Материалы, применяемые для железофосфатных ХТС

Металлофосфатные связующие композиции применяют для ХТС, для изготовления стержней, упрочняемых тепловой сушкой и в нагретой оснастке, в сочетании с ЭТС для получения оболочек при литье по выплавляемым моделям.

Формовочные смеси с металлофосфатными связующими имеют ряд преимуществ по сравнению с другими связующими: высокие прочность и термостойкость, хорошую выбиваемость, нетоксичность и возможность повторно использовать связующие свойства фосфа­тов.

Хорошая выбиваемость железофосфатных смесей связана с превращением термодинамически неустойчивых фосфатов двухвалентного железа, образовавшихся в отвержденной композиции, в фосфаты трехвалентного железа. Этот переход сопровождается резким разупрочнением структуры.

Для магнийфосфатных ХТС применяют магнийсодержащие материалы, которые при взаимодействии с Н₃РО₄ имеют различную активность (время затвердевания) – от 1–3 (для каустического магнезита) до 54–80 с (для хромомагнезита). При твердении композиции MgO–H₃PO₄ выделяется теплота, по количеству которой можно судить о характере твердения.

Из других фосфатов в качестве связующих для формовочных смесей и противопригарных красок применяются хорошо растворимые в воде триполифосфат натрия (Na₅P₃O₁₀) _n, полиметафосфат натрия (NaPO₃) _n, алюмохромфосфат, натрийалюмофосфат и алюможелезофосфат. Для приготовления противопригарных красок применяют также алюмофосфатное связующее Al _n (H_{3- n} PO₄)₃, в котором n = 1...3. Его получают при взаимодействии глиноземистых материалов с H₃PO₄ при 60–80°С в присутствии катализаторов.

5.10. Алюминаты

В Японии разработан способ формовки, при котором используется песок из Al₂O₃, а в качестве связующего алюминат натрия. Рекомендуется молярное соотношение Na₂O/Al₂O₃ = 1,5...2. Готовую смесь перед формовкой перемешивают в среде СО₂ 2–2,5 мин. Форма отверждается СО₂, при взаимодействии которого со связующим образуются Na₂CO₃ и Al(OH)₃. После охлаждения отливки форма разупрочняется при смачивании водой: Na₂CO₃ растворяется в ней, а Al(OH)₃ отделяется от песка и остается в воде в виде суспензии. Предлагается также схема регенерации такой смеси, когда раствор-суспензию пропускают через фильтр, на котором остаются частицы Al(OH)₃. Затем раствор подвергают электролизу для получения Na₂O и Na₂CO₃. Из раствора Na₂O и Na₂CO₃ получают вновь алюминат натрия.

Отверждение таких смесей можно осуществлять путем добавки алюминиевого порошка. Смесь, содержащая 5% алюмината натрия и отвержденная CO₂, имеет прочность при сжатии 1 МПа, а с 4% NaAlO₂, алюминиевым порошком (0,7%) – 2 МПа. После выбивки отливок в отработанную формовочную смесь вводится до 5% воды, производится перемешивание и 2–3-кратная промывка, в результате которой песок полностью освобождается от связующего, и после сушки его снова можно применять. Связующее после фильтрации или выпаривания используется вновь, т. е. при этом регенерируется не только песок, но и связующее.

5.11. Этилсиликаты

Этилсиликат – прозрачная, слабоокрашенная в желтый или бурый цвет жидкость с запахом эфира. Этилсиликат является продуктом реакции этилового спирта с хлоридом кремния.

SiCl₄ + 4C₂H₅OH ® (C₂H₅O)₄Si + 4HCl.

В литейном производстве применяют этилсиликат (ЭТС) двух марок: ЭТС-32 и ЭТС-40. Цифры указывают среднее содержание SiO₂в этилсиликате.

На основе этилсиликата приготовляют связующие растворы для получения оболочек (форм) при литье по выплавляемым моделям и получения керамических форм. Связующий раствор этилсиликата является коллоидным раствором, который переходит в гель кремниевой кислоты, связывающий песчинки.

Для получения связующего раствора этилсиликат (ЭТС) подвергают гидролизу (добавляют в воду), при котором этоксильные группы C₂H₅O замещаются гидроксильными группами ОН, а линейное строение молекул ЭТС превращается в разветвленное и частично сшитое в результате поликонденсации. По мере такого замещения образуются такие продукты гидролиза (гидролизаты), которые боль­ше напоминают кремниевую кислоту, образующую коллоидный раст­вор-золь.

При полном замещении этоксильных групп реакция протекает по схеме

OC₂H₅ OH

Si OC₂H₅ + 4H₂O Si OH + 4C₂H₅OH

OC₂H₅ OH

ОС₂Н₅ ОН

OH

n Si OH n (SiO₂ × 2H₂O).

OH Золь

ОН

В действительности степень гидролиза всегда меньше 100%, т. е. в состав мицелл входят и этоксильные группы. Гидролиз этилсиликата проводят раствором воды в спирте, ацетоне или эфироальде­гидной фракции, поскольку этилсиликат не растворяется в воде, а реакция гидролиза этилсиликата в воде может идти только на поверхности их раздела. Для ускорения гидролиза применяют катализатор – соляную кислоту (0,2–0,4%-й раствор).

На прочность оболочки, скорость твердения, склонность ее к трещинообразованию влияют состав раствора, количество воды, вид растворителя и технология гидролиза ЭТС. Практические исследования показали, что применением совмещенного метода гидролиза ЭТС и получением на его основе суспензии с пылевидным наполнителем можно повысить прочность оболочек в 2–2,5 раза. При интенсивном перемешивании связующий раствор можно получить без дополнительного растворителя, что позволяет уменьшить содержание SiO₂ в растворе до 10–14% и увеличить прочность оболочки.

В последние годы для литья по выплавляемым моделям в качестве связующего применяют также кремнезоли. Кремнезоли-коллоид­ные дисперсии SiO₂ в воде, стабилизированные гидроксидами щелочных металлов (0,25–0,65% NaOH по массе). Из групп кремнийорганических материалов в качестве связующих противопригарных красок применяют лаки КО-925, КО-921, КО-075, которые отличаются более высокой термостойкостью, чем органические полимеры.

6. Вспомогательные материалы

Кроме наполнителя и связующего, в состав формовочных и стер­ж­­невых смесей входят различные добавки, улучшающие их свойства.

К вспомогательным составам и материалам относятся припылы, разделительные смазки и полупостоянные покрытия для оснастки, клеи для ремонта и склейки стержней и форм, замазки для заделки дефектов форм, стержней и отливок, прокладочные жгуты (шнуры) для форм, фитили для образования вентиляционных каналов в стержнях, экзотермические смеси для элементов литейных прибылей с целью подогрева металла прибыли, теплоизоляционные материалы и составы, огнеупорные материалы для литейно-металлургического припаса (керамические элементы для литниковых систем, сетки для фильтрования металла, материалы для футеровки разливочных ковшей и т. п.). Кроме того, в составах формовочных и стержневых смесей используются многочисленные добавки для улучшения или достижения специальных свойств.

6.1. Припылы, разделительные смазки

В качестве припылов используются тонкодисперсные порошки серебристого графита, талька, ликоподия и др.

Графит кристаллический литейный (ГОСТ 5279–74) применяют для покрытия рабочих поверхностей форм и стержней при получении отливок сложной конфигурации с поверхностью повышенного качества; для получения красок, паст и в качестве припылов при получении отливок, не требующих высокого качества поверхности.

Тальк порошкообразный и микротальк (ГОСТ 21234–75,
ГОСТ 21235–75, марка ТП) – минерал 3Mg×4SiO₂×H₂O.

Сажа белая (ГОСТ 13797–84).

Эбонитовая пыль (ТУ38–105323–76).

Ликоподий – порошок из спор растения плауна. Не смачивается водой. В практике применяется искусственный ликоподий КС, представляющий собой мелкоизмельченный мрамор, плакированный стеарином. Припыливание ликоподием рекомендуется проводить из мешочка, нанося его тонким и ровным слоем.

Древесный уголь содержит не более 1,5% золы; влажность не выше 5%, объемная масса 0,3–0,4 г/см³. При просеивании через сито 016 остаток должен быть не более 5%.

Дисульфид молибдена (порошок МоS₂), обладающий высокими антифрикционными свойствами. Позволяет использовать модели без уклона. Для удержания его на вертикальных поверхностях моделей рекомендуется выполнять поверхности слегка шероховатыми.

Разделительные смазки уменьшают прилипаемость смеси к оснастке и снижают ее износ. Разовые разделительные покрытия в виде суспензий серебристого графита в углеводородных или нефтяных растворителях обладают высокими антифрикционными свойствами, однако графит загрязняет модельную оснастку, скапливаясь в углублениях и углах моделей, и может служить источником науглероживания отливок и искажения размеров. Лучшие результаты обеспечиваются с помощью смазок, представляющих собой растворы олеиновой кислоты в нефтяных растворителях.

Некоторые составы разделительных смазок для оснастки приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1