Получение крупных стальных отливок по газифицируемым моделям с использованием наливной формовки.

Литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) из пенополистирола по точности и качеству отливок, условиям труда и экологической безопасности может быть отнесено к высоким технологиям литейного производства. Эта технология хоть и перешагнула свой 50-ти летний «стаж» с даты первого изобретения Г. Шроера [1], сохраняет динамичные показатели по распространению в литейном производстве стран мира. Изобретение А. Чудновского [2] положило начало работ по ЛГМ в СССР, позволив считать отечественных литейщиков одними из соавторов этого технологического процесса, причем заметный вклад и активные работы до настоящего времени по его совершенствованию связаны с научным коллективом ФТИМС НАНУ, г. Киев, Украина.
Сегодня наиболее широко ЛГМ-процесс применим с вакуумированием формы из сухого песка без связующего, когда одноразовую пенополистироловую модель газифицируют (замещают) заливаемым металлом, а внутриформенное разрежение (на уровне 50 кПа) создает направленный газоотвод. Однако также в виде одного из первых вариантов этой технологии для производства крупных и тяжелых отливок по таким моделям все шире используют формовочные песчаные смеси со связующим («Full Mold Process»). Среди таких смесей наиболее подходящими оказались жидкоподвижные самотвердеющие смеси (ЖСС), не требующие динамического уплотнения, что важно по причине невысокой прочности материала и легкой деформируемости 25 кг/м3) под действием внешних нагрузок, которые во~модели (плотностью время формовки обычно не должны превышать 1 кг/см2.
Такие методы формовки, как встряхивание, прессование, формовка пескометом и др., неприемлемы для производства отливок по моделям из пенополистирола. Даже формовку ручными простыми и пневматическими трамбовками нужно выполнять очень осторожно, чтобы не повредить модель, что делает такие методы нежелательными для серийного производства. Лучше всего применимы сыпучие или жидкоподвижные самотвердеющие смеси, не требующие дополнительного уплотнения, или для уплотнения которых достаточно вибрации. Песчано-глинистая формовочная смесь не обладает всеми указанными свойствами, поэтому ее редко применяют для данного метода литья.
ЖСС впервые были получены одновременно российскими и украинскими литейщиками [3]. Технологии ЖСС и ЛГМ почти «ровесники», обе по яркости неординарных технических решений заслуживают на вхождение в первую пятерку рейтинга замечательных литейных технологий прошлого века, если такой будет составлен. Мы вправе гордиться значительным вкладом отечественных ученых в создание ряда разновидностей этих технологий.
Совместное применение ЖСС и ЛГМ усложняет процесс литья путем «наложения» факторов, свойственных обеим технологиям, создавая ряд особенных обстоятельств, которые, в частности, газовый режим литейной формы, предполагают выяснение технологом-литейщиком закономерностей многофакторных взаимозависимых составляющих физико-химических, газо— и гидродинамических процессов с целью обеспечения стабильного качества получаемых отливок. При изготовлении отливок в формах со связующим собственный газовый режим литейной формы (будь она полой) дополняется мощным источником газовыделения (с подвижным фронтом) в виде продуктов газификации пенополистирола модели теплом заливаемого металла. Причем этот дополнительный источник газов может многократно превышать поток газов от формовочного материала.
В этой связи весьма важное качественное решение проблемы создания направленного вывода газов из полости формы во время деструкции модели в форме со связующим при одновременном дожигании этих газов до экологически безопасного уровня выполнено в соответствии с изобретением [4], позволяющим сообщить газовыводные каналы, выходящие на контрлад литейной формы, с пространством между моделью и зеркалом заливаемого металла. Рассмотрим c точки зрения оптимизации газового режима литейной формы предпосылки и результаты начального этапа работ по совместному использованию указанных технологий в производственных условиях Киевского завода «Большевик», являющимся одним из первых заводов, на которых применены ЖСС [3].
К началу проведения работ техническое обследование уровня состояния технологии формовки из ЖСС в сталелитейном цехе завода показало, что литейные формы подвергаются подсушке в сушиле или переносной горелкой, которая изначально не предусмотрена технологической инструкцией и понижает эффективность технологии ЖСС, внося дополнительные энерго— и трудозатраты. Причина подсушки — повышенные влажность и газотворность в сочетании с пониженной газопроницаемостью затвердевшей смеси, повышающие вероятность «кипения» литейных форм при заливке металлом, а также низкая прочность смеси. В свою очередь повышение влажности вызвано передозировкой жидкой композиции для увеличения текучести и прочности смеси на выходе смесителя, а неполное химическое отверждение смеси из мелкого песка с долей фракции 016 до 20% понижает прочность и газопроницаемость. Дозирование вручную большинства компонентов при приготовлении смеси вызвано изношенностью оборудования (эксплуатируется свыше 40 лет), в частности системы автоматического дозирования смесителя, в результате чего пониженная живучесть формовочной смеси составляет 3, 5-4 мин., что с учетом ее доставки бадьей, перемещаемой краном, не позволяет свободно залить смесью опоку, так как смесь теряет жидкоподвижность и частично «зависает» на стенках бадьи.
С учетом указанных отклонений от типового процесса ЖСС в условиях указанного завода решили первую опытную заливку при получении отливки желоба из углеродистой стали Ст35 массой около 2 т выполнить в форму, изготовленную по СО2-процессу, поскольку такие смеси имеют невысокую влажность на уровне 4-5%. Процесс заливки и изготовленная отливка убедительно показали возможность получения таких отливок в песчаных формах с жидкостекольным связующим. На рис. 1 показаны пенополистроловые модели желоба, а на рис. 2 — вариант отливки желоба в форме по СО2-процессу. Полученная отливка сразу после извлечения из формы практически не имеет пригара и нуждается лишь в зачистке абразивным кругом, а контактирующие слои смеси не требуют значительных усилий для их отслоения, и их остатки легко удаляются особенно после термообработки отливки.
Затем из этой же стали получили экспериментальную отливку массой свыше 200 кг типа вала мешалки смесителя (рис. 3), заформовав ее модель из пенополистирола по технологии ЖСС по действующей на заводе технологической инструкцией для процесса формовки. Отливка также, как и первая, получилась удовлетворительного качества по поверхности, а также без признаков «кипения» при заливке и без наличия усадочных дефектов, наблюдаемых после отрезки прибыли. Лишь вблизи питателя имелись места повышенной шероховатости поверхности и наплывы толщиной до 1мм на участке размерами не более 40х60 мм, что легко устраняется очистными операциями, а в дальнейшем их предотвращение требует двойной окраски этих мест на модели или применением краски с компонентами повышенной огнеупорности.
Процесс заливки (рис. 4) формы при получении по способу [4] отливки (рис. 3) показал, что газы от модели, выходя по каналам через выпор на контрлад формы, сразу воспламеняются и полностью сгорают без образования дыма, формируя факел, который при выполнении каналов направляют под углом в сторону от литниковой воронки. На рис. 4 видно, горение такого факела под заливочным ковшом и отсутствие дыма, в отличие от ранее применяемого вывода газов через боковые стенки формы по традиционной технологии с типичным обильным выделением дыма, что недопустимо по санитарным нормам и часто служило основным препятствием широкому внедрению ЛГМ в формы из ЖСС. Подобное выделением дыма без горения газов один из авторов наблюдал на Горьковском автозаводе в 80-х годах при литье крупных кузовных штампов способом ЛГМ, когда после заливки цех в течение часа проветривали, прервав работу. Форма отливки вала мешалки в пяти опоках сразу после заливки показана на рис. 5.
Получение двух указанных отливок показало возможность дальнейшего расширения номенклатуры и объемов крупного литья, а также необходимость восстановления технологии ЖСС без подсушки форм, которая нежелательна при ЛГМ-процессе по причине коробления модели и образования «смолистых» остатков на стенках полости формы от местной деструкции модели. В связи с этим после решения проблемы удаления газообразных продуктов деструкции модели из полости формы для достижения стабильного качества отливок без наиболее характерных в этом случае «вскипов» формы необходимо обеспечение требуемого газового режима самой формы из ЖСС, состоящего в достижении своеобразного оптимального газодинамического баланса, когда ее газопроницаемости достаточно для нивелирования влияния газотворности. При этом следует учесть вероятность попадания продуктов деструкции одноразовых пенополистироловых моделей в поры формовочной смеси качестве дополнительного источника газов. С целью уяснения механизмов и обстоятельств достижения позитивного газового баланса формы рассмотрим основные технологические принципы получения ЖСС и взаимозависимые характеристики смеси, используя данные монографии [3].
Физическую модель ЖСС можно представить в идеальном случае как зерна песчинок, окруженные пеной, которая раздвигает их до объемной массы смеси (1, 1-1, 3) •103 кг/м3 и служит такой своеобразной смазкой, что песчаная смесь приобретает жидкоподвижность. По истечении 10-15 мин. после замешивания формовочной смеси пена опадает, формовочная смесь теряет текучесть. Регулируют указанную устойчивость пены свойствами пенообразователя — промышленного ПАВ, специально подобранного и введенного в жидкую композицию при замешивании формовочной смеси.
Явление разрушения пен, которое определяет продолжительность текучести (живучести) смеси, в основном вызвано истечением междупленочной жидкости из так называемых каналов Плато-Гиббса (по именам двух первых исследователей пен), разделяющих воздушные оболочки пузырьков и носит название синерезиса. В пене происходит также диффузионный перенос газа за счет разности давлений в пузырьках разных размеров, т. к. пузырьки в пене имеют разную дисперсность. Этот процесс способствует увеличению или уменьшению размеров воздушных пузырьков, изменяя гранулометрический состав пены (обычно в пределах 0, 2-0, 4 мм). Также в пене происходит коалесценция из-за разрушения разделяющих пузырьки пленок жидкости при достижении ими некоторой критической толщины, чему способствуют истечение жидкости из пены и диффузия газа. При наличии пены газопроницаемость смеси близка к нулю, поэтому важно обеспечить не только достаточную продолжительность устойчивости пены для поддержания текучести смеси, но и указанный срок опадения пены.
Наилучшие технологические свойства дает применение песков групп К0315 и К020. С увеличением дисперсности песка снижается текучесть и газопроницаемость, хорошие результаты получены для речного песка с округлой формой зерен, хуже для угловатого, содержащего пыль и рассредоточенную структуру. Глинистая составляющая рекомендуется до 2%, что позволяет достичь ЖСС с технологически допустимой влажностью не более 4, 5-5, 5%, определяющей допустимый уровень газотворности. При содержании влаги в смеси более 5% и отношении обливаемой металлом поверхности стержня (или аналогичного участка формы без стержней, что свойственно ЛГМ-процессу) к площади его поперечного сечения больше 9, смесь при заливке металлом утрачивает газопроницаемость. В этом случае повышение газового давления часто приводит к «кипению» металла, которое предотвращают мерами дополнительной вентиляции таких участков формы, в частности, выполнением газоотводящих каналов (наколов).
Количество феррохромового шлака — отвердителя жидкого стекла (связующего формовочной смеси) подбирается таким (обычно 3-5%), чтобы твердение смеси происходило за 50-60 мин. Для ЛГМ-процесса допустим несколько больший срок твердения смеси, чем для литья по деревянных многоразовых моделях (поскольку отсутствует операция извлечения модели), что позволяет экономить до 20% этого материала. Такое уменьшение доли шлака как высокодисперсной составляющей повышает пенообразующую способность жидкой композиции и газопроницаемость смеси.
Признаком оптимального результата твердения смеси является равномерная высокая прочность и хрупкость смеси в объеме, что можно определить даже по раздавливанию пальцами комочка смеси. Этому виду смеси характерна повышенная хрупкость из-за недостаточной ударной вязкости. Но когда комок смеси имеет хрупкую корку (подсушенную на воздухе) и более податливую сердцевину, это первый признак неполного завершения химического твердения, что даст негативный газовый баланс свойств смеси. Последнее объясняется тем, что при твердении в результате гелеобразования жидкое стекло усаживается до 5% и выше. Его пленки между песчинками натягиваются и утоняются, вызывая рост газопроницаемости смеси в 2-3 раза параллельно с прочностью в течение 1-24 часов, чему способствует проникновение углекислоты из воздуха (как отвердителя жидкого стекла) в расширяющиеся поры смеси. Усадке смеси способствует возрастание количества шлака, а снижение температуры песка до 3-5°С в холодное время года резко снижает скорость восстановления газопроницаемости параллельно с твердением, что часто требует применения тепловой подсушки форм.
Подчеркнем также ряд других важных технологических мер применения ЖСС. Чтобы избежать ухудшения выбиваемости из-за высокой прочности и снижения газопроницаемости формы, содержание жидкого стекла в смеси не должно быть выше 6%. Поэтому иногда на практике применяемый вариант повышения текучести смеси путем увеличения дозировки жидкой композиции без уменьшения в ней доли жидкого стекла неприемлем. Также снижает прочность смеси уменьшение зерен песка благодаря увеличению водопоглощения, но еще большее снижение прочности дает добавка глины.
Важным вопросом при формовке является фиксирование пенополистирольной модели в ЖСС, поскольку модель очень легкая и смесь выталкивает ее на поверхность (модель всплывает). Во избежание этого рекомендуется сначала заливать смесь на 20-25% высоты опоки, а затем погружать в нее модель, формируя отпечаток низа модели, и выдерживать ее 15-20 мин. В этот период можно подготовить или установить литниковую систему, после чего опоку полностью заливают смесью. За указанное время смесь теряет жидкоподвижность и фиксирует модель. Нужно иметь в виду, что для крупных склеенных моделей при закреплении их низа архимедова сила в верхних текучих слоях формы может быть столь значительна, что может покоробить или по склейке разорвать модель, и после заполнения наливной смесью до верха опоки разрыв или трещину можно не заметить. Во избежание этого следует оклеивать тонкие места пластиковой лентой, применять крепления деталей модели повышенной надежности, вводить дополнительные рамки или стяжки.
Применение газифицируемых моделей в формах с ЖСС открывает большие возможности повышения точности отливок, устраняя разъем формы со свойственными ему зазорами, уклонами и перекосами. Так как ЖСС наливается на модель и уплотняется под действием собственной массы, исключается опасность деформации и повреждения пенопластовой модели. Значительно сокращаются при этом затраты на оснастку. А применение модельно-макетных станков с ЧПУ для вырезания моделей из блочного пенополистирола позволяет свести изготовление моделей до нескольких часов без какой-либо оснастки. Управление такими станками, количество типов и моделей которых сегодня постоянно растет при снижении их стоимости, обычно осуществляется через USB порт с обычного персонального компьютера в среде Windows.
Таким образом, рассмотрены перспективные возможности применения ЛГМ-процесса в формах из ЖСС при получении крупных отливок, основное препятствие распространения которого составляет с технологической точки зрения напряженный газовый режим формы. Показано на основе новых технических решений и на примерах получения стальных отливок возможность его регулирования с обеспечением требуемого качества литейной продукции и безопасных условий труда. Также выявлена потребность в модернизации установок ЖСС на современном техническом уровне, в частности, выпущенных отечественным литейным машиностроением в 60-80-х годах прошлого века, что позволит расширить совместное применение указанных отечественных технологий литья.
Литье по газифицируемым моделям позволяет вынести пескооборот за территорию литейного цеха.

4 Противопригарные покрытия на спиртовой основе для литья по газифицируемым моделям

Требования, предъявляемые к противопригарным покрытиям для литья по газифицируемым моделям (ГМ) отличаются от требований, предъявляемых к противопригарным покрытиям, используемым в традиционных методах литья. Эти особенности связаны, прежде всего, с тем, что наносятся они на поверхность пенополистироловых моделей, а не на поверхность литейной формы, как при литье в песчано-глинистые формы, кокиль и т.д.

Кроме основного требования к покрытию - предохранить поверхность отливки от пригара, при литье по ГМ покрытие способствует упрочнению модели и модельного блока вцелом, что упрощает их транспортировку от места изготовления к месту формовки и предотвращает поломку блоков моделей во время формовки.

Важная роль отводится свойствам противопригарных покрытий при удалении газообразных продуктов деструкции пенополистирола из зоны их образования, которое происходит через слой противопригарного покрытия.

Большинство традиционно - применяемых в литейном производстве противопригарных покрытий оказались непригодными для литья по ГМ из-за несмачиваемости поверхности модели, из-за низкой газопроницаемости; из-за высокой газотворности составляющих покрытия при заливке формы металлом, из-за взаимодействия с материалом модели.

В начале восьмидесятых годов в институте проблем литья (ФТИМС НАН Украины) были проведены исследования по разработке быстросохнущих противопригарных покрытий на спиртовой и водной основе. В дальнейшем эти работы были продолжены и углублены.

К разрабатываемым покрытиям были предъявлены следующие требования: хорошая кроющая способность при нанесении их на поверхность пенополистироловой модели; достаточно высокая газопроницаемость, обеспечивающая удаление продуктов разложение модели; достаточная механическая прочность при нормальных условиях и в условиях высоких температур; низкая газотворность. Кроме того покрытия должны быть быстросохнущими, обеспечивать высокую чистоту поверхности отливок, не взаимодействовать с поверхностью модели.

При разработке противопригарных покрытий на спиртовой основе были опробованы различные композиции, в которых основу представляли 3%-ный или 4%-ный растворы поливинилбутираля в спирте, играющие роль стабилизаторов красочной суспензии и связующего, придающего покрытию прочность при нормальных условиях. В качестве огнеупорного наполнителя исследовали такие материалы: перлит, тальк, пирофилит, трепал, цирконовый концентрат, дистен-силлиманитовый концентрат, графит, пылевидный кварц.

Перлит вспученный - фильтр-порошок (ДСТУ 3665-97) получается специальной обработкой минерала перлита в проточных печах. Основу перлита составляет SiO2. Температура плавления 1270^оС. Насыпная плотность - 0, 09г/см³.

Тальк (ГОСТ 19729-74). Молотый тальк получают из горной породы - талькита. Тальк - белый кристаллический порошок - магнезиальный силикат (3MgO·4SiO2· H2O). Насыпная плотность 1, 3 г/см³. Огнеупорность - 1200 - 1300 ^оС.

Порошок пирофилитовый (ОСТ УРСР 1343-90). Получают порошок путем размола пирофилитовых сланцев. Марка порошка П - 06; размер частиц - менее 0, 1 мм. Состав: SiО2 < 78%; Al2O3 - 15-30%; Fe2O3 ≤ 0.1%; (К2О+Na2O) < 0, 1%; (СаО+MgO)< 0, 2%. Потери при прокаливании (не более) - 0, 6%. Насыпная плотность 1, 46 г/см³. Огнеупорность 1540 - 1610 ^оС.

Трепел. Осадочная порода. Основу составляет двуокись кремния - SiO2 в форме кристабалита с примесью глинистого вещества органического происхождения. Температура плавления 1450'С, насыпная плотность 036 - 0, 60 г/см³.

Цирконовый концентрат (ОСТ 4882-81) порошкообразный. Основу составляет двуокись циркония ZnO2 > 65% (мас.) Другие составляющие: FeO ≤ 0, 10; TiO2 ≤ 0.4; Al2O3 ≤ 2.0; СаО ≤ 0, 1; MgO ≤ 0, 1. Твердость по шкале Мооса 7-8; плотность насыпная 4, 3-4, 8г/см³; крупность < 0, 063 мм. Огнеупорность 1750-1800 'С.

Дистен-силлиманитовый концентрат (ТУ 48-4-307-74). Марка КДС-П. Химический состав (% мас.): Al2O3 ≥ 57; SiO2 ≥ 9, 0; TiO2 ≤ 0, 1; Fe2O3; CaO ≤ 0.2; (Na2O+K2O) ≤ 0, 2; MgO ≤ 0.4; ZnO2 ≤ 2. Размер частиц не более 0, 05 мм. Насыпная плотность 3, 2 - 3, 5 г/см³. Огнеупорность 1600 - 1830'С.

Графит скрытокристаллический (ГОСТ 5420-74). Графит кристаллический (ГОСТ 5279-74). Аллотропические модификации углерода. Скрытокристаллический графит черного цвета жирный на ощупь порошок. Насыпная плотность - 0, 74 г/см³. Кристаллический графит - темно-серый кристаллический порошок со слабым металлическим блеском. Насыпная плотность - 0, 53 г/см³. В покрытии использовано 50% об. кристаллического и 50% об. аморфного графита.

Пылевидный кварц (маршалит) ГОСТ 9077-82 представляет собой тонкий порошок кремнезема SiO2. Рекомендуется использовать маршалит сорта 1 с содержанием SiO2 не менее 96%. Огнеупорность 1720'С. Зерновой состав: через сито 005 должно проходить не менее 75% материала. Насыпная плотность 0, 97 г/см³.

Спирт этиловый (гидролизный) марки А или Б ГОСТ 17299-78 используется для приготовления растворов поливинилбутираля и борной кислоты. Является жидкой основой противопригарного покрытия. Не допускается присутствие в спирте механической влаги.

Поливинилбутираль клеевой марки КБ ГОСТ 9436-73. Белый порошок с насыпной плотностью 0, 23 г/см³. Срок хранения не ограничен. Используется как катализатор способствующий вязкости покрытия и улучшает адгезию покрытия к модели.

Борная кислота (ГОСТ 9656-75) является катализатором, регулирующим вязкость противопригарного покрытия в присутствии бакелитового лака и улучшает адгезизионные свойства его по отношению к материалу модели.

Лак бакелитовый (ГОСТ 901-78) представляет собой раствор фенолформальдегидной смолы в органических растворителях. В противопригарных покрытиях используется - как высокококсующееся полимерное связующее, обеспечивающее ему прочность при температурах заливки формы металлом.

В процессе работы были опробованы бакелиты жидкие и бакелитовые лаки различных марок.

Используя эти материалы, были приготовлены противопригарные покрытия, где в качестве огнеупорного наполнителя использовали вспученный перлит. При этом определяли зольность лаков и смол бакелитовых, скорость высыхания красок, их газопроницаемость и газотворность, живучесть красочных суспензий. По результатам замеров для дальнейшей работы выбрали бакелитовые лаки марок А и Б. Сухой остаток бакелитового лака марки А составляет 50-60%; марки Б - 60-70%. Плотность лака должна быть 1, 05г/см³.

Основу методик для проведения испытаний исходных продуктов, красочных суспензий и готовых противопригарных покрытий составили известные методики, используемые в литейном производстве, в которые внесли некоторые изменения, позволяющие использовать их для покрытия при литье по газофицируемым моделям.

Относительную плотность покрытий определяли весовым методом

где А - масса цилиндра с покрытием, г;
В - масса пустого цилиндра, г;
V - объем цилиндра, см³.

Долговечность покрытий характеризовалась седиментационной устойчивостью и скоростью оседания частиц дисперстной фазы. Исследуемое покрытие наливали в цилиндры диаметром 20 мм и высотой 150 мм. Через определенное время определяли высоту отстоя.

Относительную величину отстоя определяли по формуле

где Н - относительная величина отстоя, %;
Н₁ - высота отстоя, см;
Н₀ - общая высота столба покрытия, см.

Определение скорости высыхания покрытия производили путем измерения массы образца - пенополистироловой пластины размером 100х150х10 мм, в зависимости от времени сушки. Для измерения использовали технические весы, на которых одна из подвесок с тарелочкой заменена балансирующим грузом с крючком, на котором подвешивали предварительно взвешенный и окрашенный образец. Затем через определенные интервалы времени производили взвешивание образцов.

Определение прочности покрытий на истирание производили по методике К.М.Ткаченко (" Противопригарные покрытия для форм и стержней", М. 1968 г.).

На стеклянную пластинку наносится слой противопригарного покрытия, который затем высушивали. Пластинка закрепляется под углом 45^о и в центр пластины на покрытие с высоты 5 см из стеклянной трубки диаметром 5 см и высотой 50 см через отверстие 3 мм высыпается стальной песок с размером частиц 0, 5 мм. Количество песка в килограммах, ушедшее на истирание слоя покрытия до образования просвета, служит эквивалентом прочности покрытия на истирание.

Газопроницаемость покрытий замеряли на стандартном приборе, модель 041, но при этом было изготовлено специальное приспособление (рис.1).

Рис. 1: Приспособление для определения газопроницаемости противопригарных покрытий

Противопригарное покрытие (1) наносили на сетку (2) с размером ячеек 2х2 мм, укрепленную в обойме, состоящей из двух колец (4 и 5) диаметром 50 мм. С противоположной стороны сетки плотно вставлялась пенополистироловая вставка, которая после предварительного провяливания покрытия удалялась. Окончательная сушка покрытия проводилась в термостате при температуре 60? С. Затем обойма вставлялась в специальную гильзу (8) с зажимным кольцом (7), снабженным ре-зиновыми прокладками (6 и 3), что обеспечивает герметичность и ускоряет утечку воздуха в период испытаний.

Расчет коэффициента газопроницаемости К производили по формулe

где К - коэффициент газопроницаемости;
δ - толщина корочки покрытия, см;
р - показания манометра в период испытаний, см.в.ст.;
t - время прохождения воздуха через слой краски, сек.;
98400 - результат преобразования постоянных величин.

Определение газотворности противопригарных покрытий проводили по стандартной методике, заключающейся в замере объема газообразных продуктов, выделяющихся при прокаливании навески массой 1±0, 01 г. помещенной в прокаленную фарфоровую лодочку, в трубчатой печи. Прокаливание производили при температуре 1300'С. Противопригарное покрытие, из которого брали навеску для испытаний, предварительно сушили в термостате до постоянной массы образца.

Для определения когезионных и адгезионных свойств покрытий был разработан универсальный прибор для определения изгибающего момента и силы разрыва с удобозаменяемыми приспособлениями.

Испытания сводились к определению силы (Па), необходимой для отделения слоя покрытия (адгезива) от пенополистироловой модели (субстрата), отнесенного к единице площади. При отработке методики были учтены особенности красочных систем и природа, входящих в них продуктов, т. е. их состав, отверждаемость, состояние поверхности субстрата, ее полярность, силы взаимодействия между адгезивом и субстрактом. Учитывая эти факторы, была разработана технология изготовления опытных образцов. На рис. 2 представлена схема приспособления для определения сил адгезии.

Рис. 2: Схема приспособления для определения сил адгезии покрытий 1 - субстрат; 2 - захват; 3 - перфорированная пластина; 4 - слой покрытия.

При изготовлении образца слой краски наносили на поверхность субстрата, сверху которого располагалась перфорированная пластина из латуни. Выбор последней определяется высокой адгезией к материалам систем, содержащих в себе фенолформальдегидные смолы, во много раз превышающей адгезию их к неполярным материалам, в частности пенополистиролу. Роль отверстий в перфорированной решетки - создать условия для испарения растворителя из слоя краски.

Через захват к системе производится равномерная подача нагрузки, значения которой фиксируется.

Для определения механических свойств противопригарных покрытий, был изготовлен универсальный прибор, в котором обеспечена равномерная подача нагрузки на испытуемый образец. Возникающие в образце напряжения в момент изгиба или излома фиксируется с помощью датчика (6) и самописца, сменный противовес (5) позволяет расширить диапазон измерений (рис. №3).

Рис.3: Схема узлов нагружения:

В процессе работы определили состав противопригарных покрытий наиболее полно отвечающих предъявляемым требованиям:

· Огнеупорный наполнитель - 50%.

· 3-% ный раствор поливинилбутираля в спирте - 50%.

· 3-% ный раствор борной кислоты в спирте (сверх 100%) - 12%.

· Бакелитовый лак (сверх 100%) - 10%.

Некоторые свойства исследуемых покрытий приведены в таблице 1.

Таблица 1- Свойства покрытий

Как видно из данных, приведенных в табл. 1, плотность противопригарных покрытий находится в полной зависимости от насыпной плотности используемого огнеупорного наполнителя.

Наибольшей вязкостью обладают покрытия, содержащие в своем составе цирконовый концентрат, тальк и пылевидный кварц. Противопригарные покрытия представляют собой гетерогенные многофазные системы, на которых оказывают большое влияние не только относительная молекулярная масса плёнообразователя, но и тип растворителя, природа и дисперсность наполнителя.

Поскольку адгезия является результатом взаимодействия молекул адгезива и субстрата, то она прежде всего зависит от химической природы и структуры взаимодействующих материалов - противопригарного покрытия и пенополистирола. Наибольшей адгезией обладает покрытие, содержащее цирконовый концентрат. Надо отметить, что все исследуемые составы противопригарных покрытий обладают достаточно высокой адгезией к поверхности пенополистирола и достаточно высокой прочностью на разрыв.

Рис. 4: Зависимость скорости оседания дисперсной фазы огнеупорного наполнителя в противопригарных покрытиях от времени выдержки для различных материалов

Анализ седиментационной устойчивости исследуемых покрытий показал, что их можно считать седиментационно-устойчивыми, так как в течение восьми часов максимальное расслоение покрытия происходит в пределах от 1 до 18% (рис.4) по высоте опытного образца, что вполне допустимо при работе с покрытиями в производственных условиях и не требует прибегать к частому их перемешиванию в течение рабочей смены.

Важную роль в получении качественных отливок при литье по газифицируемым моделям играет газопроницаемость покрытий. В зависимости от свойств используемых огнеупорных наполнителей, от условий формирования корочки противо-пригарного покрытия в процессе её отверждения, в ней образуются поры открытого и закрытого типа (рисунок 5).

перлит	перлит 80% об. пылевидный кварц 20% об.
трепел	пирофилит
тальк	графит
дистен-силлиманитовый концентрат	цирконовый концентрат
Рис. 5: Внешний вид корочек покрытий, полученных из красок на спиртовой основе с различными огнеупорными наполнителями при увеличении /х 12, 6/

На образование пор влияет множество различных факторов: физическое состояние системы, скорость удаления растворителя из слоя покрытия и с его поверхности во время сушки, природа огнеупорного наполнителя, его смачиваемость и дисперсность и пр. Наибольшей газопроницаемостью обладают покрытия на основе перлита, трепела и содержащие перлит и пылевидный кварц. Наименьшая газопроницаемость у цирконового покрытия.На рисунке 5 приведены фотографии корочек покрытий, сфотографированные на бинокулярном микроскопе при увеличении х 12, 6. Подсветка производилась снизу. Яркие белые пятна - открытые поры, тусклые серые неярковыраженные - закрытые поры.Особенно много закрытых и открытых пор в корочке покрытий на перлитовой основе и трепала. Больше закрытых, чем открытых пор в покрытии на основе дистен-силлиманита. В цирконовом, тальковом и графитовом покрытии имеются единичные поры в поле зрения шлифа. Значения газопроницаемости покрытий приведены в таблице 2

Таблица 2-Газопроницаемость покрытий

Важное значение при изучении свойств красочных суспензий имеет определение скорости отверждения покрытий при различных режимах сушки. В процессе сушки в коллоидных системах происходят сложные физико-химические процессы, которые зависят от множества факторов. В данной работе рассматривается сушка противопригарных покрытий отличающихся содержанием в них различных огнеупорных наполнителей.

Изучение скорости и продолжительности отверждения противоприганых покрытий производили в естественных условиях и в искусственных условиях в спокойном режиме и в потоке воздуха при температуре 50-55°С. Результаты исследований приведены на рис. 6.

В процессе отверждения слоя покрытия происходит удаление растворителя с поверхности окрашенной модели, что приводит к образованию плёнки на поверхности покрытия. Как видно из рис. 6 в первый момент, когда растворителя много, происходит сравнительно интенсивное удаление его основной массы с поверхности, после чего начинается диффузия растворителя из нижних слоёв покрытия вверх. Удаление остатков растворителя - процесс, протекающий медленно и, практически, не доходящий до конца. В результате коллоид в системе постепенно переходит в гель, затем в ксерогель, содержащий в себе равномерно распределённые частицы огнеупорного наполнителя.

Как видно, процесс отверждения покрытия происходит более интенсивно в потоке воздуха при температуре 50-55°С. Но при этом интенсивно удаляется растворитель из поверхностного слоя, а в глубине покрытия ещё длительное время остаётся большое количество связующего летучего вещества. Нужно отметить, что при сушке спиртовых покрытий в спокойном режиме при тех же температурах, количество удалённого растворителя превышает значения, полученные при сушке этого покрытия в потоке воздуха. Это явление объясняется тем, что процесс образования " корки" в спокойном режиме происходит гораздо медленнее, что благоприятствует протеканию процесса испарения растворителя из нижележащих слоёв покрытия.

Процесс отверждения покрытия в естественных условиях при температуре 18-20°С принимает весьма затяжной характер, особенно в условиях, когда требуется нанесение второго слоя покрытия на модель. Потому такой режим сушки нельзя рекомендовать для применения в производственных условиях.

Суммируя полученные результаты, можно рекомендовать сушку противопригарных покрытий, используя такие режимы: провяливание моделей при естественной температуре окружающей среды 20-25 °С в течение 15-20 мин. И затем суш-ка в сушильной установке при температуре 50±5 °С в потоке воздуха до полного высыхания слоя покрытия. При необходимости нанес6ения второго слоя покрытия (для толстостенных отливок, для отливок сложной конфигурации, имеющих протяженные внутренние каналы и отверстия и т.п.), он наносится после полного высыхания первого слоя покрытия. Если первый слой покрытия недостаточно высушен, может произойти отслоение обоих слоёв покрытия.

Газопроницаемость противопригарных покрытий определяется природой используемых растворителей. На рис. 7 приведено значение удельной газотворности продуктов, используемых для приготовления противопригарных покрытий для литья по газифицируемым моделям.

При проверке противопригарных покрытий на практике было обнаружена зависимость качества поверхности получаемых отливок от газопроницаемости применяемых покрытий. В качестве моделей использовали плиты размером 100 х 150 мм различной толщины: 5, 10, 20 и 40 мм.

а) - в спокойном режиме при температуре 50-55 °С	б) - в потоке воздуха при температуре 50-55 °С
в) - в естественных условиях при температуре 18-20 °С
Рис. 6: Скорость отверждения покрытий на спиртовой основе в искусственных условиях

При использовании покрытий, имеющих газопроницаемость менее 2 ед., верхняя часть отливок поражена дефектами типа " жидкая фаза", образующимисч из-за плохого удаления продуктов деструкции пенополистирола из зоны их образования. Имелись случаи не полного заполнения формы металлом в тонкостенных отливках.

Рис. 7: Удельная газотворность исходных продуктов, используемых для покрытий 1 - 4%-ный раствор поливинил-бутераля в спирте; 2 - 3%-ный раствор поливинил-бутераля в спирте; 3 - смола СФЖ-309; 4 - натрий-карбоксиметилцеллюлоза; 5 - 2, 5%-ный раствор Na-КМЦ в воде; 6 - бакелитовый лак ЛБС-1.	Рис. 8: Отливка " цилиндр" после выбивки

Наилучшей газопроницаемостью обладают покрытия, содержащие вспученный фильтр-порошок перлита, наименьшей - покрытия на основе цирконового концентрата. Для повышения газопроницаемости покрытий рекомендуется добавлять в него фильтр-перлит. Количество добавляемого фильтрперлита зависит от температуры заливаемого металла. Огнеупорность фильтр-перлита составляет 1270 °С и при добавке его в покрытие, используемое при получении отливок из стали общая огнеупорность покрытия снижается.

Получивший в последнее время распостранение способ литья по газифицируемым моделям с использованием вакуумирующей системы, способствующей удалению газо- и парообразных продуктов деструкции пенополистирола из зоны их образования, способствует улучшению газового режима формы и позволяет использовать противопригарные покрытия с низкой газопроницаемостью.

Разработанные покрытия были опробованы при получении отливок из серого и высокопрочного чугуна, из стали и сплавов на основе меди. В результате изучения влияния различных покрытий на чистоту поверхности отливок рекомендовано применение исследуемых составов покрытий:

· для получения мелких и средних стальных отливок с толщиной стенки до 10 мм рекомендованы противопригарные покрытия на основе пирофиллита, дистен-силлиманита, пылевидного кварца с добавлением фильтрперлита;

· для среднего стального литья с толщиной стенки до 20 мм - покрытия на основе дистен-силлиманита и цирконового концентрата;

· для крупного стального литья наилучшие результаты получены при использовании покрытий на основе цирконового концентрата.

· Для чугунных отливок развесом до 20 кг практически все составы покрытий (кроме талькового и трепелового) показали хорошие результаты. От покрытий на основе талька и трепела для практического их использования отказались, т.к. первое не обеспечивает требуемую чистоту поверхности отливок, а второе, не смотря на высокую температуру плавления, имеет низкую термостойкость, в результате чего на поверхности отливок образуются просечки. Покрытие на основе цирконового концентрата нецелесообразно использовать в данном случае с экономической точки зрения. Хорошо зарекомендовали себя покрытия на основе перлита, дистен-силлиманита и их комбинации. Для отливок массой 50 кг и более необходимо увеличить толщину слоя покрытия.

· При литье сплавов на основе меди хорошие результаты получены при использовании покрытий на основе фильтр-перлита с пылевидным кварцем, дистен-силлиманита с фильтр-прелитом, цирконового концентрата с фильтрперлитом.

Нужно отметить, что противопригарные покрытия на спиртовой основе имеют характерную особенность - они после выбивки отливок, отстают от поверхности отливок в виде спёкшейся корочки, под которой остаётся чистая поверхность металла, что хорошо видно на рис. 8.

На рис. 9 - 11 приведены отливки, полученные литьём по газифицируемым моделям с использованием спиртовых покрытий.

Рис. 9: Отливка " крышка", сталь 35Л
Рис. 10: Отливка " корпус", нержавеющая сталь	Рис. 11: Отливки " колесо рабочее", хромистый чугун

Расход противопригарного покрытия составляет около 30 л на 1 т литья. При этом для мелкого тонкостенного литья этот показатель может быть несколько выше, а для крупного литья он снижается до 23 - 25 л на 1 т литья.

ВЫВОДЫ

Создание технологии литья по газифицируемым моделям, связанные с научно-технической революции второй половины прошлого века наряду с процессами, такими как вакуумная формовка, непрерывное литье, литье под низким давлением. Все эти технологии на подъеме. Множество предприятий внедряют и гибкую технологию литья по газифицируемым моделям. По всему миру – от Америки до Китая, на заводах General Motors, Ford Motors, Fiat. успешно эксплуатируются полуавтоматические и автоматические линии ЛГМ. В настоящее время в мире по полистирольным моделям производят около 1, 4% от всех литья – свыше 1 млн т / год, прогнозы на ближайшее будущее этой технологии дает 10 … 20% мирового литья.

Литье по газмоделям - реальная перспектива каждого литейного цеха, когда есть спрос на точные заготовки в обрабатывающей промышленности, а отливки составляют 50-60% от массы машин. Этот способ производства отливок дает возможность изготовления сложных по конфигурации моделей без использования стержневого и смесеприготовительного оборудования. по пенополистирольным моделям, которые не удаляются из формы, а остаются в ней и газифицируются под действием тепловой энергии металла, заливаемого в форму. По сравнению с традиционными, этот метод наиболее экономичный и прогрессивный.

Применение технологий литья по газифицируемым моделям – важный шаг в области охраны окружающей среды. Об этом свидетельствуют данные таблицы

Таблица 3 –Сравнительное количество отходов на каждую тонну отливок:

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………1