Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Все пластичные смеси не обладают самотекучестью, поэтому воспроизведение смесью поверхности модели осуществляется под внешним воздействием. При этом смесь уплотняют и частицы ее получают некоторую связь. Уплотненная форма должна удовлетворять следующим требованиям: не допускать деформацию формы под влиянием статического и динамического действия металла; исключать проникновение металла в поры (рыхлоты); не иметь местных переуплотнений, способствующих ужиминообразованию; должна обеспечивать направленный газовый поток от отливки наружу; не иметь повышенную плотность, препятствующую усадке. Уплотнение, которое обеспечивает эти требования, должно быть равномерным по высоте. Механизмы, обеспечивающие уплотнение, должны решать эти требования при высокой производи­тельности и экологичности. Процессы уплотнения разнообразны, широко исследованы и рационализированы. Однако многофакторность явления до сих пор не позволяет иметь однозначной степени оценки процессов уплотнения, так как они не всегда обеспечивают указанные требования и выбор их зависит от конкретного объекта и условий его изготовления.

Длительное время широкое распространение имел процесс уплотнения встряхиванием. При изучении процесса было установлено - зависимость между затрачиваемой работой на уплотнение и плотностью смеси; процессы перетекания смеси по контуру модели и условия образования рыхлот в местах ее поворота; переход смеси из пластичного состояния в упругое при встряхивании; два периода уплотнения — в момент удара за счет раскли­нивающего действия вышележащих песчинок и в период возвратного движения стола под влиянием упругого удара; благоприят­ное распределение плотности для получения направленного газового потока от отливки наружу и для отсутствия деформации под влиянием металлостатического давления. Все это указывает, что встряхивание являлось надежным и технологичным методом для уплотнения верхних полуформ и имелось наличие интереса к нему исследователей. При уплотнении встряхиванием нижних полуформ, как известно, происходило либо переуплотнение разъема, либо недоуплотнение нижней части формы. При сочетании встряхивания с допрессовкой профильными или универсальными ко­лодками и эта задача может быть решена. Однако существенные недостатки уплотнения встряхиванием (шум, энергоемкость из-за потери воздуха) уменьшили интерес к такому уплотнению, хотя некоторые зарубежные фирмы совершенствуют его и не отказываются от выпуска встряхивающих машин .

Наибольшее распространение получило уплотнение прессованием — вы­сокопроизводительный, бесшумный процесс. Однако при верхнем прессовании плоской колодкой создаются неравномерное уплотнение по высоте опоки и неблагоприятные условия для движения направленного газового потока от отливки наружу. Не обеспечивается также отсутствие деформации формы под влиянием металлостатического давления, ухудшаются условия воспроизведения смесью поверхности модели, особенно в узких местах, что приводит к соответствующим порокам отливок. Поиск путей создания равномерного уплотнения при прессовании привел к применению профильных колодок и их разновидностей, к прессованию под высоким давлением, к импульсному прессованию, а также к необходимости иметь смеси с повышенной текучестью.

Для получения равномерного уплотнения используют гибкую диафрагму, которая представляет собой своеобразную универсальную профильную колодку. Недостатком гибких диафрагм является их быстрый износ. Поэтому в массовом производстве используют многоплунжерные головки, где движение плунжеров осуществляется независимо друг от друга. Продвижение каждого плунжера зависит от возникающего сопротивления или уплотняемости смеси в зависимости от высоты моделей. Этим достигается равномерность уплотнения и пригодность ее для уплотнения форм различной сложности.

При уплотнении смеси под повышенным давлением относительно легко устраняются поры первого рода — между отдельными комплексами и труднее происходит уменьшение пор второго рода. Поэтому при повышении давления прессованием разница в плотности верхней и нижней части формы уменьшается. Однако при этом общая плотность увеличивается. Применение высоких давлений при прессовании вызывает ряд пороков: а) повышенное количество газовых раковин, для устранения которых применяют смеси с пониженной влажностью и с органическими добавками; б) повышенное ужиминообразование; в) образование трещин в удаляемых из полостей моделей болванов и их отрыв; г) повы­шенный износ и поломка оснастки. Поэтому интерес к этому методу уплотнения уменьшился. Тем не менее, использование прессования под высоким давлением при пониженном содержании влаги в смеси, например при битумно-бентонитных смесях (100 частей песка, 2 части битума, 4 части бентонита, 2 части воды), представляет интерес для стального литья, так как такие формы менее опасны с точки зрения насыщения стали водородом. Интенсивно разрабатывается высокоскоростное прессование (ВСП-процесс). Сущность этого процесса в том, что прессовая колодка массой 1—2 массы уплотняемой смеси ударяет по ее свободной поверхности со скоростью 6—8 м/с и вся смесь в опоке уплотняется за один удар.

На условия уплотнения при ВСП-процессе, по исследованиям  оказывают влияние: скорость движения частиц в момент удара; возникающий колебательный процесс слоев и частиц смеси; фильтрационные процессы внутрипорового воздуха. При этом процессе достигают равномерного уплотнения смеси. ВСП-процесс имеет ряд достоинств: расход воздуха ниже, чем при уплотнении встряхиванием; удельное давление на смесь и напряжения в смеси на порядок ниже, чем при статическом прессовании при высоком давлении, что уменьшает износ оснастки; шум в пределах допустимого и значительно меньше, чем при встряхивании. Процессом уплотнения можно управлять: количеством и расположением вент в оснастке; применением профильной колодки; приме­нением псевдосжиженной смеси, что может быть достигнуто вибрацией; вакуумированием воздуха из трудноуплотняемых мест оснастки. Уплотнять этим способом можно разнообразные смеси, но наиболее эффективно применять смеси маловлажные (3,0—3,5%) и с высокой прочностью (s_в = 0,14 - 0,16 МПа). При реализации указанных особенностей ВСП-процесс надежнее по сравнению с другими процессами уплотнения, уменьшается вероятность образования пороков в отливках и увеличивается их геометрическая точность.

Для увеличения равномерности уплотнения предложено предварительно уплотненную форму доуплотнять плитой со штифтами. При дальнейшем поиске путей бесшумного уплотнения пластичных смесей на базе прессования, но с устранением недостатка этого метода — неравномерное уплотнение опоки по высоте, исследования прошли следующие процессы:

1. Совмещение пескострельного процесса с механическим прессованием. При этом пескострельным процессом осуществляется предварительное уплотнение опоки у модели, а окончательное уплотнение — механическим прессованием. При таком комбинированном уплотнении достигается более целесообразное распределение плотности по высоте опоки, но наблюдаются недоуплотнения поднутренных мест и повышенный износ модели струей настреливаемой смеси.

2. Вибропрессовый. При этом процессе вибрация повышает текучесть вследствие уменьшения внутреннего трения, разрушения арок, уменьшения трения об оснастку. Вибрация способствует также тиксотропному разжижению. Все это способствует более равномерному уплотнению по высоте.

3. Вакуумно-прессовый. В этом случае засыпка смеси в опоку (ящик) и уплотнение прессованием осуществляются одновременно с отсасыванием воздуха из пор смеси, что улучшает равномерность уплотнения и уменьшает энергозатраты на уплотнение.

Перспективным методом уплотнения форм, разработанным в Советском Союзе и получившим распространение в ряде государств Запада, является газовое прессование, получившее название — импульсный метод. Метод заключается в том, что на опоку со смесью, установленную на плиту с отверстиями, накладывается емкость, в которой создается высокое давление либо воздуха, подаваемого из отдельного резервуара, либо путем взрыва над формовочной смесью газов. При этом смесь прессуется воздушной (газовой) подушкой и благодаря фильтрации воздуха (газа) через смесь создается равномерное уплотнение. Увеличение давления газов осуществляется за 0,1 с и давление может достигать 15—20 МПа, что требует проведения мероприятий по технике безопасности. Воздушно-импульсные установки работают при давлениях 1—1,5 МПа в Японии, Франции, ФРГ. По оценке процесса в работе установлено, что он обладает высокой производительностью, отсутствует шум, обеспечиваются равномерное уплотнение, высокая плотность у модели, хорошее уплотнение узких мест. Это делает импульсный метод наиболее универсальным и перспективным. Импульсный метод продолжает разрабатываться в вариантах импульсно-прессового — предварительное уплотнение сжатым воздухом под давлением 0,6—0,7 МПа и последовательная механическая подпрессовка. Так, например, японская фирма «Сейатсу», применив воздушное прессование с последующей механической подпрессовкой, исследовала такой комбинированный процесс и рекомендует его (на основании отзывов ряда зарубежных фирм), как наиболее надежный по сравнению с другими методами уплотнения.

Фирмой «Сейатсу» было проведено сравнительное исследование уплотнения встряхиванием и воздушным прессованием. Исследование проводилось в цилиндрической прозрачной опоке высотой 200 мм и диаметром 150 мм, в которую была установлена модель диаметром 65 мм, высотой 200 мм. При засыпке смеси через каждые 30 мм устанавливался цветной слой. Исследования показали: при воздушном прессовании твердость по высоте опоки изменялась от 80 до 10 ед. (на высоте 180 мм) по Дитерту, а при встряхивании — от 60 до 30 ед. на той же высоте, т. е. уплотнение воздушным прессованием обеспечивает на границе с плитой большую плотность, чем при встряхивании (80 и 60 ед.), а в верхней части опоки при воздушном прессовании плотность меньше, чем при встряхивании (10 и 30 ед.). При дополнительной подпрессовке механическими методами твердость оказалась: при встряхивании в нижней части формы 65 ед., а в верхней 90 ед. (не выше 160 мм), а при воздушном прессовании соответственно 88 и 93 ед., т. е. распределение плотностей более благоприятное при воздушном уплотнении с последующей механической подпрессовкой, чем при встряхивании с подпрессовкой.

Метод фирмы «Сейатсу» позволяет за счет расположения вент в плите осуществлять успешное формование глубоких полостей в модели. При этом замечено, что воздушные потоки проникают к вентам и на границе модель — формовочная смесь создают границы раздела, облегчающие отделение глубоких болванов из моделей с малыми формовочными уклонами (0,5°). Все это позволяет получать бесшумным процессом при малом давлении воздуха качественные отливки.

Разрабатывается метод прессования последовательными импульсами при низком давлении.

Пескодувные процессы применяются издавна при изготовлении стержней из высокотекучих смесей (песчано-масляных). Исследования пескодувных процессов были уже проведены в работах, а пескострельных в последнее время находятся в работе.

Пескодувно-пескострельные устройства имеют ряд разновидностей и служат как для уплотнения стержней, так и для уплотнения форм в сочетании с другими методами уплотнения.

Первоначальная схема уплотнения пескодувным процессом служила для уплотнения стержней из песчано-масляных смесей с малой сырой прочностью (до 0,1×10⁵ Па). По этой схеме стержневой ящик поджимают столом машины к плите с надувным отверстием, соединенной с пескодувным резервуаром. Резервуар смесью наполняется из отдельного бункера, а воздух поступает в резервуар через специальную головку. Воздух проходит через смесь, увлекает ее в наполняемый ящик, а сам выходит через венты, выполненные в ящике. При надувке смесей с сырой прочностью более 0,1×10⁶ Па было установлено, что при верхней подаче воздуха на газопроницаемую смесь последний проходит в основном через центральную зону и выдувает ее. Этим способом можно производить надувку только смесей с такой сырой прочностью, чтобы происходило самообрушение смеси с боков на место выдутой. Поэтому для пескодувных процессов смесей с сырой прочностью более 0,1×10⁵ Па были увеличены надувные отверстия с диаметром 10-12 до 15-25 мм, а для разрыхления смесей и ее обрушения вводятся механические разрыхлители и боковая подача воздуха, что позволило увеличить сырую прочность смеси.

При пескострельном процессе смесь загружается в резервуар с двойными стенками. Во внутренних стенках резервуара сделаны щелевые каналы, резервуар соединен с ресивером, наполненным воздухом под давлением и соединенный с резервуаром быстродействующим клапаном. При открытии клапана воздух через щели устремляется в резервуар и давит на смесь, которая выстреливает в стержневой ящик. Этим методом можно наполнять ящики смесью с повышенной сырой прочностью.

Исследование пескодувных процессов позволило установить ряд общих закономерностей, расширивших представления о физике пескодувного процесса.

Интерес к пескодувному процессу обусловлен высокой производительностью, равномерностью уплотнения, отсутствием шума.

Рассмотренные различные методы уплотнения формовочных смесей позволяют отметить:

- большинство методов имеют существенные недостатки и не удовлетворяют либо по экологическим причинам, либо они не удовлетворяют требованиям, которые предъявляют к уплотненной форме;

- все методы имеют резервы совершенствования по пути применения композиционных технологий (газовое прессование + механическая допрессовка, пескодувный процесс + механическая допрессовка и т. д.);

- наиболее надежными являются динамические методы и применение их перспективно.

Песчано-глинистые (ПГС) и песчано-жидкостекольные (ПЖС) пластичные смеси обладают пониженной текучестью по сравнению с песчаноорганическими смесями, а распространенность смесей ПГС и ПЖС требует разработки средств увеличения их текучести.

Жидкостекольные смеси также обладают тиксотропностью и повышают текучесть при вибрации, что подтверждается прямыми экспериментами.

Сравнительная оценка текучести (по равномерности уплотнения) песчано-бентонитных (прочность смеси в сыром состоянии 0,75×10⁶ Па) и песчано-глинистых смесей (прочность смеси 0,45×10⁵ Па) показала, что песчано-бентонитные смеси обладают лучшей текучестью при уплотнении с вибрацией, несмотря на более высокую прочность в сыром состоянии. Это можно объяснить тиксотропным разжижением песчано-бентонитных смесей, которые уплотнялись при давлении 2×10⁵ Па при частоте вибрации 150 Гц и амплитуде 0,17 мм.

Повышение рН смеси увеличивает тиксотропность глин и прочность смесей. При этом текучесть тиксотропных смесей зависит от метода уплотнения.

На прилипаемость оказывает влияние также химическое взаимодействие связующих с покрытием модели. Это происходит, например, при применении спиртовых лаков для моделей и жидкостекольных смесей для форм. В этом случае смола (например, канифоль), представляющая собой смесь абиетиновой кислоты С₂₀Н₃₀0₂ и ее ангидрида, вступает во взаимодействие со щелочью с образованием щелочных солей этой кислоты.

Между поверхностным покрытием модели и формовочным материалом образуются прочные связи, приводящие к прилипанию смеси и ее отрыву от формы. Взаиморастворимость покрытия модели и связующего происходит тем сильнее, чем ближе их полярности.

Особый интерес при химических методах отверждения приобретают вопросы водородопоглощения металлом из форм, что важно для стали. Однако следует учесть, что при продувке смеси на растворимом стекле газом, например СО₂, связанная вода в виде ортокремниевой кислоты менее вредно действует на водородопоглощение, чем вода капиллярная. Кроме того, как указывалось в п. 3.3, основной вред создает атомарный водород, который появляется в момент контакта с расплавленной сталью. Поэтому при быстром затвердевании (тонкостенное литье, малый перегрев) водородопоглощение может быть уменьшено. Кроме того, газофицирование углеродсодержащих материалов водой с получением молекулярного водорода также может уменьшить растворение водорода. Поэтому для тонкостенного литья и при условии, если к литью не предъявляется требований по низкому содержанию водорода, отверждение форм химическими методами вполне допустимо. В ответственных случаях, где недопустимо охрупчивание стали из-за поглощения водорода, тепловая обработка форм должна быть сохранена. При этом может быть осуществлена лишь поверхностная подсушка.

Материалы для формы должны удовлетворять как условиям их изготовления (уплотнение, отделение, упрочнение), так и свойствам расплавленной стали.

В первую очередь, материалы для форм должны обеспечить, огнеупорность, термостойкость, минимум водородсодержащих и углеродсодержащих элементов.

В качестве огнеупорной основы литейных форм для заливки стали остается кварцевый песок, который по огнеупорности удовлетворяет предъявляемым требованиям со стороны расплавленной стали. Возможность активного взаимодействия с окислами железа нейтрализуется огнеупорными покрытиями или условиями охлаждения отливок. Для того чтобы кварцевые пески удовлетворяли требованиям по огнеупорности, они не должны содержать плавней. Для форм на растворимом стекле пески не должны содержать глинистых составляющих. Свойства кварцевых песков неоднократно описывались в литературе.

Другие материалы - шамотные, цирконовые, корундовые, магнезитовые, хромомагнезитовые, металлические порошки — могут иметь применение для пластичных смесей в ограниченных случаях.

В настоящее время 55% отливок получают в песчано-глинистых формах (ПГФ). Для стального литья песчано-глинистые формы применяют как сырые, так и сухие. Потенциальные возможности сырых песчано-глинистых форм зависят от прочностных характеристик, которые способны развивать глины, сохраняя при этом достаточно высокую текучесть смесей. Прочность этих форм зависит от вида глин и их активности как связующего материала. Глины - водные алюмосиликаты и их связующая способность зависит от всех видов воды в ней (конституционной, кристаллизационной, цеолитной, адсорбционной, капиллярной). В литейном производстве используют каолиновые, монтмориллонитные и полиминеральные глины (ГОСТ 3226—77).

Глинистые минералы состоят из слоев различных атомов: кислорода, кремния, алюминия, водорода, калия. Эти слои образуют пакеты. Ионы в каждом пакете связаны валентными силами, а пакеты между собой — в каолине водородными связями, а в монтмориллоните — межмолекулярными. Слабая связь между пакетами монтмориллонита позволяет проникать между ними воде и увеличивать межплоскостные расстояния. Это вызывает набухание пакета и увеличивает объем в несколько раз, что создает его высокую связующую способность.

Для повышения связующей способности глин их можно подвергать активации, которая заключается в замене ионов Са, Mg, Fe, A1 диффузионного слоя глинистой частицы на ионы Na⁺. Это можно сделать обработкой, например, каолиновых глин и даже глин, содержащих примеси железа, раствором поваренной соли. При этом кроме активирования глин, что увеличивает сы­рую прочность песчано-глинистых смесей, щелочные элементы при их избытке вступают в реакцию с кремнеземом (диоксидом), что может увеличивать прочность при подсушивании.

На ионный обмен оказывает влияние рН воды, влажность кварцевого песка. Рационально смешивать глины разных видов, так как при этом их связующая способность увеличивается по сравнению с отдельно взятой глиной в равных количествах. Оболочка глины должна иметь оптимальную толщину с тем, чтобы было максимум контактов между песчинками через водно-глинистые манжеты, а в то же время, чтобы не было излишнего количества глины, уменьшающей пористость и газопроницаемость, смеси.

Песчано-глинистые смеси для сырой формовки должны содержать малое количество глины с высокой связующей способностью при минимальном количестве воды. Особо важное значение имеет распределение глины по поверхности зерен, что определяется условиями смешивания и вязкостью глинистой массы. Песчано-глинистые смеси для сухой формовки должны иметь большее количество глины и воды, чем для сырой. При этом уплотненные смеси обладают большей твердостью. Большие плотности, получаемые при набивке, и большее количество глины позволяют получать высокую прочность в сыром состоянии, но низкую проницаемость. После высушивания получают высокую прочность и высокую проницаемость за счет микротрещин, образующихся во время сушки, при удалении воды из каналов и от выгорающих добавок.

При высокой общей прочности сухих форм (в 5—7 раз больше сырых) поверхностная прочность у них мала, наблюдается осыпаемость. Упрочнение поверхности осуществляется за счет различных покрытий красками, а также проводятся работы по плазменному напылению силикатов и остекловыванию. Большие затраты на сушку песчано-глинистых форм могут быть уменьшены, если объемную сушку заменить поверхностной на малые глубины (4 - 5×10^{-3 м), что практикуется при поточном произ}водстве. Однако при заливке форм через длительное время после ее сборки влага поступает из глубинных слоев к рабочей поверхности формы. Например, если заливка форм производится через 2 ч после сборки, то глубина просушки должна составлять не менее 70-80 мм, что требует уже значительных экономических затрат. Для устранения этого недостатка и сохранения малых глубин просушки (8-10 мм) между просушенным и не просушенным слоями формы можно создать гидрофобную прослойку так же, как при керамизации литейных форм.

Если формы делают из высокоглинистых смесей с армированием металлическими прутками (полупостоянные шамотно-глинистые формы), то прочность их может быть получена в 15-20 раз больше, чем сырых. При применении кирпично-глинистых форм, где нагрузку жидкого металла воспринимает кирпич, прочность форм возрастает в 80-100 раз. Такие формы (стержни) после тепловой обработки получают уменьшенную газотворность, вследствие удаления воды и различных органических летучих, и увеличенную газопроницаемость за счет выгорающих добавок (прокладок). Однако эти технологии отличаются длительным циклом и в настоящее время применяются редко и только для уникальных отливок. Например, изготовление крупных гребных винтов с выкладкой горок из кирпича и при формовке шаблоном, который вращают по винтовой линии.

Жидкое стекло — водный раствор силиката натрия. Выпускается в виде глыбы (ГОСТ 13079—81) марок А, Б, В с различным силикатным модулем (содовой варки) и марок А, Б — содово-сульфатной варки. Для литейного производства предусмотрен выпуск глыбы с силикатным модулем 2-3. Так как с увеличением модуля отверждение ускоряется, то, чем длительнее цикл изготовления форм, тем должен быть меньше модуль применяемого стекла. Жидкое стекло, используемое в литейных цехах с модулем 2-3, имеет по массе 50-60% воды, а остальное — сухой  остаток. В сухом остатке кроме SiO₂ и Na₂O имеется до 0,6% в виде примесей различных оксидов Fe, Al, Ca.

Употребляемое жидкое стекло контролируется по плотности, силикатному модулю, а в последнее время — и по порогу (началу) коагуляции. Силикат глыба, полученная по ГОСТ 13079—81 в водном растворе, представляет собой коллоидную систему частиц Na₂Si₂0₂, Na₂Si0₃, эвтектики Na₂Si0₂ + SiO₂, ионы Na⁺, Н⁺, ОН⁺, SiO⁺. Наличие ионов щелочного элемента в растворе жидкого стекла делает раствор щелочным.

Первоначально песчано-жидкостекольные формы подвергались тепловой сушке. Отверждение достигалось за счет потери влаги жидким стеклом. Обезвоженное стекло при остаточной влаге 0,5% дает стекловидную пленку с высокой прочностью смеси — в 7—8 раз больше, чем смеси, отвержденной при продувке углекислым газом. Однако прочность форм, отверждаемых продувкой СО₂, была технологически достаточной и химическая «сушка» начала вытеснять тепловую. При прохождении СО₂ через поры песчано-жидкостекольной формы происходит отверждение с выпадением гелеобразной массы ортокремниевой кислоты H₄Si0₄ и соды (карбонат или бикарбонат). Установлено, что сначала образуется карбонат Na₂CO₃, количество которого при продувке постепенно уменьшается, а увеличивается количество бикарбоната, так как происходит реакция

Na₂CO₃ + СО₂ + Н₂О > 2NaHCO₃.                  (5.1)

Увеличение бикарбоната снижает механические свойства смеси и создает неравномерность свойств по сечению отверждаемой формы.

При введении в смесь твердых или жидких отвердителей упрочнение происходит по всему объему. Такие смеси называют само твердеющими. Для этих смесей используют различные мате риалы, содержащие силикат кальция (феррохромовый шлак, портландцемент и др.).

При отверждении ферросилицием также образуется ортокремниевая кислота. Особенностью отверждения ферросилицием является выделение водорода, делающего процесс взрывоопасным, а также то, что реакция экзотермична, что способствует дегидратации при отверждении смеси.

Отверждение также возможно антипиреном — аммониевые металло-фосфаты.

При отверждении антипиреном смеси хорошо выбиваются.

Для отверждения используются также различные эфиры— эфир угольной кислоты, пропиленгликоль и др. В этом случае смеси обладают улучшенной выбиваемостью, используются для стального литья.

Перспективно применение композиций: жидкое стекло — этил-силикат, жидкое стекло — синтетические смолы.

При применении всех видов вышерассмотренных отвердителей происходит выпадание геля ортокремниевой кислоты, подвергающейся поликонденсации.

На формирование связей между конденсатом и зернами песка сказывается влияние гидратации его поверхности. Несмотря на несовершенство связей между конденсатом ортокремниевой кислоты и зернами кварцевого песка, она остается достаточно высокой для получения прочности смеси (15-30)×10⁵ Па.

Менее совершенной является связь между конденсатом и зернами из других материалов, гидратация которых не происходит подобно кремнезему. Связь между конденсатом и кристаллическим кварцем также менее активна по сравнению с кварцевым стеклом.

При связывании растворимым стеклом материалов, на поверхности которых отсутствуют гидроксильные группы, следует применять отверждение за счет обезвоживания. При химическом отверждении вода остается в материале, а это почти равносильно заливке в сырые формы. Поэтому применение таких смесей для сплавов, склонных к водородопоглощению, нежелательно.

Пластичные песчано-жидкостекольные смеси при изготовлении стальных отливок получили широкое применение, так как эти смеси относятся к экологически более чистым, чем смеси с органическими связующими. Кроме того, эти смеси в большинстве случаев позволяют устранить трудоемкую и энергоемкую операцию тепловой сушки.

Песчано-жидкостекольные смеси обеспечивают большую надежность по сравнению с другими смесями по устранению пороков по вине формовочных материалов. Однако эти смеси имеют органические недостатки: плохую выбиваемость из отливок и трудную регенерацию из-за химического взаимодействия кварцевого песка с растворимым стеклом. Несмотря на эти существенные недостатки, растворимое стекло прочно удерживается как связующее для пластичных смесей, а особенно для пеносмесей.

Вместе с тем происходит интенсивный поиск средств, которые обеспечивали бы сохранение положительных свойств песчано-жидкостекольных смесей и устраняли бы их недостатки. Положительные свойства могут быть сохранены, если будут использованы неорганические связующие, но без органических добавок (сохраняется экологическая чистота), и если эти связующие не будут вступать в химическое взаимодействие с огнеупорной зерновой основой.

Улучшить выбиваемость можно при замене кварцевых зерен шамотом, хромомагнезитом, металлической дробью, которые не вступают в активное химическое взаимодействие с растворимым стеклом. Однако такие смеси дорогие.

Выбиваемость можно улучшить и при применении кварцевых песков, но при одновременной замене растворимого стекла другими неорганическими связующими. В настоящее время разработаны связки на базе гидроалюминатов (гидролюм). Такие смеси не токсичны, быстро отверждаются и легко выбиваются из отливок. Быстрое схватывание гидролюма обусловлено высо­ким содержанием в нем трехкальциевого алюмината (ЗСаОА1₂О₃) и для управления затвердеванием используют добавки, например, лигниносульфонатов (ЛСТ), что, правда, ухудшает экологическую чистоту смеси. Предложено также использовать в качестве отвердителей фосфаты (0,2—0,3%), которые замедляют скорость отверждения, или гидроокиси щелочных и щелочноземельных металлов, которые увеличивают скорость отверждения.

Смеси с гидролюмом можно использовать при производстве стальных отливок с толщинами стенок 100 мм и более.

Поиск решения проблемы регенерации и выбиваемоcти песчано-жидкостекольных смесей привел также к применению ортофосфорной кислоты (Н₃РО₄), получаемой при взаимодействии фосфорного ангидрида (Р₂О₅) с водой (Р₂О₅ + ЗН₂О = 2Н₃РО₄). Кислота Н₃РО₄ не токсична, широко применяется в народном хозяйстве, а в последние годы и как связующее для формовочных смесей, которые исследованы и получили значительное применение. Исследования были сосредоточены, главным образом, на поиске в системе МеО—Р₂О₅—Н₂О отвердителей, для чего использовались оксиды двух- и трехвалентных металлов, которые содержат пыль электросталеплавильного производства, крокус, железорудный концентрат, алюминиевую пудру, каустический магнезит и другие порошки. В результате появились различные связующие: железофосфатные, магнийфосфатные, алюмофосфатные и др. Формовочные и стержневые смеси с этим связующим позволяют получать формы с высокой прочностью, термостойкостью, податливостью, с малой газотворностью, что обеспечивает получение качественных стальных отливок в экологически чистых условиях. Разработан ряд активаторов отверждения (оксиэтилен-дифосфоновая кислота, аминосилан, полиглицерин и др.), которые обеспечивают отверждение фосфатных смесей в холодной оснастке. При кратковременном нагреве этих смесей происходит увеличение адгезии фосфатных связующих к наполнителю и рост когезионной. прочности связующих, способствующих уве­личению прочности фосфатных смесей в 1,5—2 раза.

При выдержке на воздухе форм или стержней из фосфатных смесей наблюдается их разупрочнение, что можно предохранить пленками, самовысыхающими противопригарными красками.

Находят применение вновь пластичные смеси на основе технических лигнино-сульфонатов. Использование различных синтетических смол для пластичных смесей обеспечивает изготовление стержней с высокой прочностью, а быстрое их отверждение позволило получить стержни непосредственно в оснастке с соответствующей точностью без механических доводок. Отверждение стержней происходит как в горячей оснастке, так и в холодной за счет катализатора.

Для получения смесей на синтетических смолах с достаточной текучестью используют смолы с низкомолекулярной массой в несколько тысяч (олигомеры), а для получения стержней (форм) с высокой прочностью производят полимеризацию с получением молекулярной массы смолы несколько десятков тысяч.

В литейном производстве наибольшее распространение получили синтетические смолы на базе фенола, фурана, карбамида с различными сочетаниями.

Примеры применяемых синтетических смол для холоднотвердеющих смесей представлены в табл. 2.1.

Применение феноло-формальдегидных смол рассмотрено для плакированных сухих песков.

Технологии получения смол различны и протекающие реакции при этом описаны в литературе по химии полимеров.

Интерес представляют формальдегидокарбамидные, меламино-формальдегидные смолы. Карбамид CO(NH₂)₂ имеет две активные аминогруппы NH₂, которые являются бифункциональным веществом, легко реагирующим с альдегидами. Меламин C₃H₃(NH₂)₃ имеет три активные группы NH₂. Меламин, являясь трифункциональным веществом, еще более активно, чем карбамид реагирует с формальдегидом при процессе конденсации. В связи с большой разветвленностью «сшивок» меламино-формальдегидные полимеры обладают высокой прочностью.

Таблица 2.1

Синтетические смолы, применяемые для холоднотвердеющих смесей

Смола	Катализатор (отвердитель)	Содержание связующего в смоле, %	Время достижения манипуляторной прочности, мин	Средняя прочность через 21 ч, 105 Па
Фенолфурановая	Сульфокислоты	1,5 — 2,0	20 — 30	30 — 35
Карбомиднофу-	Ортофосфорная	1,2 — 2,0	3 — 5	40 — 45
рановая	кислота
Фурановая	Сульфокислоты	1,4 — 2,0	5 — 7	30 — 35
Фенолформальде-
гидная	Сульфокислоты	1,2 — 2,0	3—5	30 — 35
Алкидная	Изоцианаты (соли	1,1 — 1,8	5 — 7	40 — 50
	нафтеновых ки- слот)
Фенольно-изо-	Жидкие амины	1,0-1,7	2 — 3	40 — 50
цианатная
То же	Амины в виде	1,0—1,5	За период	30 — 40
	аэрозолей		продувки

Меламино-формальдегидные олигомеры можно отверждать не только при нагревании, но и на холоде в присутствии катализатора (щавелевая, соляная, фосфорная кислоты, хлориды аммония и др.). Однако наличие азота в этих смолах, который выделяется при термодеструкции, может дать газовые пороки азотного происхождения, что особенно опасно для стальных отливок.

Перспективно применение смол на базе фурана, при синтезе которого используется фурфурол. Фурфурол по существу имеет неограниченную сырьевую базу, так как его получают из растительных, восполнимых пентозосодержащих отходов. Фуриловый спирт С₄Н₃ОСН₂ОН, получаемый каталитическим гидротированием фурфурола, перспективен для изготовления форм и стержней. Фурфурол и фуриловый спирт обладает высокой реакционной способностью как при нагревании (в горячей оснастке), так и при наличии катализаторов (кислоты, хлориды) - холодное отверждение. Фурфурол легко взаимодействует с фенолом, ацетоном, формальдегидом, карбамидом и позволяет создавать ряд композиций.

Практика применения фурановых смол для формовочных смесей уже достаточно длительная (с 1960 г.) и она показала целесообразность их использования для стержней и форм при производстве стального литья. В смеси вводят 1% фурановой смолы. Затвердевают эти смеси при нормальной температуре в присутствии кислого катализатора, добавляемого 20-30% от количества смолы. Используют фосфорную кислоту с концентрацией 65-85%(неорганический катализатор), а также некоторые органические катализаторы. Для увеличения прочности в смесь вводят 0,1-0,2% силана (прочность увеличивается на 30-40%).

Смеси для стального литья должны быть с минимальной газотворностью, что можно достигнуть за счет малого содержания смолы (1%) с силановыми связями, обеспечивающими прочность стержней и форм. Такие смеси выделяют меньше газов, чем даже смеси с 2% самовысыхающего масла.

Смеси на фурановых смолах технологичны (хорошая уплотняемость, пониженный расход смеси, быстрое отверждение) и обеспечивают получение отливок с повышенной точностью размеров. По сравнению с другими смоляными смесями они экологически более чистые. Смеси регенерируют механическими методами.

В качестве связующих для стержней используют алкидные смолы и полиуретаны. Алкидные смолы — продукт взаимодействия трехатомного спирта С₃Н₈О₃ — глицерина с фталевыми кислотами (продукт окисления ксилолов). При нагревании фталевой кислоты получают фталевый ангидрид, а поликонденсация фталевого ангидрида с глицерином дает глифталевый или алкидный полимер. Эти полимеры хрупки и нестойки в воде. Для устранения этого недостатка их модифицируют высыхающими маслами с получением алкидно-масляных олигомеров, а в дальнейшем пластичных полимеров.

Синтетические смолы в настоящее время подвергаются силанизации, т. е. применяют композиции, состоящие из органических смол и кремнеорганических соединений - силанов. Цель силанизации - увеличение адгезионной способности смол к поверхности зерен, где силаны должны играть роль промежуточной прослойки. В целом силанизация увеличивает прочность смесей. Добавка 0,05-0,3% силана от массы смолы увеличивает прочность в 1,5-2 раза, а это позволяет снизить содержание смолы от массы зерновой основы до 0,8-1,2% и улучшить свойства стержней в целом.

Несмотря на значительные успехи по применению синтетических смол и возрождение лигнино-сульфитных смесей все же представляется, что для стального литья, особенно толстостенного и легированного, более надежно использовать смеси на неорганических связующих, обладающих большей экологической чистотой и уменьшающих вероятность образования пороков газового (особенно водородного) происхождения. Выбор связующего для пластических смесей необходимо производить не только из соображений экологической чистоты и технологичности процессов формообразования, но и с учетом состава конкретного сплава и номенклатуры отливок.

Все водные и неводные пластичные смеси состоят из компонентов, которые перемешивают — от этой операции зависит качество смеси. Кроме многих известных факторов, влияющих на результат перемешивания (время, температура, вязкость связующих и др.), в последнее время обращают внимание на перемешивание в бегунах песков до введения связующих. При таком перемешивании возникают трибоэлектрический эффект и новые поверхности кварцевых зерен с ненасыщенными валентными связями, которые имеют высокую энергию и реакционную способность.

При перемешивании таких активированных песков со связующими улучшаются текучесть, уплотняемость, прочностных свойств смеси.

Сухие смеси и суспензии являются самотекучими, но эти смеси начали находить применение в практике литейного производства лишь в последние десятилетия.

Самотекучесть смесей послужила основанием для того, чтобы они получили название наливные (НСС) и жидкотекучие (ЖСС), хотя природа этих смесей отлична от других самотекучих смесей и их правильнее называть пеносмесями. Приготовляют их на многих связующих, но основным связующим для пеносмесей ЖСС и НСС остается пока растворимое стекло.

Успех получения пеносмесей определяется условиями образования пены. Пена издавна используется в различных областях техники, и получение ее зависит от легкости замешивания в жидкости воздуха, что облегчается с уменьшением поверхностного натяжения жидкости и прочностью адсорбированных пленок, которые мешают слиянию пузырей. Пеносмеси изготовляют из следующих материалов.

1. Кварцевый песок (ГОСТ 2138— 84) от К01 до К0315 (глинистых составляющих не более 0,7%). Реже применяют пески с глиносодержанием до 0,3%. Могут быть также использованы хромистый железняк, циркон, оливин или другой огнеупорный материал.

2. В качестве отвердителя чаще всего используют феррохромовый шлак (50% СаО, 30% SiO₂, остальное Сг₂О₃, А1₂О₃). Основной составляющей феррохромового шлака является 78% 2СаО-SiO₂ или нефелиновый шлам, в котором содержится 80—85% 2СаО-SiO₂. Можно применять также Са(ОН)₂. При растворении двухкальциевого силиката в жидком стекле СаО достигает 1,1%. Под влиянием СаО жидкая фаза теряет устойчивость и застудневает. Твердение начинается при концентрации СаО более 0,3%.

Жидкое стекло (ГОСТ 13079—81) с модулем М = SiO₂/Na₂O =  =2,2…2,6. Можно применять содовое (лучше) или
сульфатное стекло.

В качестве пенообразователей используют ДС-РАС (паста РАС), детергент советский рафинированный алкилариловый сульфонат (алкил-радикал углеводорода, от которого отнят водород, например, метан СН₄ — углеводород, а метил СН₃ — алкил; если от бензольных углеводородов отнять один атом водорода, получают арил С_вН₆ — бензол, а С_вН₅—фенил (арил).

Контакт Петрова дает кислую реакцию, разлагает растворимое стекло, поэтому его обычно предварительно нейтрализуют щелочью. В настоящее время контакт Петрова применяют редко. Некаль (ГОСТ 686—54) — (смачиватель НБ) QH₉C₁₀H_eO₃ —-натриевая соль сульфированного продукта конденсации нафталина с бутиловым спиртом.

Контакт черный нейтрализованный рафинированный (КЧНР)- водный раствор алюминиевых солей нефтяных сульфокислот с нейтральной реакцией, выпускается по ТУ 3022—74. Этот контакт обеспечивает хорошее пенообразование (кратность пены 3, 2, устойчивость до 40 мин).

В качестве пеногасителей применяют бутиловый и амиловый спирт. Гашение пены может быть самопроизвольным в том случае, если пеннообразователи будут переходить из адсорбционного слоя в раствор,    т.е. будет происходить десорбция пенообразователя. Это имеет место при применении КЧНР. Примерный его состав: 95—97% песка К 016, 3-5% шлака феррохромового, 7,5—8,5% жидкого стекла [модуль 2,7—3,2; плотность 10³ * (1,28 ÷ 1,32) кг/м³]; 0,1% ДС-РАС; 0,1% смачивателя НБ.

Твердые составляющие (песок, отвердитель) перемешивают отдельно, а затем производят совместное перемешивание с остальными компонентами в течение 5—6 мин. Смеси готовят часто в обычных бегунах, но чем интенсивнее и длительнее перемешивание, тем больше происходит замешивание воздуха и тем меньше предельное напряжение сдвига и тем, следовательно, больше текучесть смеси.

Пена получается при определенной влажности и зависит от ПАВ. Пенообразователи высокого качества дают пену при 2,0% воды, среднего качества — при 2—3% , низкого — при более 3,0% (сверх 6% жидкого стекла плотностью 1,5-10³ кг/м³). Приготовленные пеносмеси заливают в стержневые ящики или опоки.

Под влиянием пеногасителей и времени пена опадает — уменьшается объем, а под влиянием отвердителей смесь в ящике затвердевает. Время твердения составляет примерно 60 мин. Так как твердение происходит по всему объему одновременно, то время твердения не зависит от объема формы. При твердении смеси происходит усадка и охватываемые смесью элементы модели или стержневого ящика сильно сжимаются. Для облегчения удаления модели они должны иметь гладкую поверхность и их следует по­крывать химически стойкими лаками или эмалями.

Обычно применяемые пеносмеси обладают следующими свойствами: плотность пены (1,27-1,28)×10³ кг/м³, после опадения пены плотность составляет 1,3—1,4 («набитая» форма имеет плотность 1,6×10³ кг/м³), а прочность — около (3 ÷ 10)×10⁵ Па. Формы, полученные из пеносмесей, обладают повышенной пористостью, имеют пониженную теплопроводность. Газопроницаемость пеносмеси равна нулю, но при распаде пены она возрастает и достигает 400-600 ед., что в несколько раз больше, чем газопроницаемость пластичных смесей на жидком стекле.

Большая пористость вызывает повышенный пригар, и окраска таких форм обязательна. С увеличением столба пены повышается гидростатический напор и способность смеси воспроизводить поверхность модели возрастает. Плотность меняется по высоте. Чем больше высота падения пены, тем лучше заполняемость.

Вибрация повышает текучесть, степень уплотнения и способность смеси воспроизводить поверхность. На гашение пены вибрация оказывает малое влияние. С повышением количества влаги устойчивость пены улучшается. Для пеносмеси нужны чистые кварцевые пески. Пеносмеси обладают повышенной прилипаемостью к модели (к ящику). Пеносмеси на растворимом стекле хотя и имеют широкое применение, но особенно эффективно их применение в индивидуальном и мелкосерийном производстве. Это связано с тем, что для крупных форм и стержней процесс уплотнения на станках затруднен, а процесс уплотнения пневматической трамбовкой трудоемкий. При применении пеносмесей уменьшаются или устраняются каркасы, отпадает сушка, но остается подсушивание после окраски. Процесс гигиеничен и не вызывает производственных шумов. Имеется опыт изготовления форм из пеносмесей для крупных станочных отливок массой 15-30 т и для отливок с толщинами стенок 120-150 мм. Пеносмеси с успехом применяют при изготовлении шлаковозных чаш (масса 15 т).

Несмотря на успех этих смесей, использование их вызывает и трудности, к которым могут быть отнесены:

1) потребность в чистых кварцевых песках, хотя при применении глинистых песков тоже возможно разжижение, если добавить в смесь фосфаты, например, Na₄P₂O₇, перед введением в смесь ПАВ, или пески гидрофобизировать;

2) пониженная выбиваемость, хотя выбиваемость лучше, чем пластичных жидкостекольных смесей, так как формы из пеносмесей более рыхлые, чем из пластичных смесей; кроме того,можно улучшать выбиваемость добавками в смесь алюминатов, шамота, перлита, вермикулита;

3) трудности регенерации, так как щелочные силикаты, окружающие песчинки кремнезема, взаимодействуют с ними; щелочной силикат при этом повышает свой модуль и не растворяется в воде.

Однако современные методы сухой и мокрой регенерации позволяют решить эту задачу.

Разработаны самотвердеющие фосфатные смеси на базе композиции: ортофосфорная кислота в сочетании с окислами железа. Такие смеси используют при изготовлении стальных отливок. Твердение их происходит при взаимодействии фосфатов с окси­дами железа FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃, которые добавляют в смесь в виде железной окалины. Фосфатные смеси затвердевают в течение 20-30 мин и в конце периода затвердевания имеют прочность (12-14)×10⁵ Па. Упрочнение смеси (затвердевание) связано с образованием фосфатов двух видов: фосфатов двухвалентного железа и фосфатов трехвалентного железа.

Фосфаты двухвалентного железа легко превращаются на воздухе в фосфаты трехвалентного железа. Этот переход из-за перестройки структуры фосфатов железа приводит к разупрочнению формовочной смеси.

При выдержке на воздухе смесь частично разупрочняется и за сутки прочность может уменьшиться на 50-60%. Особенно заметно разупрочнение на поверхности, где вследствие испарения и недостатка воды продуктами твердения являются нестабильные фосфаты двухвалентного железа. Этому же способствует миграция ортофосфорной кислоты внутрь стержня вследствие явления термовлагопроводности.

Для уменьшения разупрочнения необходимо в технологическом процессе предусматривать средства, обеспечивающие отсутствие потери влаги на поверхности стержней (выдержка в ящике, нанесение покрытий и др.). Скорость твердения смесей регулируется введением лимонно-кислого аммония. Фосфатные смеси имеют меньшую деформацию при нагреве, чем песчано-жидкостекольные, лучшую выбиваемость.

Состав фосфатных смесей: 93—95% песка, 5—7% окалины, 5—6% ортофосфорной кислоты, 0,4—0,6% пенообразователя, 0,3—0,4% лимонно-кислого аммония. Такие смеси лучше регенерируются. Надежный пенообразователь не разработан.

Представляют интерес для стального литья смеси с цементом. В этом направлении работает ряд иностранных фирм и ЦНИИТмаш. Смесь с цементом обладает хорошей выбиваемостью.

Получают применение смолы для пеносмеси с цементом, который служит отвердителем. Такие смеси по сравнению с песчано-жидкостекольными обладают более легкой выбиваемостью, лучшей податливостью. Все пеносмеси пористые и для улучшения качества поверхности отливок формы следует покрывать керамическими суспензиями. Такие керамизированные формы после поверхностной тепловой обработки обеспечивают высокое качество поверхности.