1.7.1 Расчет количества составляющих гидролиза и

последовательность приготовления связующего

Экспериментально установлено, что концентрация кремнезема в растворе для получения максимально прочной оболочки не должна превышать 18–20 %. В этилсиликате содержится 28–50 % SiO₂. Следовательно, для проведения гидролиза этилсиликат необходимо разбавлять.

В основу расчета составляющих раствора положено определение количества этоксильных групп в гидролизуемом этилсиликате, оно связано с содержанием SiO₂ следующим образом:

%. (5)

Требуемое количество воды определяют из соотношения

(6)

где М = 0,2…1,0 – поправочный коэффициент; m – масса гидролизуемого этилсиликата, кг.

Количество растворителя находят из условия

(7)

где (%SiO2) _этс – содержание кремнезема в этилсиликате; (%SiO₂) _р.с – содержание кремнезема в связующем растворе; ρ_р – плотность раствора, кг/л.

Для определения количества соляной кислоты (К, мл) используют выражение: (8)

Содержание ПАВ обычно не превышает 0,1 % массы суспензии. Основной критерий – качественное смачивание модели.

Для получения связующего с 16 % SiO₂ необходимо приготовить суспензию, состав которой указан в табл. 6.

Таблица 6 - Состав связующего

Компоненты	Плотность, кг/см3	Массовая доля		Объемная доля
		кг	%	см3	%
Этилсиликат	1060	1	39,8	0,942	33,7
Ацетон	740	1,3	51,7	1,645	58,8
Вода	1000	0,195	7,8	0,195	7
Соляная кислота	1149	0,017	0,7	0,015	0,5
Всего		2,512	100	2,798	100

Определение количества компонентов для получения связующих растворов на 1 кг ЭТС можно проводить также по номограмме Я. И. Шкленника (рис.3). Исходные данные—способ сушки, необходимая прочность оболочки, фактический состав ЭТС , содержание Si0₂.

Рисунок 3 - Номограмма для определения состава гидролиза этилсиликата.

Для определения количества воды X на оси абсцисс находят точку, соответствующую содержанию Si0₂ в ЭТС. Проводят от нее вертикальную линию до соответствующей зоны «Вода» с учетом требуемого типа раствора. Проведя из точки в выбранной зоне «Вода» горизонталь влево, на оси ординат находят требуемое количество воды.

Количество органического разбавителя определяют на ординате справа, в зависимости от требуемой концентрации SiO₂ в связующем растворе, показанной наклонными линиями. В нижней части номограммы приведена шкала для определения количества соляной кислоты , которое надо ввести в расчетное количество воды для гидролиза. Этилсиликат обладает удивительным свойством: в зависимости от содержания в нем SiO₂, количества воды, катализатора можно получить практически неограниченный ряд связующих растворов с различными физико-механическими свойствами. Рассмотрим три типичных случая гидролиза:

• гидролиз малым количеством воды (меньшим, чем стехиометрическая норма). Образующиеся в результате гидролиза связующие растворы ведут себя как истинные растворы кремнийорганических соединений (растворы I типа). Вязкость их практически не изменяется в течение года; они растворимы в полярных (спирт, ацетон) и неполярных (бензин, уайт-спирит) растворителях; образующаяся пленка твердеет медленно, и процесс этот обратим, т.е. при смачивании растворителями она набухает. Раствор легко гидролизуется влажным аммиаком с образованием геля кремневой кислоты. При этом пленка твердеет необратимо. Подобная обработка раствора в пленке влажным аммиаком называется аммиачной сушкой. Полученные оболочки имеют высокую — до 10 МПа — прочность при статическом изгибе;

• гидролиз средним количеством воды (несколько большим, чем стехиометрическая норма). Образующиеся при этом растворы ведут себя как смеси истинных (растворы органических полимеров) и коллоидных (орто- и поликремневых) растворов (растворы II типа). При хранении вязкость таких растворов постепенно увеличивается и тем быстрее, чем выше содержание в растворе SiO2 16. Стойкость растворов до желатинизации не превышает 100 суток. Такие растворы можно разбавлять только полярными растворителями, так как неполярные растворители расслаивают оболочковую форму.

Сушку слоев, полученных на основе таких связующих, необходимо проводить при повышенной влажности воздуха. Чем выше доля коллоидного раствора в связующем, тем менее желательна аммиачная сушка, так как аммиак вызывает быстрое образование геля, связывающего большое количество воды, и получение в последующем рыхлых структур SiO₂. При нормальном ведении процесса прочность оболочки на изгиб достигает 5-7 МПа;

• гидролиз большим количеством воды (многим больше, чем стехиометрическая норма). Образующиеся в результате гидролиза растворы ведут себя как коллоидные растворы кремневых кислот (растворы III типа). Вязкость их увеличивается интенсивно: стойкость растворов до желатинизации составляет до 5 суток. Оболочковые формы сушат на воздухе без применения аммиака. Для ускорения процесса можно использовать сухой подогретый воздух. Сушка слоев покрытий сопровождается усадкой и трещинообразованием, в результате чего прочность их на изгиб не превышает 2,5-4,0 МПа.

В художественном литье наиболее часто применяют три способа получения суспензии:

• Совмещенный способ заключается в совмещении гидролиза с приготовлением суспензии. Для этого в высокоскоростной смеситель (ω ~ 2800 об/мин) наливают рассчитанное количество растворителя, подкисленной воды и этилсиликата, добавляют пылевидный материал (маршалит) в количестве 65—75% от массы суспензии. Полученную суспензию перемешивают 40-60 мин при непрерывном охлаждении гидролизатора.

• Двухфазный способ отличается от предыдущих тем, что в гидролизатор вливают 10—15% растворителя от требуемого его количества и ориентировочно 25% этилсиликата. Полученный раствор перемешивают и в него добавляют в два — три приема 25% подкисленной воды, не допуская нагрева раствора выше 50°С. Когда температура достигает максимума и начинает снижаться, добавляют следующие порции этилсиликата и подкисленной воды. Полученный вязкий раствор немедленно разбавляют растворителем и выдерживают не менее 24 ч.

● Однофазный способ, при котором в гидролизатор наливают растворитель, воду, соляную кислоту и перемешивают их 1—2 мин. Далее, постоянно перемешивая, добавляют этилсиликат. О начале реакции гидролиза свидетельствует повышение температуры раствора. При этом чем больше концентрация НСl, SiO₂, Н₂О в растворе, тем быстрее значительно повышается температура. Если она превысит 40—45°С, гидролизатор с раствором необходимо охладить. Когда температура достигнет максимума и начнет снижаться, перемешивание можно прекратить, а если продолжать, то до охлаждения раствора до комнатной температуры.

В настоящее время в промышленной технологии литья по выплавляемым моделям применяются готовые связующие на основе этилсиликата марки ГС20.

Преимущества использования готового связующего ГС-20П:

Устранение несвойственной для литейных цехов сложной операции гидролиза этилсиликатов. Исключение необходимости приобретать и применять органические растворители - спирты или ацетон. Высвобождение производственных площадей, оборудования и персонала, занятого приготовлением гидролизных растворов, сокращение расхода энергоресурсов и воды. Снижение влияния человеческого фактора на качество отливок за счет использования стабильного по составу готового связующего на стадии приготовления керамической суспензии. Повышение седиментационной устойчивости и живучести керамической суспензии за счет присутствия в готовом связующем ГС-20П комплекса специальных добавок. Повышение прочностных характеристик оболочковых форм. Увеличение чистоты поверхности отливок за счет хорошей смачиваемости поверхностей восковых моделей суспензией на основе готового связующего ГС-20П.

В качестве наполнителя суспензии применяют пылевидный кварц - маршалит, искусственную кварцевую муку, получаемую размолом чистого кварцевого песка, молотый плавленый кварц. Наиболее распространенным из них является маршалит марки КП-1, КП-2, КП-3 с содержанием кремнезема не менее 98%, окислов железа не более 0,05%, влаги не более 2%. Содержание щелочей не допускается. Зернистость кварца соответствует размеру стороны ячейки сит 01-005 мм (номера сит 01-005).

Перед употреблением пылевидный кварц прокаливают в течение 3-4 ч при температуре 850-900 °С. После прокалки кварц охлаждают до 18-22 °С и для обеспечения необходимого зернового состава просеивают через сито 005. Недостаток пылевидного кварца, как наполнителя суспензии, в том, что при нагревании он претерпевает полиморфные превращения, связанные с увеличением его объема, что приводит к изменению линейных размеров оболочек. При нагревании до 1000°С размер их увеличивается на 1,4%. Поэтому кварцевый песок в ряде случаев стали заменять другим высокоогнеупорным материалом, более постоянного объема (плавленый кварц, циркон и др.).

Для обсыпки слоев суспензии применяют кварцевый песок марок Об1К016-Об2К025 с содержанием кремнезема не менее 97%. Кварцевый песок перед употреблением прокаливают при температуре 850-900°С и просеивают через сито с ячейками 0,630-1,0 мм.

Огнеупорную суспензию приготовляют в бачках из коррозионно-стойкой стали или алюминия, с ручным перемешиванием или в специальных механических мешалках-бачках. Вместимость бачка должна быть такой, чтобы в него свободно погрузился модельный блок. Для удобства рекомендуется иметь два бачка с суспензией: один - с раствором для слоя первого покрытия, второй - для последующих. Для приготовления суспензии в бачок заливают гидролизованный раствор до уровня, позволяющего полностью погружать в него модельные блоки. Перемешивая раствор, в бачок-мешалку медленно засыпают маршалит до получения однородной массы установленной плотности. Плотность суспензии для первого слоя покрытия блоков рекомендуется 1,74-1,78 г/см3, для второго и последующих 1,68-1,72. Перед употреблением приготовленную суспензию отстаивают в течение 5-10 мин до прекращения выделения из нее пузырьков воздуха.