Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

при продувке аэрозолем, скорость реакции на поверхности раздела газ – жидкость выше, чем на поверхности раздела жидкость – жидкость. Аэрозоль в массе стержня имеет тенденцию конденсироваться в более крупные капли, последние же (особенно в случае избытка амина) являются растворителем для полиуретана, т.е. могут разупрочнять отдельные зоны стержня.

Как и при использовании феноло-формальдегидных смол в других процессах возможно появление в отливках просечек. Для борьбы с этим браком в смесь вводится до 2% окиси железа. При этом прочность стержней не снижается. С этой же целью возможно снижение давления воздуха при вдуве смеси, а также уменьшение количества связующих в смеси, но в этом случае прочность стержня падает. В результате деструкции смоляных связующих при заливке металлом выделяется блестящий углерод, улучшающий качество поверхности чугунных отливок, но излишнее количество его приводит к образованию поверхностного дефекта – складчатости. Вероятность появления складчатости повышается при низкой температуре и низкой скорости заливки и турбулентности движения металла. Меры борьбы – повышение температуры и скорости заливки; введение в смесь, наряду с окись железа, сульфата аммония, а также подсушка стержней при температуре 150 0С. Имеет место также появление ситовидной пористости, но причиной ее в этом случае является не азот, а водород, выделяющийся из растворителей. Добавка 2,0-2,5% окиси железа достаточна для ликвации этого вида брака.

Учитывая то, что система связующих материалов в совокупности с катализатором при продувке и отверждении стержня является экологически опасным объектом Cold-box–амин-процесс в обязательном порядке требует использования как индивидуальных средств защиты, так и эффективной вентиляции на всех позициях, включая заливку. Газы, содержащие амины, перед выпуском в атмосферу должны в обязательном порядке быть очищены. Для этого используется несколько способов очистки: 1) сбор газов и их дожигание; 2) отходящие газы поступают в скруббер, наполненный материалом с большой удельной поверхностью, на который разбрызгивается серная или фосфорная кислота, нейтрализующие амин; 3) скруббер заполняется перфорированными пластинами, на которые также подается нейтрализующая жидкость. Обе системы требуют второй секции для отделения влаги от воздуха перед выпуском его в атмосферу; 4) собранный остающийся газообразный амин пропускается с большой скоростью через ванну 7%-ным раствором фосфорной кислоты; 5) воздух, содержащий амин, продувается через слой гранулированной ионообменной смолы, извлекающей амин. Недостатком ионообменной очистки является необходимость частой промывки смолы в растворе серной кислоты.

Разновидностью Cold-box–амин-процесса является разработанный в середине 80-х годов ХХ века Cold-box–plus-процесс, основным отличием которого является: нагрев оснастки до температуры 70-80 0С. За счет этого достигается снижение расхода третичного амина примерно на 20%, увеличение скорости отверждения более чем в 2 раза, снижение расхода связующего на 20% и улучшение экологической обстановки на рабочем месте.

Основными преимуществами Cold-box–амин-процесса являются:

равномерное объемное отверждение стержня в течение нескольких секунд или продувки;

281

высокая прочность, обеспечивающая возможность изготовления стержней самой сложной конфигурации;

минимальный суммарный расход связующего;

высокая производительность стержневых автоматов, обеспечивающая их использование в массовом производстве отливок;

высокое качество отливок;

легкая выбиваемость и регенерируемость. Недостатки процесса:

высокая стоимость материалов и оборудования;

жесткие требования к качеству песка;

токсичность и взрывоопасность катализатора.

SO2-процесс в зависимости от вида связующего материала подразделяется на две технологии: 1) фуран - SO2 и 2) энокси - SO2. Общим для обеих технологий является использование в качестве отвердителя связующей системы газообразного SO2. В состав смеси для фуран- SO2-процесса входят следующие компоненты (масс.%): обогащенный кварцевый песок – 96,7-98,1; фурановая смола – 1,4-2,2; органический пероксид (табл.4.23) – 0,5-1,1. В качестве отвердителя вяжущей системы используется газообразный SO2 (чистый или в смеси с воздухом).

Основные технологические параметры смеси: живучесть – 24 ч; разр, МПа, после продувки –

1,5-1,8.

В качестве связующих могут быть использованы такие фурановые смолы, как КФ-65С и ФФ65С, модифицированные силонами. При приготовлении смеси кварцевый песок вначале перемешивают со смолой, после чего в смеситель вводится органический пероксид (например, пероксид этилметилкетона – ЭМК, табл.4.23). Приготовленная смесь уплотняется в стержневом ящике пескодувным или пескодувным способом и продувается газовоздушной смесью, содержащей 25-40% SO2, которая после продувки направляется в нейтрализатор, аналогично Cold-box–амин-процессу, в котором SO2 нейтрализуется щелочью с образованием водорастворимых солей – сульфата и бусульфата натрия, которые после разбавления водой можно сливать в канализацию.

Механизм отверждения стержня связан с протеканием 2-х стадийной реакции, на первый из которых образуется кислота (10.3) (Н2SO4), являющаяся катализатором отверждения фуранового

(10.4)

282

придающего стержням высокую сухую прочность. Основные достоинства процесса: отсутствие литейных дефектов: ситовидной пористости и газовых раковин; низкая газотворность, высокая живучесть и выбиваемость.

Недостатки процесса, связанные с применением SO2: токсичность, химическая агрессивность, что требует строгого соблюдения правил техники безопасности.

Betaset-процесс основан на применении в качестве связующего материала фенолформальдегидной резольной смолы, содержащей в своем составе большое количество щелочи (едкого калия и едкого натра). При этом содержание свободного фенола в смоле не превышает 1%, а свободного формальдегида – менее 0,1%. Отвердителем такого связующего служат сложный муравьиновой кислоты – металформиат (см. § 4.7). Благодаря низкой температуре кипения (32 0С) метилформиат легко переводится из жидкого в парообразное состояние. Следует отметить, что этот материал является экологически чистым, что позволяет использовать этот процесс без нейтрализации продувочного реагента. Принципиальными отличиями газогенераторов для Betaset-процесса являются: необходимость подачи за короткое время большого количества парообразного метилформиата (обычно 20-50% по сравнению с 2-5% амина для Cold-box–амин-процесса).

Существует три основных принципиальных схемы конструкции газогенераторов для

Betaset-процесса:

1.«Расходные» генераторы преобразуют определенную порцию жидкого метилформиата в пар посредством сочетания нагрева и разбавления воздухом. После этого газовоздушную смесь (ГВС) немедленно подают в стержневой ящик. Для дозирования жидкого метилформиата могут применяться нагнетательный либо поршневой насос. Генераторы такого типа используются также для Cold-box–амин-процесса.

2.«Аккумулирующие» генераторы. В газогенераторах этого типа относительно большое количество метилформиата преобразуется в пар посредством нагрева. Пар содержится в равновесии с жидкостью в специальной камере (аккумуляторе) под давлением и при температуре выше температуры кипения до тех пор, пока не понадобится для продувки. Пар, расходуемый на продувку, возмещается путем интенсивного испарения в аккумуляторе. Определенное количество жидкого эфира поступает из расходного резервуара, и равновесие в системе восстанавливается очень быстро.

3.«Барботирующие» газогенераторы. Принцип действия основан на интенсификации испарения

метилформиата пропусканием через его массу потока воздуха или азота. Расход барботируемого газа по возможности изменяется.

Расходные генераторы при условии грамотной эксплуатации обеспечивают отверждение смеси при приемлемом уровне расхода метилформиата, однако они могут обслуживать только одну машину. Для обслуживания нескольких машин требуется применение других типов газогенераторов, позволяющих получать большие объемы газовоздушной смеси.

Из-за плохой растворимости метилформиата в смоле, содержащей большое количество воды, отверждение пленки связующего на поверхности песка происходит мгновенно, а через некоторый

284

промежуток времени (около 0,5 с). Поэтому независимо от генератора устройства для продувки газовоздушной смесью должны быть похожи. В соответствии со скоростью реакции между смолой и эфиром, а также в связи с высоким требуемым уровнем расхода метилформиата для полного отверждения стержневой смеси, газовоздушная смесь должна медленно проходить через отверждаемую смесь. Обычно продувка управляется системой контроля давления газа-носителя. В ходе продувкт давление должно поддерживаться на минимально возможном уровне, при этом не должно допускаться конденсации метилформиата. Обычно давление составляет менее 0,05 МПа. При применении низкого давления повышаются требования к устройству вентиляции оснастки для сокращения утечки паров из системы с целью более полного их использования.

В состав смеси для Betaset-процесса входят следующие компоненты (масс. %): обогащенный кварцевый песок – 97,5-98,5; водорастворимая щелочная фенолформальдегидная смола – 1,5-2,5. Смесь готовят в смесителях непрерывного или периодического действия, после чего с помощью пескодувного или пескострельного процессов осуществляют заполнение стержневого ящика, в котором стержень продувают в течение 20-30 с газообразным отвердителем, содержание которого находится в пределах 30% от массы связующего. Основные технологические свойства смеси следующие: живучесть – 3-4 ч, текучесть – более 80%, прочность на растяжение после продувки –

1,2-1,5 МПа.

Отверждение стержня происходит не католическим путем, а в результате химического взаимодействия отвердителя – метилформиата со смоляным связующим материалом. Схему реакции взаимодействия этих компонентов можно представить следующим образом (10.7):

(10.7)

Учитывая то, что эта технология не позволяет получать высокопрочные стержни, ее используют только для изготовления стержней III–IY классов сложности при получении отливок, как из цветных, так и черных сплавов.

Кроме вышеуказанных смесей с газообразной продувкой существует еще ряд технологий (Redset-процесс, Pep-set-процесс и др.), которые пока не нашли широкого применения в литейных цехах по ряду причин, основные из которых – недостаточная прочность после отверждения, высо-

285

кая газотворность, большая токсичность газообразных катализаторов и др.

Если говорить о снижении токсичности катализатора, то практически полностью лишен этого недостатка Carbophen (Resol-CO2)– процесс, в котором катализатором отверждения щелочной фенолформальдегидной смолы является углексилый газ – СО2. Смесь содержит следующие компоненты (масс. %): обогащенный кварцевый песок – 97,0-98,0; модифицированная гидроокисью калия фенолформальдегидная смола – 2,0-3,0; катализатор отверждения – СО2, расход которого 40-60% от массы связующего. Свойства такой смеси: живучесть – 4-6 ч, текучесть – более 75%, прочность на растяжение после отверждения – 0,9-1,2 МПа, газотворная способность – 10-14 см3/г. Процесс отличается простотой и не требует использования специального продувочного устройства газогенератора и нейтрализатора. Рекомендуется для серийного и единичного производства как альтернатива жидкостекольному СО2-процессу. После извлечения стержня из ящика происходит его упрочнение за счет остаточного СО2, при этом процесс можно ускорить подсушкой.

Основные достоинства процесса: связующее не содержит азота, серы и фосфора, содержание свободного фенола и формальдегида – менее 0,1-0,2%, что позволяет получать отливки без дефектов; не используются взрывоопасные, легковоспламеняющиеся и токсичные материалы.

Основной недостаток процесса: низкая прочность стержня, что позволяет использовать этот процесс для изготовления стержней только III–Y групп сложности.

Механизм отверждения смесей Carbophen-процесса заключается в том, что при продувке их СО2 происходит переход рН смеси из щелочной в кислую область, что интенсифицирует поликонденсацию фенолформальдегидного связующего материала по реакции (4.35).

Некоторые стержневые смеси на основе синтетических смол, как это следует из классификации (табл.10.1), способны отверждаться в результате продувки холодным и нагретым воздухом. Из этого типа смесей наиболее известными являются следующие.

Способ продувки уплотненных стержней воздухом имеет разновидности: продувка холодным и нагретым воздухом.

Syncore-процесс основан на отверждении смеси в результате испарения растворителя из смеси, содержащей связующее в летучем растворителе. Отверждение осуществляется при продувке стержня холодным сжатым воздухом или азотом при давлении 3-6 атм. в течение примерно 15 с (в зависимости от размера стержня). В качестве связующего используется полистирол, растворитель – смесь хлорированных углеводородов и керосинового дистиллята. Отношение смола: растворитель – 50:50. Общее количество связующего 3-5%. При 4% связующего смесь обеспечивает прочность на изгиб 0,20-0,25 МПа, на растяжение – 0,10-0,20 МПа. Процесс рекомендуется для изготовления стержней и форм массой 1-80 кг отливок из черных и цветных металлов. Смесь не содержит химического катализатора, можно приготавливать в любых смесителях периодического или непрерывного действия.

Живучесть смеси в закрытой емкости - до 10 часов. Свойства связующего Syncor: вязкость 500-1000 СП, плотность 1340-1370 кг/м3. Стержни изготовляют на пескодувных машинах. Каждой

286

из машин приданы 2 позиции отверждения стержней продувкой воздухом.

Преимущества процесса: использование холодного воздуха для продувки и высокая размерная точность стержней и форм. Недостатки процесса: применение указанных растворителей требует усиленной вентиляции, дорогой оснастки (как и для всех процессов с продувкой), низкая живучесть смеси.

W-Z-процесс заключается в отверждении стержней в оснастке продувкой нагретым возду-

хом.

Использование тепла для отверждения связующих в оснастке имеет явные преимущества, связанные с возможностью использовать широкую гамму связующих материалов, которые обеспечивают длительную живучесть смеси при обычной температуре и быстрое отверждение при нагреве. Большой выбор материалов позволяет отбирать связующие исходя из максимальной пригодности для литейного производства: малое содержание или полное отсутствие азота, хорошая выбиваемость, хорошая текучесть при уплотнении, малая стоимость.

W-Z-процесс позволяет получать стержни в стержневых ящиках, изготовленных из древесины, пластмасс и металлических материалов. При этом стержневые ящики снабжаются вентами для прохода горячего воздуха к каждой части отверждаемого стержня. Масса стержней, получаемых этим методом, 1-70 кг.

Время отверждения в зависимости от величины и сложности стержней из смесей на фурановой смоле составляет 20-180 с. Живучесть стержневых смесей зависит от условий уплотнения и отверждения стержней: для данного способа она колеблется от 10 мин до 5 ч. Добавки вводятся в

смесь в виде водных растворов. Наполнение и уплотнение стержневой смеси производится пескодувным способом при помощи вибрации или трамбовкой вручную.

Взависимости от типа материала (чугун, сталь или цветные сплавы) подбирают такие связующие, которые позволяют получать отливки без ситовидной пористости. Время продувки стержней устанавливается в зависимости от формы и размеров стержней. Ускоренное отверждение стержней горячим воздухом обеспечивает получение более высоких прочностных свойств по сравнению со стержнями, изготовленными из ХТС при одинаковом количестве связующих. Благодаря этому в ряде случаев расход связующих может быть сокращен.

Преимущества способа W-Z: нетоксичность применяемых материалов, возможность использования для изготовления стержней обычной оснастки, исключение использования растворителей типа ацетон и т.д. В зависимости от типа связующих воздух нагревается в электроподогревателях до температуры 160-315 0С.

При использовании фенольных смол температура воздуха 232 0С, время продувки 10 с, а при использовании фурановых смол – 149 0С и 20 с.

Всостав смеси для W-Z-процесса, как правило, входят следующие компоненты (масс. %): обогащенный песок – 100; карбамидно-фурановый связующий материал – 2,2-2,8; хромотрон (специальная добавка) – 0,1-0,4. Хромотроны представляют собой отработанные травильные растворы – многотоннажные отходы радиотехнической промышленности, содержащие ряд солей, ка-

287

тализаторов твердения – хлорное и хлористое железо, а также соляную кислоту.

Прочность при сжатии после продувки – 0,13-0,18 МПа, влажность – 0,3-0,4%. Продувка стержней производится через знаки с применением продувочной плиты в течение 1,5-4,5 мин воздухом при давлении 0,18-0,23 МПа, имеющим температуру 50-60 0С. При этом расход теплого воздуха составляет 0,3-0,8 м3 на 1 кг смеси. Процесс обладает следующими преимуществами – снижает расход связующего материала на 30-40%, увеличивается в 2-3 раза скорость отверждения, что позволяет использовать этот процесс в массовом и крупносерийном производстве отливок.

Из смеси на основе неорганических связующих, отверждаемых с помощью газообразных реагентов, наиболее известны жидкостекольные смеси для СО2-процесса.

Эти смеси, примеры составов и свойств которых представлены в табл.10.6, используются как для изготовления форм, так и стержней.

288

289

В состав смеси для изготовления форм допускается вводить вместо песка до 30% оборотной жидкостекольной смеси или 40-60% регенерата. Качественным регенератом в таком же количестве можно заменять песок и в составе стержневой смеси. Молотый уголь вводится в состав формовочной смеси в качестве противопригарной добавки, что позволяет в ряде случаев при получении немассивных отливок не окрашивать поверхность формы. Стержни же должны практически всегда подвергаться покраске, в связи с чем, необходимость введения в состав стержневой смеси противопригарных добавок отпадает. Но так как стержни со всех сторон окружены металлом, необходимо, чтобы они обладали хорошей податливостью. С этой целью в состав стержневой смеси вводят асбестовую крошку, древесную муку и другие аналогичные материалы. С целью улучшения выбиваемости в стержневую смесь можно вводить разнообразные добавки, выбор которых зависит от преобладающей температуры прогрева стержня.

Как показала практика, наиболее эффективно работающей в широком интервале температур прогрева стержня является добавка сланцевого материала, представляющего собой природный порошкообразный минерал, включающий 30-35% органического вещества и 65-70% минерального, представленного, в основном, карбонатом кальция. При прогреве стержня до 500-6000 С происходит деструкция органического вещества сланца и разрыхление отвержденной пленки жидкого стекла (это улучшает выбиваемость стержней, прогретых в интервале температур 280-600 0С). Дальнейшее повышение температуры прокалки до 800-9000 С приводит к разложению карбонатов кальция с выделением газовой фазы и оксида кальция, что также способствует ослаблению прочности пленки связующего материала и, как следствие этого, улучшению выбиваемости. Для этой же цели в Белорусском национальном техническом университете предложено использовать модифицированное различными материалами жидкое стекло. Лучшие результаты получены при использовании комплексных модификаторов, включающих органическую и неорганическую составляющие, например, полиакриламид и полифосфат натрия. Кроме того, использование модифицированного жидкого стекла позволяет сократить количество связующего в смеси до 3,0-3,5%.

Живучесть смеси для СО2-процесса обычно 3-4 часа, но лучшие результаты достигаются при использовании смеси сразу же после ее приготовления, которое можно осуществлять практически в любых смесителях непрерывного или периодического действия. Теоретическое количество СО2 для продувки составляет 0,2% на 1% связующего. На практике же это соотношение примерно составляет 1:1. Количество потребного для отверждения стержня углекислого газа зависит от количества и расположения вент в стержневом ящике, давления газа, метода продувки. Углекислота поставляется в виде сухого льда, в баллонах и в жидком виде. Время продувки зависит от размеров стержня, температуры смеси и СО2, количества и типа жидкого стекла; обычно оно менее 20 с. Стержни гигроскопичны и время их хранения сокращается при повышенной влажности воздуха цеха. Механизм отверждения этих смесей основан на протекании реакции взаимодействия (4.26) между жидким стеклом и углекислым газом, в результате чего образуется твердый силикагель, 2Si(ОН)4аq 2Н2О (см.реакцию 4.26), связывающий зерна наполнителя и придающий стержням и формам сухую прочность.

290