаційну вологу й у ній проходять безповоротні молекулярні зміни: глини перетворюється в шамот. Формувальна суміш повинна мати визначену структуру: між зернами піску, покритими тонким шаром глини, повинні залишатися зазори для виходу газів.

Переваги глини

- надає пластичності суміші;

- надає сумішам більшу сиру міцність;

- травні малу газотвірну здатність;

- дешева;

- доступна;

- глина осаджується при награванні, що зменшує розширення форм та стержнів під час взаємодії із формою;

- глина добре комбінується із багатьма органічними сполучними матеріалами.

Недоліки глини

• надає формі осипаємостi;

• зменшення газопроникності, текучості та піддатливості стержнів;

• погіршення вибиваємостi відливок та стержнів;

• збільшення пригараємостi сумішей;

• пилоутворення при розмелені глини, а також при вибивці і очистці відливок.