Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

Особенностью связующей системы является то, что отверждение начинается не сразу после смешивания, а через некоторый промежуток времени, поэтому смесь после приготовления не теряет текучести. Реакция образования полиуретана протекает без образования побочных продуктов – равномерно во всем объеме. Отверждение проходит очень быстро. Практически при времени живучести смеси 5 минут время выдержки в оснастке 6,5 минуты, причем, конечная прочность не снижается, если смесь используется даже перед окончание времени живучести, что выгодно отличает эту систему от всех других холоднотвердеющих смесей.

Вкачестве наполнителя используют кварцевые, цирконовые

ихромитовые пески с низким содержанием мелких фракций. Эффективным считается применение песков с зернистостью 02, 016.

Важным параметром является рН песка. Щелочные пески

301

вызывают ускорение отверждения, кислотные замедляют его. Оптимальная температура смеси 27-32 0С. Повышение температуры выше 32 0С снижает живучесть смеси из-за испарения растворителя. Кроме того, если применяется 4,4 МДИ (метилендифенилдиизоцианат), то появляется запах изоцианата, что отрицательно сказывается на санитарно-гигиенических условиях труда.

При смесеприготовлении используются порционные смесители непрерывного действия. Обязательным условием является возможность полной выгрузки смеси сразу после остановки смесителя. Жидкие компоненты должны подаваться насосами. Катализатор либо предварительно смешивается со смолой, либо вводится в

песок перед смесеприготовлением. Количество катализатора 2-10% от массы фенолформальдегидной смолы. Общее рекомендуемое количесвто связующего до 2%.

Соотношение смолы и изоцианата зависит от вида сплава и составляет обычно 50:50; 55:45; 60:40. Смесь обладает хорошей текучестью (более 75%), при уплотнении ее рекомендуется применение вибрации. Прочность на сжатие через 60 минут после отверждения составляет 3,5-5,0 МПа.

Необходимость нанесения противопригарных покрытий зависит от вида сплава и конфигурации отливок. Нанесение водных красок рекомендуется сразу после изготовления стержней, что увеличивает их прочность. Спиртовые краски можно наносить не ранее чем через 10 минут после изготовления, в противном случае стержни теряют прочность.

Фенолоуретановые маложивучие ХТС более распростране-

302

ны в США, в Европе их применяют меньше, предпочитая Cold-box- амин-процесс.

В фенолоэфирных ХТС в качестве связующего (в количестве 1,3-1,5%) используются специальные щелочные фенольные резольные смолы. В качестве отвердителя применяются жидкие сложные эфиры (в количестве 0,3-0,6%), имеющие высокую температуру кипения. В процессе отверждения происходит экзотермическая реакция взаимодействия смолы и отвердителя, в результате которой стержень приобретает сухую прочность на сжатие более 4,0 МПа (через 60 минут твердения).

Этот процесс рекомендуется для получения отливок из различных сплавов, и особенно для стальных отливок. Благодаря очень низкому содержанию свободных мономеров в смоле, а также слабому запаху отвердителя, значительно улучшается состояние атмосферы на рабочем месте при смесеприготовлении и уплотнении стержней.

Окраска стержней и форм может осуществляться как спиртовыми, так и водными красками. В случае применения водных красок обязательна последующая сушка, при этом прочность стержней повышается.

Основные достоинства процесса: наличие широкой гаммы отвердителей, определяющих скорость отверждения от «медленных» до «быстрых» с низким содержание азота и серы, которые обеспечивают стабильность процесса в любое время года; низкие требования к содержанию влаги и температуры песка; низкая токсичность.

303

Широкое использование процесса ограничивается из-за относительно невысокой прочности смеси.

10.5.2. ЖСС на основе органических связующих материалов (ОЖСС)

Как уже указывалось в § 9.3, жидкие самотвердеющие смеси на основе жидкого стекла, обладая рядом неоспоримых преимуществ, имеют и ряд серьезных недостатков, ограничивающих их более широкие области применения. К ним, в первую очередь относятся: повышенная хрупкость, недостаточно высокая прочность после отверждения и затрудненная выбиваемость стержней из отливок.

Во многом лишены этих недостатков так называемые ОЖСС, приготавливаемые на основе не жидкого стекла, а органических связующих материалов. Наибольшее применение из таких смесей нашли ОЖСС с лигносульфонатами (ЛСТ), отверждаемые хромовым ангидридом СrО3. Примеры составов таких смесей и их свойства приведены в табл.10.9 и 10.10.

304

305

Процесс приготовления ОЖСС аналогичен такому же процессу получения ЖСС и протекает в две стадии:

приготовление жидкой композиции;

приготовление ОЖСС (рис.9.4).

Учитывая то, что хромовый ангидрид является высокотоксичным материалом, подготовка жидкой композиции должна осуществляться в отдельном, специально подготовленном, помещении, откуда композиция по трубопроводу подается в отдозированном количестве в смеситель.

Для повышения термостойкости смеси в нее добавляют глину в количестве до 3%. При большом глиносодержании снижается текучесть ОЖСС. Механизм отверждения этих смесей основан на том, что под действием окислителя СrО3 при его взаимодействии с ЛСТ образуются свободные феноксирадикалы лигносульфатов, которые образуют сетчатую структуру, связывающую зерна наполнителя и придающую смесям прочность после отверждения. Учитывая высокую токсичность и экологическую опасность хромового ангидрида, для уменьшения его количества или полного исключения из состава ОЖСС можно применять другие отвердители этих смесей. Например, при добавке хлорида меди CuCl2 2H2O, сульфата меди

306

CuSO4 5H2O и хлорида железа FeCl3 6H2O в количествах соответственно 0,1; 0,2; 0,4 % можно снизить содержание СrО3 в два раза. При применении в качестве отвердителя смеси персульфата аммония (NH4)2S2O8 и феррохромового шлака СrО3 вообще исключается из состава смесей.

Кроме ОЖСС с лигносульфонатами известен еще ряд технологий использования наливных смесей с органическими связующими материалами. Так, в Польше был разработан Synflo–процесс с использованием смеси на синтетическом смоляном связующем и ПАВ. Этот процесс сочетает преимущества жидких смесей, не требующих уплотнения, и хорошую выбиваемость смоляных. В одном из вариантов этого процесса используется синтетическая смола, не содержащая фурилового спирта, отвердитель – ортофосфорная кислота. Состав смеси (масс.%): ортофосфорная кислота – 0,2; строительный гипс – 0,5-1,0; пенообразователь – 0,1-0,3; кварцевый песок

– остальное. Свойства смеси: текучесть – 18-19 см, продолжительность отверждения – 10-40 мин, газопроницаемость – 300 ед. прочность на сжатие через 3 ч отверждения 0,8-1,2 МПа.

Смесь изготавливается в непрерывных смесителях специальной конструкции, предусматривающей подачу воздуха. Ее заливают в стержневые ящики или опоки, разъем производится через 2 ч, сборка и заливка – через 2 ч, сборка и заливка – через 4-6 ч. Стержневые ящики изготовляют из дерева, пластмассы или металла и покрывают нитролаками или эпоксидными, но предпочтительно полиэфирными смолами.

307

В Англии в качестве связующих в составах ОЖСС применяются фенольные или фурановые смолы в сочетании с кислыми катализаторами, содержащими ПАВ. Общее количество жидкой композиции около 4%. Во Франции в смесь вводят 1-2% фурановой смолы, 0,9% катализатора и 1% воды. Французский процесс отличается от принятой в Англии технологии тем, что самоуплотнение смеси достигается после разрушения пены. Таким способом получают высокую прочность при низком содержании связующего, но это отражается на качестве стержней, имеющих усадку при твердении. В Англии процесс основан на использовании специальных смесителей, способствующих вовлечению воздуха в жидкость, что повышает стабильность пены. Смесь заполняет стержневые ящики до начала реакции, снижающей ее жидкоподвижность , усадки при твердении не происходит. Время твердения не менее 30 мин. При окрашивании противопригарными красками обеспечивается хорошая поверхность отливок. Недостатки – высокая стоимость смесей и медленное твердение.

Поскольку безазотистые фурановые смолы дефицитны и дороги, предпринимаются попытки использования мочевино- формальдегидно-фурановых или феноло-формальдегидно- фурановых смол. С целью предотвращения снижения прочности смеси в связи с ее низкой плотностью смолы модифицируют силанами в количестве 0,3% от массы смолы. Кроме того, максимальное содержание воды не должно превышать 1,75% при сохранении высокой текучести смеси. При невысокой общей прочности поверхностная прочность стержней из жидкоподвижных самотвердеющих

308

смоляных смесей достаточно высокая, что способствует получению отливок с чистой поверхностью.

Всостав смеси входят кварцевый песок и два жидких компонента – смола и кислотный катализатор, выполняющий функции ПАВ. Для лучшего вспенивания при смесеприготовлении создаются участки «переувлажнения» (большой концентрации катализатора в песке в одном месте), где инициируется образование пены, а затем во вспененное состояние переходит весь объем смеси, после чего вводится смола.

Вготовой смеси жидкой фазой является композиция смола – катализатор в виде пены, распределенной на зернах песка. Жидкоподвижное состояние зависит от устойчивости пены, что особенно важно на стадии заполнения стержневого ящика, где стабильность пены обеспечивает подвижность смеси.

Если смесь не используется сразу после изготовления и остается

всмесителе длительное время, пена опадает и смесь теряет текучесть, так как повышается вязкость пленки смолы в процессе ее затвердевания при действии катализатора.

Втипичных случаях при времени твердения смеси в ящике 2530 мин стабильность пены должна быть около 4 мин. Особенности жидкоподвижных песчано-смоляных смесей определяют выбор смесеприготовительного оборудования. Обычные смесители непрерывного действия обеспечивают большую живучесть смеси и соответственно длительное время твердения. Поэтому они могут быть использованы только при изготовлении крупных форм и стержней.

Ввысокоскоростных смесителях периодического действия с

309

вращающейся чашей цикл перемешивания составляет 2,5-3,0 мин. Стержни массой 100-200 кг заливают за 4-5 с. В высокоскоростном смесителе непрерывного действия перемешивание длится менее 5 с при частоте вращения вала 500 об/мин. Производительность смесителя составляет 16 т/ч. Катализатор вводят в начало желоба смесителя, а смолу в середину его, когда смесь уже перешла в жидкоподвижное состояние.

В соответствии с классификацией (табл.10.1) на основе неорганических связующих материалов изготавливают также ЖСС и ПСС с жидким стеклом, а также песчано-цементные и – фосфатные смеси, составы и свойства которых, а также особенности форм и стержней изложены в параграфе 9.3.

310