книги / Формовочные материалы

как разность между влажностью, соответствующей нижней границе текучести, и влажностью, соответствующей пределу раскатывания.

1.5.4. Использование различных марок глин

Формовочные глины рекомендуется применять в составах пес- чано-глинистых смесей в зависимости от метода формовки и материала отливки. Например, глины вида Г и П применяются при ручной формовке, так как меньше осыпаются, глины вида М (обладающие большой связующей способностью) – механизированном производстве. При обычной машиной формовке применяют глины вида К. Для чугунных отливок со стенками толщиной 10–50 мм и мелких стальных при формовке по-сырому рекомендуется применять глины марок I–III / 1–3 Т1, для остальных отливок со стенками толщиной более 20 мм при формовке по-сырому – глины марок I-II / 1–3 ( Т1– Т3), априформовкепо-сухому– глинымарокI–III / 1–2 ( Т1– Т3).

Глину выбирают с учётом обеспечения требуемой прочности формовочной смеси, её долговечности, условий образования на отливках наименьшего пригара. При этом следует иметь в виду, что при введении в формовочную смесь большого количества глины с высокой термохимической устойчивостью (ТХУ) огнеупорность смеси может оказаться ниже, чем при введении небольшого количества глины с низкой ТХУ. Например, за счёт замены каолинитовой глины меньшим количеством высокосвязующей бентонитовой глины можно сохранить достаточную прочность, увеличить огнеупорность смеси.

1.6.Органические связующие

1.6.1.Органические связующие. Характеристика групп

Стержни, выполняя внутренние полости в отливках, должны обладать прочностью, податливостью, огнеупорностью, газопроницаемостью, негигроскопичностью, малой газотворной способностью. Перечисленные свойства невозможно обеспечить с помощью глины как связующего материала. Кроме того, стержни почти всегда имеют более сложную конфигурацию, чем формы, а при сборке

41

формы стержни должны обладать высокими физико-механическими свойствами. Такие требования к стержням издавна заставляли использовать для приготовления стержневых смесей различные связующие материалы (крепители), обеспечивающие необходимые фи- зико-механические свойства смесей. Мы уже отмечали, что связующие делятся на органические и неорганические. Рассмотрим теперь органические связующие более подробно. Их можно разде-

лить на следующие группы: лигносульфонаты; растительные и

минеральные масла; природные смолы; искусственные смолы.

Лигносульфонаты – соли сложного состава лигносульфоновых кислот, которые получаются при производстве сульфитной целлюлозы и входят в состав сульфитного щелока. Это связующие: сульфатная барда, СП, СБ, сульфитно-дрожжевая бражка. К этой же группе относятся декстрин, крахмалит, пектиновый клей. К растительным и минеральным маслам относятся: льняное масло, олифа, к минеральным маслам: П, ПТ, ПК. Существуют комбинированные связующие, относящиеся к группе масляных связующих. Это, например, связующее 4ГУ – раствор растительного масла и канифоли в уайт-спирите. Природные смолы – это канифоль, торфяной и древесный пеки, битумы. Искусственные смолы (в таблице классификации связующих группа Б1): пульвербакелит, УКС, МФ17, М, КФ90 и другие. Жидкие и твердые фенолформальдегиды, мочевиноформальдегидные и фурановые термореактивные смолы применяют в качестве связующих при изготовлении оболочковых форм и стержней.

1.6.2. Лигносульфонаты

Эти связующие относятся к классам Б-2 и Б-3 (см. табл. 3, классификация связующих), они водорастворимы, хорошо смешиваются с глиной, поэтому, как правило, используют их вместе. Формовочная глина придает стержневой смеси необходимую прочность во влажном состоянии, а связующее упрочняет смесь после сушки стержня.

Барда сульфитного щелока – побочный продукт переработки древесины. В литейном производстве используют выпаренную

42

сульфитную барду плотностью 1,25–1,3 г/см2, содержащую около 50 % сухого остатка, называют её литейным концентратом барды жидкой (ЛКБЖ). Сульфитную барду, выпаренную до плотности 1,4 г/см3 и содержащую 76 % сухого вещества, называют литейным концентратом барды твёрдой (ЛКБТ). Концентрат барды твёрдой с содержанием не менее 87 % сухого остатка выпускают в виде порошка марки КБП. Жидкую барду используют без обработки, твёрдую барду перед использованием растворяют. Сульфитный щёлок, из которого получается сульфитная барда, – это раствор, содержащий сложные органические соединения и соли: 25 % углеводов, 60 % солей лигносульфоновых кислот, 15 % солей кальция и незначительное количество смол и жиров.

На основе сульфитной барды разработаны комбинированные связующие: СП, состоящее из 95 % (по массе) сульфитной барды и 5 % окисленного петролатума; СБ, содержащее 80–90 % сульфитной барды и 10–20 % связующего ГТФ. Сульфитную барду, связующие СП и СБ вводят в формовочные и стержневые смеси в количестве 1,5–3 %. Температура сушки 160–180º С. Относительная прочность, сообщаемая концентратом сульфитно-спиртовой барды, составляет всего 0,5 кг/см2 / 1 %, но в отличие от других крепителей концентрат барды повышает прочность смеси при добавлении в смесь глины. Так, при введении 3 % глины в песок К02 относительная прочностьповышаетсядо1,4 кг/см2 / 1 %.

Декстрин – продукт обработки крахмала слабой кислотой при небольшом нагреве – используют в комбинации с другими связующими, а также для приготовления клея для стержней. Патока – жидкие отходы свёклосахарного производства. Стержни, полученные из смесей на патоке, обладают хорошей податливостью. Патоку используют также для опрыскивания поверхности стержней с целью придания им поверхностной прочности.

Связующие групп Б2, Б3 быстросохнущие, гигроскопичные. Прочность стержней на этих связующих в сыром состоянии мала – 0,1–0,25 кгс/см2, после сушки 5–8 кгс/см2. Количество их в смеси обычно 4–5, реже 6 %. Эти связующие недефицитны и дёшевы, хорошо комбинируются с многими другими связующими или добавками в стержневую смесь.

43

1.6.3. Растительные и минеральные масла

Лучшими крепителями, придающими стержневым смесям исключительно высокие физико-механические свойства, являются растительные масла. Несмотря на свою дефицитность, растительные масла и сейчас применяют в литейном производстве при изготовлении особо ответственных и сложных отливок, а эффективность новых связующих материалов оценивается в сравнении с маслами.

Тонкие стержни особо сложной конфигурации делают из песчаномасляных смесей, так как масляные крепители позволяют получать стержни самого высокого качества. Песчано-масляные смеси обладают высокой газопроницаемостью, хорошей пластичностью и не прилипают к стенкам ящика. Стержни совершенно негигроскопичны и могут храниться длительное время, очень прочны в сухом состоянии. Например, льняное масло дает на технологической пробе удельную прочность на разрыв не ниже 6 кг/см2 на 1 % связующего. Газотворность стержней невелика, так как количество крепителя относительно мало. Податливось и выбиваемость стержней очень хорошие: песок, потерявший связь после разрушения скрепляющих оксиновых плёнок, «вытекает» изотливок.

Технологическим недостатком песчано-масляных смесей является низкая прочность стержней в сыром состоянии и отсюда необходимость пользоваться фасонными сушильными плитами – драйерами. Низкая прочность песчано-масляных стержней во влажном состоянии объясняется малым поверхностным натяжением масла. Для повышения прочности в смесь можно добавить глину, но это уменьшит прочность стержней в высушенном состоянии.

Связующее действие масла заключается в том, что оно обволакивает каждую песчинку и в процессе сушки окисляется с образованием плотной пластичной плёнки, состоящей из сложного соединения – линоксина. Процесс окисления масла протекает быстрее при повышенных температурах и в присутствии катализаторов. Оптимальная температура сушки песчано-масляных стержней 200– 220ºС. При более низкой температуре процесс сушки заметно удли-

44

няется, а при температурах выше 250ºС стержни начинают терять прочность вследствие того, что линоксиновая плёнка чрезмерно окисляется и частично обугливается. К масляным связующим относится и олифа, которая представляет собой растительное масло с добавкой катализатора, ускоряющего процесс сушки.

Процесс окисления масла является необратимым. Поскольку более или менее надёжного способа определения способности масел поглощать кислород не существует, то её сравнивают с аналогичной способностью масла поглощать йод в присутствии некоторых химических реактивов. Эта способность масла поглощать йод характеризуется йодным числом. Средняя величина йодного числа некоторых масел составляет: льняного – 185, конопляного – 153, подсолнечного– 125, хлопкового – 105, касторового – 85.

Кроме растительных масел в литейном производстве применяются масла из нефтепродуктов и сланцев. К связующим на основе масел из нефтепродуктов относят петролатум, растворенный в уайтспирите в отношении 1:1 (связующее П). Недостатки этого связующего – сравнительно высокая прилипаемость, низкая поверхностная прочность стержней и большая продолжительность их сушки. С целью устранения указанных недостатков на основе петролатума были разработаны другие связующие (ПТ, ПК) с улучшенными свойствами. К этой же группе связующих (органических химически твердеющих связующих) относят комбинированные связующие, изготавливаемые смешиванием нескольких связующих, что уменьшает расход дефицитных масляных связующих. К таким связующим относят 4ГУ – раствор растительного масла и канифоли в уайтспирите. Это связующее выпускается двух видов: высыхающее 4ГУ (в) и полувысыхающее 4ГУ (п)1. Высыхающее 4ГУ вступает в реакцию быстрее, чем полувысыхающее. Перечисленные связующие (см табл. 3, группы А-1 и А-2) вводят в стержневые смеси в количестве 1,5–2 %. Температура сушки этих смесей 200–220º С. Прочность стержней на основе этих связующих в сыром состоянии невысока: σсыр = 0,05…0,08 кг/см2; после сушки σсух = 9…12 кгс/см2.

1 4ГУ – вместо растительного масла – раствор битума.

45

1.6.4. Природные смолы (пеки, битумы)

Природные смолы – крепители, расплавляющиеся при нагревании. Они обволакивают зёрна песка тонким слоем и, затвердевая при охлаждении, образуют прочную плёнку, связывающую зерна песка между собой. Типичным представителем этой группы является канифоль – смесь смоляных кислот, получаемая путём отгонки летучей составляющей сосновой смолы. Канифоль присутствует во многих комплексных крепителях, но редко применяется в качестве самостоятельного крепителя, так как даёт незначительную прочность (не более 1 кг/см2/1%) в сухом состоянии. Во влажном состоянии прочность смеси формируется только за счёт воды и глины, так как канифоль вводят в смесь в виде порошка. Другие связующие этой группы – пеки и битумы. Это самые тяжёлые фракции каменноугольной и древесной смол. Используются в литейном производстве, например, нефтебитум, буроугольный пек. Это, как правило, твёрдые продукты, полностью не растворяющиеся ни в одном растворителе. Эти продукты расплавляют и в горячем состоянии смешивают с ССБ и глиной. Например, связующее КТ содержит 45…50 % торфяного пека, 35…30 % ССБ и ≈ 20 % формовочной глины. Эта смесь представляет из себя пасту, однородность которой не нарушается. ГТФ – генераторная тяжёлая фракция, получается из сланцевой смолы. В отличие от других продуктов группы А3 (см. табл. 3) ГТФ – жидкий продукт. Большинство крепителей этой группы добавляют в смесь в виде суспензии с глиной. Только древесный пек, как и канифоль, вводят в стержневую смесь в виде порошка. Смеси на крепителях данной группы имеют хорошую прочность в сухом состоянии и совершенно негигроскопичны. Недостатком их является низкая прочность стержней в горячем состоянии, требующая применения драйеров при сушке.

1.6.5.Понятие об искусственных смолах

Урассмотренных нами ранее связующих есть весьма существенный недостаток – при их применении необходима сушка стержней. Это длительная операция, требующая значительных энергозатрат, площадей, занимаемых сушилами. По этой причине всё более

46

широко в производстве применяют в качестве связующих синтетические смолы, позволяющие устранить операцию сушки стержней. Эти смолы могут быть термореактивными и термопластичными. Термопластичные смолы при нагреве плавятся, а при охлаждении затвердевают обратимо. Термореактивные смолы при нагреве сначала размягчаются, а затем вследствие необратимых химических процессов затвердевают, их применяют при изготовлении оболочковых форм и стержней. Преимущество таких связующих в том, что процесс твердения происходит с большой скоростью с образованием прочной и эластичной плёнки связующего. Это позволяет резко ускорить процесс изготовления форм и стержней.

В литейном производстве наиболее широко применяют пуль-

нии до 5,8–7,92 МПа (60–80 кг/см2).

Для изготовления стержней широко используют фурановые смолы (фенолформальдегидные смолы с добавками фурилового спирта). Эти смолы применяют для изготовления стержней по нагреваемой оснастке.

Карбамидные смолы – продукты конденсации мочевины с формальдегидом – хорошо растворяются в воде, их применяют для изготовления быстросохнущих и самовысыхающих связующих МФ17, М, УКС, КФ-35, КФ-90 и т.д. Эти связующие придают низкую прочность смесям во влажном состоянии. После сушки стержни на основе карбамидных смол негигроскопичны и легко выбиваются. Применяют их для ускоренного изготовления стержней по нагреваемой оснастке и холоднотвердеющих смесей.

1.7.Искусственные смолы

1.7.1.Состав смол

Вкачестве связующих при изготовлении оболочковых форм и стержней применяют жидкие и твёрдые фенолформальдегидные, мочевиноформальдегидные и фурановые термореактивные смолы. Для изготовления сухих песчано-смоляных смесей наибольшее

47

применение нашли твёрдые новолачные фенолформальдегидные смолы с гексометилентетрамином (уротропином). Являясь одним из основных материалов в рассматриваемом процессе, синтетическая смола должна отвечать следующим требованиям: не терять своих свойств при длительном хранении, быстро отверждаться при нагреве, обеспечивать высокую удельную прочность смесям в отверждённом состоянии (при растяжении и изгибе), хорошие технологические свойства, быть стандартной и недефицитной. Все синтетические связующие относятся к конденсационным смолам. Конденсационные смолы образуются в результате реакции поликонденсации не менее двух химических веществ. Этим методом получают фенолформальдегидные, мочевиноформальдегидные, фурановыеидругиесмолы.

Исходным сырьем для получения фенолформальдегидных смол являются фенолы и формальдегид. Формальдегид (СН2О) получают путём окисления метилового спирта кислородом воздуха, он представляет собой бесцветный газ с резким неприятным запахом. Выпускается он в виде 40%-ного водного раствора формалина. Фенолами называются соединения типа RC6H5OH, где R – органический радикал или водород. Эти соединения представляют собой бесцветные игольчатые кристаллы с характерным запахом карболовой кислоты. Основным источником фенола служит каменноугольный дёготь и продукты крекинга (переработки) нефти.

Фенолформальдегидная смола образуется при реакции меж-

ду фенолом и формальдегидом в присутствии катализаторов. Образование цепной молекулы можно проиллюстрировать следующим образом (рис. 11).

Но молекула фенолоформальдегидной смолы, представленная на рис. 11, это ещё не полимер, а олигомер. Если эту смолу подвергнуть нагреву, то присутствующий в ней катализатор вступает в химическую реакцию с её компонентами и образуются поперечные «мостики», связывающие цепные молекулы между собой – происходит сшивка цепных молекул. Образуются очень крупные пространственные молекулы, то есть образуется полимер – твёрдый, прочный продукт. В зависимости от количества формальдегида, вве-

48

дённого в реакцию, и природы катализатора получают термореактивные или термопластичные смолы.

Рис. 11. Молекула фенолоформальдегидной смолы

Выпускаемые химической промышленностью новолаки представляют собой твёрдые, термопластичные, прозрачные смолы с температурой каплепадения в пределах 95–115º С и содержанием свободногофенола от 2 до 9 %. Новолаки плавятся при температуре около 100ºС, образуя жидкую легкоподвижную смолу, при охлаждении они застывают, а при нагревании плавятся вновь. Для получения прочных технических продуктов, не плавящихся при высоких температурах, в новолаки необходимо вводить дополнительно формальдегид.

Феноломочевинные смолы являются продуктом конденсации фенола, мочевины с формальдегидом и щелочным катализатором и являются жидкими продуктами.

Фурановые смолы имеют высокую реакционную способность и могут обеспечивать наиболее быстрое отверждение оболочковых форм и стержней. Термин «фурановая смола» относится к синтетическим связующим, быстроотверждающимся при контактном нагреве. Такие связующие получаются на базе мочевиноформальдегидных и фенолформальдегидных смол, модифицированных фуриловым спиртом (С5Н6О2). Содержание фурилового спирта в связующих находится в пределах 20–80 % в зависимости от назна-

49

чения связующего, причём чем выше содержание фурилового спирта, тем выше термостойкость связующего.

Карбамидно-фурановые смолы КФ-90, КФ-40, КФ-35 (ТУ 6- 05-1785-76) являются продуктами конденсации мочевины с формальдегидом в две стадии, модифицированными фуриловым спиртом.

Мочевиноформальдегидные, или карбамидные (NH2)2СO смолы являются продуктом конденсации мочевины с формальдегидом. Эти смолы менее термостойки, чем фенолоформальдегидные и фурановые.

Рассмотрим теперь различные механизмы твердения связующих – реакции полимеризации, поликонденсации, термодеструкции и карбонизации.

1.7.2. Полимеризация

Полимеризация – процесс получения высокомолекулярных веществ, при котором молекула полимера (макромолекула) образуется путём последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру на конце растущей цепи. Молекула мономера, входя в состав цепи, образует её мономерное звено. Число таких звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации. По числу участвующих в полимеризации мономеров различают гомополимеризацию (один мономер) и сополимеризацию (два и более). В зависимости от природы активного центра, ведущего цепь, различают радикальную и ионную полимеризацию.

Радикалы – кинетически независимые частицы характеризующиеся наличием неспаренных электронов.

Ионы – электрически заряженные частицы, образующиеся при потереилиприсоединении электронов атомами илигруппами атомов.

Полимеризация большинства мономеров происходит либо путём раскрытия кратных связей С=С, С≡С, С=О, С≡N и других nA=B → [— A— B—] n либо путём циклических группировок

50