Рекомендуемые модули и плотность жидкого стекла в зависимости от способа отверждения смеси

Отверждение форм и стержней с жидким стеклом было впервые осуществлено (50-е годы) продувкой их СО₂. Реакция отверждения жидкого стекла по СО₂-процессу

Na₂O × nSiO₂ + CO₂ + mH₂O ® Na₂CO₃ + nSiO₂ + mH₂O.

Удельный расход СО₂ составляет 0,5–1,5 дм³/г жидкого стекла. Количество СО₂, необходимое для достижения максимальной прочности смеси,

Q = A (0,26 – 0,073М),

где Q – количество СО₂, % от массы смеси;

А – содержание жидкого стекла, % от массы смеси;

М – силикатный модуль.

Продолжительность продувки смеси, с,

t = К(320 – 90М),

где К – коэффициент, зависящий от содержания жидкого стекла (А) и размера зерен наполнителя (для песка 1К₃О₃02 и А = 5–7%, К» 1).

В настоящее время отверждение этих смесей, кроме СО₂, производится также с помощью порошкообразных (феррохромовый шлак, нефелиновый шлам) и жидких отвердителей (эфиров, альдегидов).

Нефелиновый шлам, %: СаО 54–58; SiO₂ 28–32; Al₂O₃ 2–4; Fe₂O₃ 2–4; (Na₂O+К₂О) 2–3 – побочный продукт производства глинозема из нефелиновых руд.

Феррохромовый шлак – саморассыпающийся шлак ферросплавного производства, содержащий более 70% двухкальциевого силиката. Химический состав, %: СаО 48–54; SiO₂ 20–30; Al₂O₃ 4–8; MgO 7–12; Сr₂O₃ 2–12; FеО 0,1–2.

Антипирен – порошкообразный материал, получаемый при взаимодействии кислых фосфатов с карбамидом и аммиаком типа

а [(NH₄)₂О] × b (Аl₂О₃) × с (Р₂О₅) × n Н₂О.

Антипирен в сочетании с феррохромовым шлаком в жидкостеколь­ных смесях снижает трудоемкость выбивки и ускоряет затвердение смеси.

Жидкие отвердители сложного типа – прозрачные маловязкие жидкости от бесцветного до желтого цвета, плотностью 1080–1500 кг/м³, с характерным запахом эфира (этилгликоль, глицериндиацетат, глицеринтриацетат, пропиленкарбонат и др.).

Существенным недостатком жидкого стекла как связующего является плохая выбиваемость смесей из отливок. Причиной является расплавление силикатов натрия при нагреве формы металлом с последующим спеканием формовочной смеси при охлаждении, что приводит к резкому увеличению остаточной прочности. По этим же причинам жидкостекольные смеси плохо поддаются регенерации.

5.8.2. Цементы

Цементы были первыми связующими, примененными в 30-е годы для изготовления форм, отверждаемых на воздухе, т. е. для получения холоднотвердеющих смесей (ХТС). Цемент получают путем обжига при 1300–1450°С до спекания измельченных смесей природных пород известняка и глины или других минералов. Размолотый продукт обжига (клинкер) с небольшим количеством гипса и других добавок называют портландцементом.

В настоящее время для приготовления ХТС, а также для изготовления моделей применяется цемент марок 400 и 500. Упрочнение форм основано на гидратации при взаимодействии с водой минералов цемента с образованием кристаллогидратов, которые, срастаясь, создают связи (каркас) между песчинками формовочной смеси. Реакция основной составляющей цемента (алита) с водой следующая:

2(3СаО × SiO₂) + 6H₂O ® 3CaO × 2SiO₂ × 3H₂O + 3Ca(OH)₂.

На первой стадии происходит растворение и гидратация компонентов цемента. Образующиеся гидраты выпадают из пересыщенного раствора в виде кристаллов, и процесс их срастания (полимеризации) продолжается до тех пор, пока все связующее затвердеет. Поскольку растворение и гидратация идут медленно, добавляют ускорители твердения. Цементы по сравнению с жидким стеклом позволяют обеспечить лучшую выбиваемость смесей из отливок, так как при нагреве от отливки они дегидратируются и смеси разупрочняются. Для приготовления ХТС необходимо вводить 10–12% цемента и примерно такое же количество воды. Оптимальное водоцементное отношение в формовочной смеси – 0,7–0,8. однако процесс твердения цементов происходит медленно, иногда 2–3 суток. Прочность через 4 ч составляет 0,1–0,15 МПа. Поэтому ХТС с цементом применяют при изготовлении крупных отливок в единичном производстве.

Более быстро твердеют глиноземистые цементы марок 400 и 500, содержащие трехкальциевый алюминат, пятикальциевый трехалюминат 5СаО×3Al₂О₃, однокальциевый алюминат СаО×Al₂О₃ и однокальциевый двухалюминат СаО×2Al₂O₃.

Недостатком цементов, как связующих, является снижение активности при длительном хранении вследствие образования гидратных оболочек на их частицах. Например, при применении цемента марки 400 после хранения его 5 мес. длительность твердения смеси увеличивается втрое. Активность верхнего слоя складируемого цемента снижается в несколько раз уже через 15 сут. Поэтому цемент надо хранить в сухом помещении в герметизированной таре.

Твердение ХТС ускоряется при совместном вводе глиноземистого цемента (50–60%) и портландцемента (40–50%) в результате химического взаимодействия между отдельными минералами цементов. Более существенное ускорение и повышение прочности достигается при добавке СаСl₂, FeCl₃, FeSO₄ и совместно карбонатов и алюминатов щелочных металлов.

5.9. Фосфаты

Производство отливок с применением ХТС со связующими на основе металлофосфатных композиций – фосфорной кислоты и оксидов металлов (или их соединений): Fe, Mg, Al, Al-Cr, Al-Mg и др. – непрерывно растет. При взаимодействии оксидов металлов и фосфорной кислоты образуются кристаллогидраты – однозамещенные соли ортофосфорной кислоты, обладающие связующими свойствами:

FeO + 2H₃PO₄ + H₂O ® Fe(H₂PO₄)₂ × 2H₂O.

Одни из металлофосфатных композиций, например, на основе оксидов железа и магния, твердеют при комнатной температуре, другие композиции, например, на основе оксидов алюминия и хрома – при нагреве.

При твердении и сушке фосфатные композиции приобретают полимерные структуры типа Me _n O _n ×P₂O₅×kH₂O, а после прокаливания – Me _n O _n ×P₂O₅.

Алюмофосфатные связующие твердеют при 350–400°С, а при добавке к ним одного из металлов (Fe, Cr, Mn, Mg, Ca) образуются соединения типа Me _n O _m ×Al₂O₃×P₂O₅, которые твердеют при 20–30°С.

Из всех металлофосфатных связующих композиций больше других применяют железо- и магнийфосфатные. Для железофосфатных композиций могут применяться различные материалы, содержащие оксиды железа (табл. 5.6).

Таблица 5.6