2.4.3 Жидкое стекло

Жидкое стекло является самым распространенным (после глины), дешевым нетоксичным связующим, широко применяемым ранее для изготовления форм и стержней.

Жидкое стекло (натриевое и калиевое) представляет собой водный раствор щелочных силикатов переменного состава – Na₂OnSiO₂ или K₂OnSiO₂. В литейном производстве применяют главным образом натриевое (содовое) жидкое стекло с модулем 2,0–3,1. Модуль жидкого стекла определяют по формуле

где %SiO₂ и %Na₂O – процентное содержание SiO₂ и Na₂O в жидком стекле, 1,032 – коэффициент отношения молекулярных масс оксидов натрия и кремнезема.

Чем выше модуль жидкого стекла, тем выше его степень полимеризации и тем больше скорость твердения и меньше живучесть. Малая живучесть смесей, приводит к быстрому нарастанию прочности в начальные периоды твердения, но является причиной снижения прочности через более длительный период твердения например через 24 ч. Поэтому модуль жидкого стекла, применяемого для приготовления смесей, из технологических соображений регулируют добавкой NaOH. Количество щелочи, необходимое для снижения модуля жидкого стекла с M₁ до М₂, определяют по формуле

, где n – необходимое количество NaOH, г;

Na₂O – содержание Na₂O в исходном жидком стекле, г;

С – массовая доля добавляемого водного раствора NaOH, %.

Модуль М и плотность  жидкого стекла выбирают в зависимости от принятого способа отверждения формовочной смеси, который может существенно ускорить отверждение.

Наиболее распостранено отверждение форм и стержней с жидким стеклом продувкой их СО₂. Отверждение по СО₂-процессу проходит по следующей реакции:

Na₂O  nSiO₂ + CO₂ + mH₂O  Na₂CO₃ + nSiO₂ + mH₂O.

Удельный расход СО₂ на отверждение составляет 0,5–1,5 дм³/г жидкого стекла. Количество СО₂, необходимое для достижения максимальной прочности смеси,

Q = A (0,26 – 0,073М),

где Q – количество СО₂, % от массы смеси;

А – содержание жидкого стекла, % от массы смеси;

М – силикатный модуль.

Отверждение жидкостекольных смесей производилось также с помощью порошкообразных (феррохромовый шлак, нефелиновый шлам) и жидких отвердителей (эфиров, альдегидов).

Существенным недостатком жидкого стекла как связующего является плохая выбиваемость смесей из отливок. Причиной является расплавление силикатов натрия при нагреве формы металлом с последующим спеканием формовочной смеси при охлаждении, что приводит к резкому увеличению остаточной прочности. По этим же причинам жидкостекольные смеси не технологичны с точки зрения регенерации.

2.4.4 Вспомогательные материалы

Кроме наполнителя и связующего, в состав формовочных и стер­ж­­невых смесей входят различные добавки, улучшающие их свойства.

К вспомогательным составам и материалам относятся припылы, разделительные смазки и полупостоянные покрытия для оснастки, клеи для ремонта и склейки стержней и форм, замазки для заделки дефектов форм, стержней и отливок, прокладочные жгуты (шнуры) для форм, фитили для образования вентиляционных каналов в стержнях, экзотермические смеси для элементов литейных прибылей с целью подогрева металла прибыли, теплоизоляционные материалы и составы, огнеупорные материалы для литейно-металлургического припаса (керамические элементы для литниковых систем, сетки для фильтрования металла, материалы для футеровки разливочных ковшей и т. п.). Кроме того, в составах формовочных и стержневых смесей используются многочисленные добавки для улучшения или достижения специальных свойств.

1. Добавки, снижающие внутреннее трение между частицами песка и улучшающие реологические характеристики смесей (сыпучесть, подвижность, формуемость, уплотняемость). К таким добавкам относятся поверхностно активные вещества (ПАВ), в частности, алкиларилсульфанаты (РАС, КЧНР, НБ, НЧЛ и др.).

При введении ПАВ в смеси в количествах до 0,1% улучшается сыпучесть смесей, что особенно важно при пескодувном и пескострельном способе изготовления стержней. При повышении их расхода до 0,2–0,55 и при дополнительном введении воды они проявляют пенообразующие свойства и позволяют перевести смесь при активном перемешивании в жидкоподвижное состояние (ЖСС).

2. Добавки для повышения живучести готовой смеси; для жидкостекольных смесей используют водные растворы едкого натра, для песчано-смоляных – добавки аминоспиртов, гликолей.

3. Добавки для повышения прочности смесей, устранения разупрочнения смесей при хранении: продукты синтеза глюкозы или продукты взаимодействия метиламина и полисахаридов (крахмалит).

4. Добавки, химически связывающие вредные выделения и улуч­шающие санитарно-гигиенические условия труда. Для связывания паров формальдегида при отверждении песчано-смоляных смесей используют добавки мочевины или других аминосоединений. Выделения высокотоксичного фенола при нагреве фенолсодержащих смол могут быть в значительной степени обезврежены при введении в смеси сильных окислителей (марганцевокислый калий, персульфат калия, кальциевая селитра).

5. Добавки улучшающие свойства форм и стержней:

1) добавки, улучшающие теплопроводность смеси. Благодаря действию этих добавок повышается скорость теплоотвода от жидкого металла, быстрее формируется его твердая корка в зоне контакта со стержнем (формой). К такого рода добавкам относятся порошки оксидов железа и марганца, металлические порошки (алюминия, железа, ферросилиция), чугунная или стальная дробь и т. д.;

2) добавки, препятствующие образованию газовых дефектов в отливках из черных сплавов. При термическом разложении азотосодержащих смол выделяются азот и водород, служащие причиной образования пористости и раковин в металле. Эффективным средством предупреждения газовых дефектов является введение тонкодисперсных порошков оксида железа или диоксида марганца. Эти же добавки препятствуют насыщению поверхности отливки углеродом (науглероживанию), что актуально при получении отливок из низкоуглеродистой стали.

В качестве материалов на основе оксидов железа применяется

сурик железный сухой для лакокрасочной промышленности ТУ 6–10–1216–72) – природный неорганический пигмент красно-коричневого цвета на основе красковых руд Криворожского месторождения;

3) противопригарные добавки. Примерами служат добавки, образующие блестящий углерод в ПГС (каменный уголь, пенополистироловая крошка, специальные масла и др.), добавки фторидов и серы, препятствующие окислению при заливке магниевых сплавов, и многие другие;

4) добавки, легирующие поверхностный слой металла. Добавки этой группы вводят, как правило, в состав противопригарной краски. При контакте с жидким металлом легирующая добавка диффундирует из краски в поверхностный слой отливки, придавая ему требуемые специальные свойства. Например, добавки карбида бора, феррохрома служат для повышения твердости поверхностного слоя отливок из черных сплавов; добавки теллура, свинца, серы, сурьмы, висмута и их соединений снижают твердость поверхностного слоя металла и улучшают его механическую обрабатываемость;

5) добавки для улучшения податливости стержней при высокотемпературном нагреве. Вследствие силового взаимодействия отливки и формы в начальные моменты остывания в затвердевшем металле развиваются внутренние напряжения, которые могут привести к образованию в отливке горячих трещин. Для улучшения податливости формы используют выгорающие добавки (древесную муку или опилки, пенополистироловую крошку и т. п.) или волокнистые и высокопористые молотые материалы (асбест-крошка, вспученные перлит и вермикулит и т. п.). Для высокотермостойких смоляных связующих возможно внедрение добавок пластификаторов (дибутилфтолат, глицерин) или окислителей (КМnO₄, NaNO₃) 6. Добавки для улучшения выбиваемости смеси. Кероген непылящий (ТУ 38.10940–75) – однородный порошкообразный концентрат сланца, смешанного со смягчителем – нефтяным маслом ПН-6.