Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Формовочные материалы: Учебное пособие

Голосов: 2

Приведены сведения об исходных материалах для формовочных, стержневых смесей, связующих и вспомогательных материалах. Даны составы и свойства смесей и противопригарных красок. Описаны методы испытания материалов и смесей, технология их приготовления и регенерации. Учебное пособие подготовлено на кафедре "Машины и технология литейного производства" Пензенского государственного университета в соответствии с учебным планом дисциплины "Технология литейного производства" (раздел "Формовочные материалы") специальности 120300 "Машины и технология литейного производства" и предназначено для студентов вышеназванной специальности.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
       УСК – раствор кубовых остатков продуктов переработки нефти
(30–35%) в органическом растворителе (40–50%) с адгезионной при-
садкой (0,1–15%). Для снижения температуры его застывания вводят
до 15% асфальтовых смолистых веществ.
   Все масляные связующие являются жидкостями, хорошо смеши-
ваются с песком, позволяют достичь высокой прочности формовоч-
ной смеси после сушки, негигроскопичны, смесь к оснастке не при-
липает, имеет хорошую выбиваемость. Недостатками масляных свя-
зующих являются необходимость длительной сушки, малая термо-
стойкость, низкая прочность в сыром состоянии. Масляные связую-
щие применяют для изготовления стержней 1-го и 2-го классов
сложности.

                     5.5. Полисахариды
   Полисахариды – высокомолекулярные сложные углеводы. Они
являются побочными продуктами производства переработки сахаро-
содержащих веществ. Упрочнение форм и стержней с такими свя-
зующими происходит при тепловой сушке в результате испарения
влаги и полимеризации сахаров. При этом из-за диффузии водного
раствора связующего и испарения влаги с поверхности формы по-
верхностные слои ее обогащаются связующим, в результате чего
прочность поверхности повышается, а прочность глубинных слоев
понижается.
   К связующим этого класса (класс Б-2, Б-3) относятся мелясса,
пектиновый клей, декстрин, крахмалит, гидрол и др.
   Мелясса (патока) – продукт переработки сахарной свеклы или
тростника. Связующие свойства меляссы зависят от содержания
в ней сахарозы, глюкозы, фруктозы. Обычно в меляссе содержится
45–50% сахаров.
   В процессе сушки стержней (при нагреве) мелясса разжижается
и обволакивает песчинки. Затем стержни остывают и приобретают
необходимою прочность. Однако из-за разжижения меляссы при
сушке стержни непрочны, могут дать осадку, поэтому в смесь вводят
до 6% глины. Мелясса вводится в смесь в количестве до 2%.




                               70


    Прочность смеси, содержащей 2% меляссы и 6% глины, после
сушки при 160–180°С составляет не менее 0,3 МПа (3 кг/cм2).
   Пектиновый клей – отходы переработки жома плодов и овощей, об-
работанные кислотами. Прочность смеси при содержании 2,5% пек-
тинового клея после сушки при 160–180°С составляет не менее 1 МПа
(10 кг/см2).
   Декстрин – продукт неполного гидролиза картофельного или ку-
курузного крахмала (при 120–150°С) разбавленными минеральными
кислотами. Крахмал (С6Н10О5)n имеет большую молекулярную массу
и не растворим в воде.
   При нагреве его молекулы расщепляются, и образующийся декст-
рин становится растворимым. Декстрин поставляется в виде порошка
желтого и палевого цвета. Вводится в смесь в количестве 0,5–1,5%.
Прочность смеси при содержании 1,25% декстрина после сушки при
температуре 160–180°С не менее 0,5 МПа (5,0 кг/см2).
   Крахмалит – связующее, полученное путем специальной обра-
ботки крахмала, вводится в смеси в небольшом количестве (0,015–
0,1%) для автоматических линий формовки.
   Гидрол – продукт переработки кукурузы на глюкозу. Его свойст-
ва подобны свойствам меляссы. ВНИИЛИТМАШем разработано
высокопрочное углеводное связующее ЭКР, которое обеспечивает
прочностные свойства при формовке по-сырому 0,10–0,28 МПа
(1,2–2,8 кг/см2) при влажности менее 3,5%.
   Недостатками всех водорастворимых органических связующих
являются необходимость тепловой сушки и повышенная гигроско-
пичность. Поэтому при их длительном хранении снижается проч-
ность стержня. Кроме того, водорастворимые связующие дефицитны.
В настоящее время их применение сокращается.

                   5.6. Лигносульфонаты
   Лигносульфонаты (ЛСТ) относятся к органическим водным свя-
зующим класса Б-2 и Б-3 (см. табл. 5.1).




                               71


   По объему применения в качестве связующих лигносульфонаты
занимают в литейном производстве третье место после глины и жид-
кого стекла. Они применяются в формовочных смесях для формовки
по-сырому, по-сухому, для изготовления стержней в нагретой осна-
стке, в жидкоподвижных и сыпучих ХТС, противопригарных крас-
ках, в качестве катализатора для отверждения ХТС и др.
   Лигносульфонаты являются побочными продуктами при произ-
водстве целлюлозы из древесины сульфитным способом.
   ЛТС являются очень дешевыми и недефицитными органическими
связующими, обеспечивающими хорошую выбиваемость форм и
стержней. В настоящее время используется менее половины полу-
чаемых лигносульфонатов, а большая часть их из-за ограниченного
применения выбрасывается в канализацию или сжигается. Масштабы
применения ЛТС могут быть значительно расширены. Применение
ЛТС в литейном производстве – пример безотходной технологии в
промышленности.
   Согласно ГОСТ 13 183–83 производятся ЛСТ марки А (жидкие,
содержат сухих веществ не менее 47%, плотность – не менее 1230 кг/м3)
и марки Т (твердые, более 76% сухих веществ); pH 20%-го раствора
ЛСТ – не менее 4,4.
   Твердые ЛСТ, хотя и более удобны для транспортирования, осо-
бенно в холодное время года (поставляются в виде глыб по 20 кг в
бумажных мешках), однако из-за трудностей, возникающих при хра-
нении (слипание), дозировке и растворении, применяются ограни-
ченно.
   Для формовки по-сырому и по-сухому и для изготовления стерж-
ней в нагретой оснастке наиболее подходящими являются ЛСТ с на-
триевым основанием, а для ЖСС, отверждаемых CrO3, – ЛСТ с каль-
циевым основанием.
   ЛСТ применяются в формовочных смесях в сочетании с глиной
и другими связующими. Формовочные смеси только с одним ЛСТ
не применяются, так как имеют низкие прочностные свойства
(0,1–0,3 МПа), что обусловлено возникновением напряжений и тре-
щин в пленке этого связующего при сушке вследствие значительного
уменьшения объема ЛСТ (в 2,7 раза).



                                 72


   Для уменьшения напряжений в пленках в ЛСТ следует вводить
пластификаторы (мочевину, глицерин) или инертные добавки (глину,
маршалит), уменьшающие усадку и напряжение при высыхании.
Прочность при растяжении формовочных смесей, содержащих 3% глины
и 5% ЛСТ, после сушки при 160–180°С составляет не менее 0,6 МПа,
а при добавке еще 5% маршалита – 0,6–0,8 МПа. Такой прочности
часто недостаточно, особенно для стержней, поэтому ЛСТ комбини-
руют с другими связующими, например, при изготовлении стержней
в нагретой оснастке применяют ЛСТ в сочетании с фенолоспиртом,
карбамидной смолой и другими веществами.
   Недостатком ЛСТ является невысокая термостойкость (≈380°С),
что ограничивает область их применения (используются при мелком
и среднем литье). Кроме того, ЛСТ, как и все водорастворимые свя-
зующие, имеют повышенную гигроскопичность, что приводит к
снижению прочности стержня (формы) при хранении. Однако при
вводе гидрофобных добавок (бентон, парафин, жиры) в ЛСТ гигро-
скопичность их уменьшается.
   На основе ЛСТ и гидрофобных продуктов переработки нефти и
сланцев (петролатума, битума) созданы комбинированные (эмульси-
онные) связующие, которые позволяют достичь более высокой проч-
ности, чем каждое из них в отдельности. Кроме того, эти связующие
негигроскопичны. Наиболее распространены следующие эмульсион-
ные связующие: СП – состоит из 95% ЛСТ и 5% окисленного петро-
латума; СБ – содержит 80–85% ЛСТ и 15–20% ГТФ. Прочность при
растяжении формовочных смесей с 4–5% этих связующих после
сушки      при  220–240°С     составляет   0,5–0,6    МПа     (5,0–
6,0 кг/см2).
                 5.7. Синтетические смолы
   Синтетические смолы относятся к органическим неводным (А-1)
и водным (Б-1) связующим. В последнее время в литейном производ-
стве в качестве связующих распространение получают синтетические
смолы. Поскольку синтетические смолы являются дорогостоящими,
их применяют более экономно, чем другие связующие
(в основном для изготовления стержней в горячей и в холодной осна-
стке и для изготовления оболочковых форм).



                                73


   Рассмотрим синтетические смолы, применяемые для изготовления
стержней в холодной оснастке.
   ХТС с синтетическими смолами начали применять с 1958 года.
Вместо традиционной технологии изготовления стержней, при кото-
рой стержни после уплотнения подвергались тепловой сушке, ис-
пользование ХТС позволило коренным образом изменить техноло-
гию изготовления стержней и форм. Сущность технологии заключа-
ется в следующем: в смесь вводится жидкая смола (в полимерном
состоянии) и отвердитель (кислота), при химическом взаимодействии
которых происходит поликонденсация смолы до полного ее затвер-
девания и, как результат, упрочнения стержня (формы). Применяют-
ся также способы упрочнения стержней из ХТС со смолой путем до-
бавки в смесь изоцианатов (отвердителей) и с продувкой ее катализа-
тором (аминами, SO2).
   ХТС со смолами имеют бόльшие преимущества, чем смеси с дру-
гими связующими: высокая прочность при малом (1–2%) расходе
связующего, повышенная точность размеров стержней (и, соответст-
венно, отливок); отпадает необходимость в тепловой сушке, не тре-
буется применение сушильных плит, возможно использование осна-
стки из любых материалов (металлов, древесины, пластмасс), конст-
рукция стержневых ящиков проще, чем нагреваемых, и т. д. Смеси со
смолами имеют высокую текучесть и за счет этого легко уплотняют-
ся даже кратковременной вибрацией. Стержни негигроскопичны, из-
за высокой прочности уменьшается или полностью отпадает необхо-
димость в применении каркасов, имеют хорошую податливаемость и
выбиваемость. Применение ХТС позволяет механизировать и авто-
матизировать изготовление стержней, повышает производительность
труда и чистоту поверхности отливок, снижает брак и себестоимость
отливок.
   Известно, что смолы – это олигомеры, застабилизированные на
какой-то промежуточной стадии полимеризации или поликонденса-
ции (в зависимости от способа получения). Полимеризационные
смолы получают в результате полимеризации одного или нескольких
исходных веществ – манометров – по схеме nA → An. В литейном
производстве применяют в основном конденсационные смолы. Их
получают в результате поликонденсации не менее чем двух веществ


                                74


                   n(aAa) + n(bBb) ↔ a(AB)n b + (2n – 1)ab,
где a и b – функциональные группы исходных веществ A и B; n –
число молекул исходных веществ; a(АВ)n b – смола, образовавшаяся в
результате поликонденсации; 2n – 1 – число молекул выделившихся
побочных продуктов ab.
   Считают, что при получении (синтезе) смол поликонденсация мо-
лекул протекает по стадиям: Ф (жидкая смола), В (желатинообраз-
ная) и С (твердая). Все смолы, применяемые в качестве связующих, –
это полимеры (или, точнее, олигомеры) промежуточной стадии, ме-
жду А и В, т. е. процесс их поликонденсации прерван при получении
смолы. Процесс поликонденсации смолы возобновляют в ХТС путем
ввода в нее отвердителя (катализатора).
   В табл. 5.3 приведены наиболее широко применяемые смолы для
ХТС.
                                                                    Таблица 5.3
                  Синтетические смолы для ХТС
         Наименование смолы                          Марка смолы
Мочевино-формальдегидные (карбамидные) КФ-Ж, КФ-МТ (ГОСТ 14231–88)

Мочевино-формальдегидно-фурановые        БС-40, БС-70, БС-80, КФ-40, КФ-90
(карбамидо-фурановые)                    Фуритолы: 80, 86, 174

Фенолоформальдегидные (фенольные)        ОФ-1, СФ-3042, СФ-480, СФЖ-30-13,
                                         СФЖ-301
Фурило-фенолоформальдегидные             ФФ-1СМ, ФФ-1ФМ, ФФ-1Ф

Мочевино-фенолоформальдегидно-           Фуритолы: 8, 11, 28, 30, 68, 102, 107,
фурановые                                107М, 125, 127КСФ-1


   Самыми дешевыми являются мочевино-формальдегидные смолы.
Они являются продуктами конденсации мочевины (карбамида)
CO(NH2)2 с формальдегидом CH2O, производятся различных марок,
отличающихся одна от другой содержанием сухого вещества, степе-
нью конденсации, вязкостью, содержанием свободного формальде-
гида и др. Недостатком карбамидных смол является низкая термо-
стойкость (220–480°С), вследствие чего стержни и формы имеют
большую газотворность, а при разложении они выделяют азот, что


                                    75


может стать причиной газовой пористости в отливках. Эти смолы
применяются в основном для получения отливок из цветных метал-
лов и тонкостенного чугунного литья. Содержание азота в смеси для
получения чугунных и стальных отливок не должно превышать 0,2%, а
для получения отливок из высоколегированных чугунов и сталей –
0,01%. Поэтому для стального литья можно применять мочевино-
формальдегидно-фурановые смолы, содержащие не более 1,5% азота.
Кроме того, смеси с мочевино-формальдегидными смолами имеют
повышенную гигроскопичность.
    С целью повышения термостойкости мочевино-формальдегидных
смол при их синтезе вводят фуриловый спирт С5H6O2. Такие смолы
называют карбамидо-фурановыми. Чем больше введено в смолу фу-
рилового спирта, тем выше их термостойкость. Установлено, что для
чугунного литья необходимо содержание в смоле не менее 30%, а
для стального – не менее 60% фурилового спирта. Из фуриловых
смол     наибольшее    распространение     получили    мочевино-
формальдегидные смолы, содержащие 40–90% фурилового спирта.
   Термин “фурановая смола” относится к фенолоформальдегидным
смолам, модифицированным фуриловым спиртом.
   Повышенную термостойкость (400–800°С) имеют и фенолофор-
мальдегидные смолы, являющиеся продуктами поликонденсации фе-
нола С6Н5ОН и формальдегида в присутствии различных катализато-
ров и добавок. Поэтому эти смолы пригодны для стального и чугунно-
го литья. Высокую термостойкость имеют также фурило-
фенолоформальдегидные смолы – продукты поликонденсации фури-
лового спирта с фенолоспиртами, стабилизированные фуриловым
спиртом (ФФ-1Ф, ФФ-1ФМ) или гидролизным этиловым спиртом
(ФФ-1СМ). Эти смолы применяют для ответственного стального ли-
тья. Фурило-фенолоформальдегидные смолы – самые дорогостоящие.
   Весьма перспективны водорастворимые фенолоформальдегидные
смолы СФЖ-30-13 и водоэмульсионная смола СФЖ-301, позволяю-
щие вводить в смесь до 3% глины или применять глинистые пески.
Глина при этом адсорбирует низкомолекулярные фракции связую-
щего, в результате чего повышается прочность XТC. Применяются и
другие виды смол для ХТС: алкидные, эпоксидные, полиэфирные.



                               76


   Алкидные, или глифталевые, смолы получают при поликонденса-
ции глицерина и фталевого ангидрида. Их отверждают полиизоциа-
натом и амином. При этом образуются полиуретаны, имеющие вы-
сокую прочность. Известны также алкидные смолы, модифициро-
ванные растительным маслом.
   Полиэфирные смолы имеют в молекулах несколько групп ОН. В
качестве отвердителя этих смол в ХТС вводятся изоцианаты. Смолы
отверждают также продувкой аминами. Через 5 мин прочность дос-
тигает 0,2 МПа при содержании 0,7% смолы. В результате исследо-
ваний было показано, что при содержании 0,7% смолы “Систол”
и 0,9% изоцианата добавками 0,03–0,07% уротропина и 0,3% воды
можно достичь прочности при сжатии 2,5–3,5 МПа.
   Известны ХТС с поливиниловым спиртом ( ГОСТ 10779–78), ко-
торый вводится в смесь в виде 7,5–10%-го водного раствора в коли-
честве 4–5% (по отношению к песку). Отверждение происходит при
добавке 0,06–0,18% дикарбоновых кислот, например, лимонной. При
этом достигается прочность 1,9–2 МПа. Однако ХТС с поливинило-
вым спиртом (ПВС) имеют повышенную гигроскопичность, и для ее
снижения необходимо в смесь добавлять 0,1–0,5% (от сухого ПВС)
силана.
   Смолы холодного отверждения при хранении самопроизвольно
полимеризуются. Чем выше степень их полимеризации сверх опти-
мальной, тем ниже прочность ХТС с такими смолами. Поэтому срок
хранения смол ограничивается (2–6 мес.). Кроме того, для мини-
мального расхода смолы необходимо применять песок высокого ка-
чества с минимальным содержанием глины и других примесей, кото-
рые поглощают часть смолы и снижают адгезию связующего к пес-
чинкам.
   В последние годы применяется способ отверждения ХТС со смо-
лами продувкой сухим холодным или горячим воздухом.
   Все смолы, применяемые для ХТС, пригодны для изготовления
стержней в нагретой оснастке. Для изготовления стержней в нагре-
той оснастке применяются и другие смолы (табл. 5.4).
                                                            Таблица 5.4
    Смолы, применяемые для изготовления стержней в горячих ящиках




                                 77


        Наименование смолы                            Марка смолы1
Фенолоформальдегидные                    ВР-1, ВРБ, фенолоспирт, ПК-104,
                                         СФЖ-30-13, СФ-480, СФЖ-305,
                                         СФП-011Л, ТОЛ-2

Мочевино-формальдегидно-фурановые        КФ-90, КФ-40, фуритол-80, 86, 174

Мочевино-формальдегидные                 КФ-Ж

Мочевино-фенолоформальдегидно-           Фуритолы:30, 68, 107, 107М, 125, 127
фурановые

Феноло-мочевино-формальдегидные          ФПР-24, ФМЛ, СФ-411, ФМ, ФКС

Фурило-фенолоформальдегидные             ФФ-1С

Поливиниловый спирт                      ПВС 7/1, 7/18, 16/1, 20/1

  П р и м е ч а н и е . 1 Температура отверждения стержней со смолами 220–280°С.
   Для изготовления оболочковых форм по нагретым моделям
(250–350°С) выпускается специальное связующее ПК-104, пред-
ставляющее собой тонкоизмельченную смесь новолачно-формальде-
гидной смолы марки 104 и 8% уротропина – гексаметилентетрамина
(СН2)6N4. При конденсации фенола и формальдегида в щелочной
среде (pH>7) образуются резольные смолы, а при избытке фенола в
кислой среде (pH<7) образуются новолачные смолы. Для ускорения
процесса отверждения новолачных смол в них добавляют техниче-
ский уротропин, в результате чего новолачные смолы приобретают
свойства резольной смолы – быстро твердеют после расплавления,
превращаясь в результате поликонденсации в более высокомолеку-
лярные неплавкие и нерастворимые соединения. Такие смолы, кото-
рые при нагреве размягчаются, а при охлаждении вновь затвердева-
ют, называют термореактивными (в отличие от термопластичных
смол). Уротропин при нагреве (при отверждении) разлагается на
формальдегид, аммиак и другие газообразные продукты. Выделяю-
щийся формальдегид “сшивает” цепи молекул новолака, образуя
трехмерную сетчатую структуру, и придает смоле и оболочке необ-
ходимую прочность.




                                       78


   В последние годы для изготовления стержней в нагретой оснастке
в качестве связующего применяется поливиниловый спирт (ПВС),
(ГОСТ 10778–83). Марки ПВС обозначаются дробью: в числителе
дано среднее значение динамической вязкости 4%-го раствора, а в
знаменателе – среднее содержание ацетатных групп (по высшему
сорту). ПВС представляет собой продукт щелочного омыления поли-
винилацетата. Он вводится в смесь в виде 7,5–10%-го водного рас-
твора (0,375–0,5% в пересчете на сухое вещество). При таком малом
расходе ПВС позволяет получить высокую прочность стержней. Не-
достатком ПВС, как и карбамидных смол, является малая термостой-
кость.
   Прочность стержней, отвержденных в нагретой оснастке, значи-
тельно выше (при разрыве 1,5–10 МПа), чем из ХТС, так как процесс
поликонденсации смолы протекает более полно, а продукты поли-
конденсации смол удаляются из пленок, в результате чего образуется
более прочная трехмерная структура. Поскольку при отверждении
смол и при их термодеструкции (нагрев в форме металлом) выделя-
ются вредные вещества – формальдегид, фенол, метанол, необходи-
мо вводить в смесь их минимальное количество, иметь надежно ра-
ботающую вентиляцию, а процесс изготовления стержней полностью
автоматизировать.
   Вместо феноло-формальдегидных смол предлагаются резорцино-
формальдегидные, поскольку резорцин менее летуч, чем фенол.
   К водорастворимым органическим связующим относятся: упарен-
ная кислая вода газогенераторных станций, работающих на древес-
ном угле, КВ (необессмоленная), КВС (необесфенольная раствори-
мая смола), оксизан – упаренный концентрат после экстракции дре-
весной смолы при термическом разложении древесины. Эти связую-
щие по прочности получаемых стержней уступают синтетическим
смолам. Их применяют для изготовления стержней 3-го и 4-го клас-
сов сложности, упрочняемых тепловой сушкой. Прочность стержней
при содержании 3% такого связующего после сушки при 160–180°С
не менее 0,7 МПа.

                        5.8. Силикаты


                               79



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика