Современные тенденции применения смесей на жидком стекле с эфирными отвердителями

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ЛИТЬЕ: ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ»

А. М. Каратеев, д.х.н., проф., зав. кафедрой
«Технологии полимерных материалов и покрытий»,
О. И. Пономаренко, д.т.н., проф. кафедры
«Литейное производство»,
Т.В. Берлизева, к.т.н., асс. кафедры
«Литейное производство»,
Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт», г. Харьков

 

Состояние вопроса и постановка проблемы

В современном литейном производстве существует большое количество способов изготовления форм и стержней с применением многочисленных составов смесей. Одними из самых распространенных являются холоднотвердеющие смеси (ХТС).

Часто используемым способом является процесс изготовления стержней и форм на жидком стекле (ЖС), а технологии их получения применяются на многих предприятиях. Это обусловлено тем, что жидкое стекло является доступным, недорогим и нетоксичным связующим, а его использование в качестве связующего для изготовления формовочных и стержневых смесей позволяет получать более прочные формы, снижать металлоемкость отливок за счет получения более тонкостенных изделий и повышать качество отливок.

Главным недостатком при использовании жидкостекольных холоднотвердеющих смесей, отверждаемых СО2, SО2 или тепловой сушкой, является образование при температуре более 700°С легкоплавких силикатов, которые приводят к спеканию смесей, повышению их остаточной прочности и ухудшению выбиваемости.

Одним из способов улучшения выбиваемости формовочных и стержневых смесей является процесс использования сложных эфиров совместно с жидким стеклом. Поэтому разработка и внедрение в производство новых комплексных добавок для ХТС на ЖС, регулирующих прочностные свойства смесей, является актуальной задачей литейного производства.

Результаты исследований

В работе исследовались такие свойства, как прочность на сжатие, живучесть, выбиваемость, осыпаемость и газопроницаемость. Для исследования эффективности смесей на жидком стекле с эфирными добавками проведено три серии экспериментов. При проведении экспериментов использовали жидкое стекло с модулем 2,36 и плотностью 1,47 г/см3. В качестве наполнителя формовочных смесей применяли кварцевый песок марки 2 К1 О102 ГОСТ 2138–91.

Первая серия экспериментов была проведена с целью установления физико-механических свойств смесей на основе ацетатов этиленгликоля (АЦЕГ). В качестве основы эфирных отвердителей использовали моноацетаты этиленгликоля (МАЭГ) и диацетаты этиленгликоля (ДАЭГ). В состав МАЭГ и ДАЭГ добавляли этиленгликоль (ЭГ), тэтраэтоксисиланы (ТЭОС), этилсиликат (ЭС-40) в количестве до 10%.

Добавки ЭГ, ТЭОС и ЭС-40 вводили в разных количествах. Количество ЭГ варьировали от 5 до 10 мас.% от количества отвердителя МАЭГ, а ТЭОС и ЭС-40 — от 1 до 3 мас.% от количества отвердителя МАЭГ и ДАЭГ. Смесь готовили следующим образом: на 100 мас.% кварцевого песка добавляли 0,4…0,6 мас.% эфирных отвердителей с добавками, перемешивали в течение 3 минут, а затем вводили 4 мас.% натриевого жидкого стекла и перемешивали еще 2 минуты.

В работе были исследованы 19 составов смесей с жидким стеклом на основе эфирных отвердителей с добавками. Анализ данных по прочности на сжатие образцов показал, что самые высокие показатели достигаются в ХТС на жидком стекле с отвердителями следующих составов:

1) ДАЭГ — 91 мас.% с ЭГ — 9 мас.%;

2) МАЭГ — 98 мас.% с ТЭОС — 2 мас.%.

Прочность на сжатие смесей с отвердителями первого состава составляет: через 1 час — 0,8 МПа, через 3 часа — 1,2 МПа; для второго состава: через 1 час — 1,0 МПа, через 3 часа — 1,4 МПа. При использовании исследуемых эфирных отвердителей с добавками остаточная прочность снижается в 1,4…1,6 раза и составляет 3…5 МПа. Для исследуемых образцов осыпаемость через 24 часа составляла ≤ 0,15%, газопроницаемость — более 120 ед. Результаты исследований показали, что живучесть смесей с использованием жидких отвердителей изменялась в широких пределах и составляла от 8 до 50 мин.

Для второй серии экспериментов была предложена добавка, в которую, помимо триацетина (ТАЦ), вводили некоторое количество фурфурилового спирта (ФС).

Смесь готовили следующим образом: на 100 мас. % кварцевого песка добавляли 0,4 мас. % жидкой добавки триацетина с фурфуриловым спиртом (ТАЦ с ФС) в соотношении 1:1, перемешивали в течение 3 минут, а затем вводили 4 мас. % натриевого жидкого стекла и перемешивали еще 2 минуты. Отверждение смеси, содержащей в своем составе ТАЦ с ФС, происходит по реакциям:

 

Отверждение композиции начинается с гидролиза жидкого стекла с последующим выделением уксусной кислоты и образованием кремневой кислоты и конденсацией её в гель. При добавлении в смесь фурфурилового спирта образуется трехмерный полимер. После заливки металлом полимерная сетка, образованная спиртом, частично деструктирует, понижая остаточную прочность смеси.

Показатели прочности на сжатие составляют: через 1 час — 1,08…1,3 МПа; через 3 часа — 1,40…1,85 МПа; через 24 часа — 2,57…3,34 МПа. Показатели живучести — 9 …30 мин., осыпаемости — 0,1…0,5%, остаточной прочности — 1,04 …3,42 МПа.

В результате исследований прочностных показателей ХТС специальной добавкой на основе триацетина с фурфуриловым спиртом (ТАЦ с ФС) выяснилось, что это позволяет повысить прочность на сжатие через 1 час по сравнению с МАЭГ и ДАЭГ.

В третьей серии экспериментов были исследованы физико-механические свойства формовочных смесей на основе жидкого стекла с добавкой фурфурилоксипропилциклокарбонатов (ФОПЦК). Опыты были направлены на исследование влияния добавок на выбиваемость смесей. Для третьей серии экспериментов была предложена полученная в НТУ «ХПИ» новая универсальная добавка — фурфурил­оксипропилциклокарбонат (ФОПЦК) на основе сырья растительного происхождения (Патент Украины UA № 95138).

Схема процесса отверждения смесей на жидком стекле с ФОПЦК представлена ниже. ФОПЦК является экологически безопасным материалом, так как в щелочной среде (pH >> 7) разлагается с выделением СО2. Происходит гидролиз ЖС с последующим выделением угольной кислоты и образованием геля кремниевой кислоты, которая связывает зерна песка.

 

В результате проведения экспериментов были определены основные свойства свойств ХТС на ЖС с использованием ФОПЦК: прочность на сжатие, живучесть, газотворность, газопроницаемость, осыпаемость и выбиваемость, от которых зависит качество отливок при литье в песчаные формы.

Показатели прочности на сжатие по технологической пробе, в среднем, составляют: через 1 час — 1,8…2,0 МПа; через 3 часа — 2,5…3,0 МПа; через 24 часа — 3,5…4,0 МПа. Живучесть смеси находится в пределах 10…20 мин. Осыпаемость смесей находится в пределах 0,1…0,24%, газопроницаемость > 400 ед., остаточная прочность — 0,74…2,06 МПа.

Прочность на сжатие смесей на жидком стекле с различными эфирными отвердителями на основе проведения всех экспериментов представлена в виде математических зависимостей, имеющих вид параболы n-ого порядка, при n < 1, которые представлены на рис. 1. Представленные зависимости в общем виде могут быть описаны степенной функцией у = axn.

В табл. 1 приведены математические зависимости нарастания прочности смеси во времени и величины достоверности аппроксимации R2, у — прочность смеси на сжатие, МПа, х — время, час.

При проведении экспериментов особое внимание было уделено выбиваемости смесей, т. к. процесс выбивания является наиболее тяжелой по своим санитарно-гигиеническим условиям операцией из всего цикла изготовления отливок, который сопровождается большим пыле-, газо-, тепловыделением и высоким уровнем шума. В работе для определения количественной оценки выбиваемости использовали метод остаточной прочности нагретых и охлажденных стандартных образцов. На рис. 2 приведена остаточная прочность смесей с различными отвердителями.

Сравнительный анализ характеристик показал, что в данное время наиболее перспективным является использование в смесях с жидким стеклом специальной добавки ТАЦ с ФС и универсальной добавки ФОПЦК.

 

Выводы

  1.  Экспериментально определены и установлены закономерности нарастания прочности на сжатие смеси с использованием эфирных отвердителей и следующих технологических добавок: моноацетата этиленгликоля (МАЭГ), диацетата этиленгликоля (ДАЭГ), этилсиликата (ЭС-40), этиленгликоля (ЭГ), тэтраэтоксисилана (ТЭОС).
  2.  Предложена и апробирована специальная добавка для ХТС на жидком стекле на основе триацетина с фурфуриловым спиртом (ТАЦ с ФС), которая позволяет повысить прочность на сжатие, достигаемую через 1 час по сравнению с МАЭГ и ДАЭГ.
  3.  Разработана новая универсальная добавка для ХТС на ЖС на основе фурфурилоксипропилциклокарбонатов, которая позволяет повысить прочность форм и стержней на этапе их приготовления и способствует разупрочнению смеси после заливки металлом и их охлаждения. Универсальная добавка ФОПЦК является экологически безопасным материалом, так как при заливке металла в форму в результате термической деструкции ФОПЦК разлагается и выделяет в объеме сформированной композиции СО2 и пары воды в окружающую среду (Патент Украины UA № 95138).
  4.  Определены основные свойства ХТС на ЖС с использованием универсальной добавки ФОПЦК: прочность, живучесть, газотворность, газопроницаемость, осыпаемость, влажность и остаточная прочность, от которых зависит качество отливок при литье в песчаные формы.
  5. Использование жидких эфирных добавок уменьшает расход жидкого стекла до 2,5…4% и тем самым в 1,5…2 раза улучшает выбиваемость форм и стержней. Эффективными являются смесевые добавки эфиров, состоящие из 2–3 наименований, специальная добавка ТАЦ с ФС и универсальная добавка ФОПЦК.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.