Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

Окончание табл. 4.12

Модифицированные силикатные связующие, полученные в процессе автоклавного растворения силикат-глыбы в водных растворах модификаторов, отличаются от исходного жидкого стекла большинством физико-химических свойств (табл. 4.13), оказывающих влияние, как на процессы смесеприготовления, так и на свойства смесей. Следует отметить, что сополимеры акриловых соединений (ПАА) и целлюлозы (NA-КМЦ) приводят к некоторому улучшению смачиваемости, т.е. к уменьшению краевого угла смачивания связующим кварцевой подложки, что должно приводить к облегчению процесса смесеприготовления.

В связи со структурообразованием модифицированных силикатных связующих происходит достаточно большое увеличение удельной прочности пленки связующего на разрыв, характеризующей ее когезионную прочность в неотвержденном состоянии. Полученные результаты подтверждают тот факт, что введение в связующий материал таких активных функциональных групп, как –СОNН2, -СОNН, - СООН, ≡N, =NН, -NН2 и другие, приводит к увеличению его молекулярной когезии и удельной прочности пленки МСС на разрыв.

Особое внимание следует обратить на то, что некоторые модификаторы, особенно сополимеры акриловых соединений (ПАА), наряду с повышением силикатного модуля оказывают существенное влияние на уменьшение порога коагуляции, что повышает реакционную способность МСС.

111

Использование модификаторов приводит к существенному уменьшению напряженного состояния отвержденных пленок МСС. При этом если наиболее активные в отношении адсорбции на поверхности силикагеля полимеры акрилового ряда приводят к снижению величины напряжений как у образцов, отверждаемых углекислым газом, так и пропиленкарбонатом, то менее активные (Na-КМЦ и ее производные, ПВС, ПФН) эффективно снижают напряжение только у образцов, отверждаемых пропиленкарбонатом.

Известно, что когезионная прочность такой системы, как образующийся в результате твердения под действием СО2 или пропиленкарбоната гель кремниевой кислоты, зависит от радиуса взаимодействующих между собой глобул, уменьшение которого приводит к росту когезионной прочности. Таким образом, автоклавное модифицирование жидкого стекла приводит к получению связующих со значительно более высокой удельной поверхностью продуктов твердения по сравнению с исходным жидким стеклом, что обусловливает к повышение когезионной прочности пленок отвержденных МСС.

Кроме уменьшения размеров глобул силикагеля адсорбированные на их поверхностях макромолекулы модификатора выполняют еще и функцию мостиковых связей между отдельными глобулами, что также положительно сказывается на увеличении когезионной прочности отвержденной системы.

Следует отметить, что МСС обладают несколько большей адгезионной прочностью по сравнению с исходным жидким стеклом. В табл. 4.14 представлены некоторые сравнительные примеры этого параметра для связующих, отвержденных углекислым газом, пропиленкарбонатом.

Таблица 4.14

Адгезионная прочность отвержденных МСС (модуль исходной силикат-глыбы 2,6)

113

Подобное повышение адгезионной прочности МСС объясняется участием в формировании адгезионных связей с силоксановыми и силанольными группами кварцевой подложки функциональных групп, внесенных в структуру связующего материала модифицирующими добавками.

Отвердители жидкостекольных связующих по своему агрегатному состоянию можно разделить на три основные группы (табл. 4.15):

1)газообразные;

2)порошкообразные;

3)жидкие.

Таблица 4.15

Основные виды отвердителей жидкостекольных связующих материалов

114

Окончание табл. 4.15

Углекислый газ (СО2) – бесцветный газ, тяжелее воздуха. Для отверждения форм и стержней по СО2-процессу используют технический продукт (ГОСТ 8050-85. Реакция отверждения ЖС):

Na2O 2SiO2 aq + CO2 + 6H2O Na2CO3 + 2Si(OH)4 aq + 2H2O. (4.25)

Удельный расход СО2 составляет обычно 0,5-1,5 дм3/г ЖС. Количество СО2, необходимое для достижения максимальной прочно-

115

где К – коэффициент, зависящий от содержания ЖС (А) и размера зерен наполнителя для песка Например, при А = 5...7 масс. % и размерах зерен песка 0,2 мм К 1.

Следует отметить, что диоксид углерода является одинаково эффективным отвердителем как жидкого стекла, так и модифицированных силикатных связующих материалов.

Отвердителями на основе двухкальциевых силикатов являются побочные продукты производства: феррохромовый шлак (ФХШ), нефелиновыйшлам, электропечные, доменные, мартеновские шлакии др.

Продукт реакции гидратации С2S и взаимодействия продуктов гидратации с ЖС – гидросиликат (Na2O)m(CaO)n(SiO2)p(H2O)q – является основной структурообразующей фазой.

В литейном производстве наибольшее распространение получил ФХШ (поставщики – Челябинский электрометаллургический комбинат, Серовский ферросплавный завод). Минералогический состав

ФХШ, масс. %: -C2S – 65, -C2S – 5, шпинели типа MgO Al2O3, FeO(Al, Cr)2O3 – 20-25.

Поставляемый ФХШ (ТУ 14-11-95-74) должен удовлетворять следующим требованиям: массовая доля СаО 48%; влажность 1,5%; удельная поверхность 1800-2000 см2/г. Для освобождения от посторонних примесей (корольков металла, шлаковых кусков) ФХШ должен быть просеян на заводе-потребителе через сито с размером

ячейки 0,5 мм. Транспортирование и хранение ФХШ должно исключать возможность его увлажнения.

Активность ФХШ возрастает с увеличением его удельной поверхности и снижается с повышением влажности.

В качестве отвердителя может использоваться нефелиновый шлам – побочный продукт производства глинозема из нефелиновых руд. Основной поставщик – Пикалевский глиноземный комбинат

(РФ). Минералогический состав – 80-85 масс. % -C2S. Нефелиновый шлам (ТУ 48-0113-11-0-78) характеризуется сле-

дующими показателями: массовая доля СаО 50%; влажность 2,5%; удельная поверхность 7000-9000 см2/г. Требования к транспортированию и хранению шлама такие же, как и для ФХШ.

Антипирен из нефелина по химической природе – комплексный аммонизированный феррифосфат. Нетоксичный порошок марки В согласно ТУ 6-0,8-34-76 характеризуется следующими показателя-

116

ми: массовая доля общего Р2О5 48%; водорастворимого Р2О5 4 %; рН водной вытяжки 4-5, содержание аммиака 4%, содержание

влаги 1%, остаток на сите с диаметром отверстий 0,056 мм 3%. Изготовитель – Гомельский химзавод.

Жидкие отвердители сложноэфирного типа – прозрачные маловязкие жидкости от бесцветного до желтого цвета, иногда интенсивно окрашенные специальными красителями, плотностью 10801150 кг/м3, с характерным эфирным запахом. Реакция отверждения ЖС включает стадии:

–диффузии сложноэфирного отвердителя (СЭО), ограниченно растворимого в ЖС, в микрообъемы ЖС;

–гидролиза СЭО в щелочной среде:

где R – кислотный остаток (ацетат-ион или карбонат-ион);

R – спиртовой радикал (этиленили пропиленгликоля или глицерина);

– нейтрализации образовавшейся кислоты НR (уксусной или угольной):

– повышения модуля жидкого стекла в результате связывания Na2 O (NaOН), следствием чего является образование твердого силикагеля, формирующего прочность смеси.

Промышленно пропиленкарбонат и его кубовые остатки производятся с содержанием основного продукта (пропиленкарбоната) до 96 масс. %. Пропиленкарбонат – санитарно-гигиенически и экологически безопасный материал. Жидкие отвердители силикатных связующих материалов весьма перспективны, так как обеспечивают существенные технологические преимущества по сравнению с порошковыми отвердителями (удобство хранения, транспортировки, дозирования, уменьшения расхода жидкого стекла, улучшения свойств смесей).

117

4.3. Органические неводные связующие материалы

Неводные (гидрофобные) органические связующие материалы в настоящее время используются в основном в технологиях изготовления стержней, отверждаемых тепловой сушкой в единичном и мелкосерийном производстве отливок.

Стержневые смеси и стержни, изготовленные с применением этих материалов, отличаются следующими свойствами:

1. Прочность стержней после высушивания достаточно высокая. При правильном изготовлении стержней каждый процент связующего материала в смеси (за вычетом растворителя) сообщает высушенному стержню прочность на разрыв не менее 0,5 МПа (удельная

прочность 0,5 МПа/%).

2.Прочность смесей в сыром состоянии низкая и составляет

0,0025-0,0035 МПа.

3.Стержневые смеси при отсутствии глины обладают высокой текучестью, что позволяет изготовлять из них тонкие стержни достаточно сложной конфигурации.

4.Высушенные стержни практически негигроскопичны и обладают большой поверхностной прочностью.

5.Связующие материалы отличаются небольшой газотворностью, что, во-первых, позволяет до минимума свести риск образования газовых дефектов в отливках, а, во-вторых, их использование не ухудшает экологическую ситуацию в литейномцехе иза его пределами.

6.Связующие обеспечивают возможность применения стержней без окраски противопригарными покрытиями.

Учитывая вышеперечисленные преимущества, органические неводные связующие рекомендуется применять в составах смесей при индивидуальном и мелкосерийном производстве стержней I и II классов – наиболее ажурных, с тонкими сечениями, имеющих малочисленные тонкие стержневые знаки.

Основным недостатком этого класса связующих является невозможность их применения в современных технологических процессах изготовления стержней (Cold-box, Hot-box и др.), использующихся в массовом производстве отливок и являющихся наиболее эффективными.

Втабл. 4.16 указаны основные органические неводные связующие материалы и области их применения.

118

Таблица 4.16

Органические неводные связующие материалы теплового отверждения