Смеси, отверждаемые продувкой газами и аэрозолями



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Смеси, отверждаемые продувкой газами и аэрозолями



Начиная с 1970-х г. фирмы «Ashland» (США), «Borden» (Англия) и другие разрабатывают органические связующие системы, быстроотверждаемые при комнатной температуре в результате контакта с газо­выми (парообразными) реагентами. Технология, основанная на быст­ром холодном отверждении смеси в оснастке при продувке газовыми катализаторами, послужила импульсом к дальнейшему развитию из­готовления стержней при массовом и крупносерийном производстве отливок и получила быстрое распространение за рубежом, существен­но потеснив и ограничив область применения технологии изготовления стержней по горячим ящикам.

Санитарно-гигиенические характеристики существующих вариантов Cold-box-процесса оказались просто не со­поставимы с таковыми в технологии «горячие ящики»: настолько ве­сомо и зримо они изменились в лучшую сторону.

Параметры процессов холодного отверждения путем продувки газовыми реагентами приведены в табл. 58.

Активные газовые реагенты в исходном состоянии представляют собой газы (SО2, СО2) или жидкости (амины, метилформиат) с темпе­ратурой кипения в интервале 2,5–90,0 °С, что позволяет относительно легко перевести их в парообразное состояние. Следовательно, не­обходимо специальное устройство для приготовления газовых смесей с возможностью точного регулирования дозы реагента в газе-носителе.

При выборе того или иного варианта технологии для конкретной номенклатуры отливок необходимо учитывать возможность образования специфических литейных дефектов. По материалам фирмы «Ashland» в табл. 59 приведена качественная оценка различных технологий по технологи­ческим пробам, принятым для оценки склонности смесей к образова­нию литейных дефектов.

Таблица 59

Склонность к образованию литейных дефектов при использовании
различных технологий изготовления стержней

 

Дефект Оценки процессов
Cold-box- amin Epoxy-SO2 и FRC BETA-SET CO2 на жидком стекле
Эрозия
Просечки
Чистота поверхности
Газовые раковины
Проникновение металла
Образование блестящего углерода
Выбиваемость

 

П р и м е ч а н и е. Оценки: 1 – отлично, 2 – хорошо, 3 – удовлетворительно, 4 – плохо, 5 – очень плохо.


 

 

Таблица 59

Процессы холодного отверждения путем продувки газовыми реагентами

 

Торговое наиме­нование процесса и связующей системы Компоненты связую­щего Газовый реагент и инертный газ-носитель Стоимость связующей системы, условные единицы Область приме­нения по виду литейных сплавов
Cold-box-amin-процесс (связую­щие ISOCURE) Раствор бензилэфир­ной смолы; полиизоцианат (дифенилме-тандиизоцианат) в виде раствора Амины: триэтиламин (ТЭА) (C2H5)3N, диметилэтиламин (ДМЭА) (CH3)2NC2H5 в токе N2 или СО2 или в токе воз­духа + продувка N2; СО2 или воздуха Чугунное и цветное
Cold -box-plus То же, что для Cold-box-amin, с дополни­тельным нагревом ос­настки до 70–80 °С То же, что для COLD-box-amin
SO2-процесс (Hardox, Sapic, So-Fast, Instadraw 1) Фурановая смола; ор­ганический гидропероксид, например пероксид метлэтилкетона SO2 (15–20 %) в токе сухого воздуха или N2 или СО2, SО2 (80–85 %) + продувка N2 или СО2, или сухим воздухом 1,3 Чугунное и cтальное
Epoxy-SO2 -процесс (Riitapox, Instadraw 2) Эпоксидная смола, органический гидропероксид То же, что для so2- процесса (см. выше) 1,5–2,0
Free-Radical, FRC/ISOSET Акриловая или эпоксиакриловая смола SO2 (1–5 %) в токе N2 или СО2 (95–99 %) + продувка N2 или СО2 1,5–2,0
Beta-set, Cold-box-M (Novacure) Щелочной резольный полифенолят (молярное отношение КОН/фенол- –0,6–1,0) Метилформиат НСОО-СН3 (30–40 % массы смолы) в токе сухого воздуха + про­дувка воздухом 0,8
СО2-Resol; Fenoxy- СО2 (Carbophen, Ecolotec) Резольный полифе­нолят, модифициро­ванный спецдобавкой СО2 (до 1,0 % от массы стержневой смеси) под из­быточным давлением 0,1–0,4 МПа


Данные являются ориентиро­вочными и подлежат уточнению при производственных испытаниях.

Cold-box-amin-процесс. Двухкомпонентное связующее, включающее компонент 1 с вяз­костью 100–150 сП на основе бензил-эфирной смолы, растворителей и специальных добавок и компонент 2 на основе полиизоцианата (дифенилметан-4,4'-диизоцианата), растворителей и специальных добавок, описано выше для Pep-set-процесса. Суммар­ный расход связующего составляет 1,2–1,8 мас.ч. на 100 мас.ч. квар­цевого песка при массовом соотношении компонентов 1 и 2 от 55:45 до 50:50.

Основные свойства аминов приведены в табл. 60.

 

Таблица60

Номенклатура и свойства аминов для Cold-box-amin-процесса

 

Свойство Номенклатура аминов
триэтиламин (ТЭА) диметилизопропиламин (ДМИА) диметилэтиламин (ДМЭА) триметиламин (ТМА)
Химическая формула (C2H5)3N (CH3)2CHN(CH3)2 C2H5N(CH3)2 (CH3)3N
Молекулярный вес, г/моль 101,2 87,1 73,1 59,1
Плотность (при 20 °С), г/см3 0,73 0,72 0,66 0,63
Растворимость в воде, г/л 15,0 Легкорастворимые
Температура, °С:        
плавления –114,8 Нет сведений То же –124,0
кипения 89,5 64–65 35–36 2,9
воспламенения –11 –16 –45,5 –65
вспышки
Давление пара (при 20 °С), мбар
ПДК, мг/м3 и класс опасности (по ГОСТ 12.1.005-88) 10; III Нет сведений 5; III
ПДК1), нормы Германии, ррm2)
Порог чувствительности на запах, мг/м3 0,008 0,040 0,004 Менее 0,004
Взрывоопасность смеси с воздухом, об. % 1,6–9,3 1,0–8,1 0,9–11,2 2,0–11,6
Расход амина, %, на массу связующего (комп. 1 + комп. 2) 5–10 5–8 2–5 1–3

 

1) Предельно-допустимая концентрация.

2) ppm – количество массовых частей вещества на 106 массовых частей воздуха.

 

 

Точная дозировка испаряемого в нагревательном устройстве амина и продувка стержня парогазовой смесью (пары амина в газе-носителе) под давлением 0,03–0,30 МПа осуществляется с помощью пневмоиспарительного генератора. Затем стержень продувают осу­шенным воздухом с целью очистки от отработавшего амина путем по­дачи последнего в нейтрализатор.

Каталитическая активность амина повышается с ростом его кон­центрации в газовой смеси (амин + инертный носитель). Когда в каче­стве носителя используют осушенный воздух (напомним, что влага в любой форме противопоказана данному процессу), то концентрация амина по соображениям взрывобезопасности ограничивается 1,5–2,0 %. Использование в качестве носителей СО2 или N2 существенно дороже, но позволяет повысить концентрацию амина до 10–12 % (для ТЭА) и до 20 % (для ДМЭА и ТМА) и благодаря этому резко усилить активность катализатора, что обеспечивает сокращение времени продувки и всего цикла изготовления стержня. Так, по опыту французской фирмы «Pont-a-Mousson», переход от реагента «осушенный воздух + ТЭА» к реагенту «СО2 + ДМЭА» позволяет сократить время продувки с 15–30 до 1 с, а для стержней менее 1 кг – до 0,2 с.

Очень важным показателем является температура кипения ами­на (см. табл. 60). Просматривается четко выраженная тенденция перехода к ами­нам с возможно более низкой температурой кипения: от ТЭА – к ДМИА, от ДМИА – к ДМЭА, а в самое последнее время от ДМЭА – к ТМА. Переход к ДМЭА и к ТМА позволяет заменить систему «аэрозоль амина + носитель» системой «пар амина + носи­тель», то есть превращает каталитический реагент в истинно газовую смесь.

Применение низкокипящих аминов обеспечивает достижение целого комплекса преимуществ:

– в 2 раза снижается давление, сокраща­ется время продувки;

– облегчается диффузия газового катализатора;

– снижается остаточное количество амина в готовом стержне;

– повышается активность газовой смеси, скорость отверждения и прочность сразу после продувки;

– снижается удельный расход амина на массу смеси.

Изменение реакционной способности при переходе к низкокипящему амину иллюстрируется сравнительными прочностными свой­ствами смесей:

Прочность на изгиб, МПа:        
  Сразу после продувки Через 1 ч выдержки Через 24 часа
ДМЭА 1,20 1,75 2,60
ТМА 1,75 1,90 2,60
         

 

В настоящее время наиболее употребимым амином в зарубежной практике является ДМЭА. Переход к ТМА сдерживается необходимо­стью переоборудования генераторов (так как ТМА при 20 °С – газ, а не жидкость) и более сильно выраженным запахом ТМА.

В лабораторных условиях расход амина составляет 0,05–0,10 г/кг стержневой смеси, в производственных – в зависимости от массы и конфигурации стержня – 0,2–1,5 г/кг смеси (0,3–1,0 см3/дм3 смеси). Предварительный нагрев воздуха до 40–65 °С способствует повыше­нию каталитической активности газового реагента.

Связующие для Cold-box-amin-процесса выпускаются всеми ве­дущими фирмами мира, обслуживающими литейное производство, причем их марочная номенклатура насчитывает много наименований. Так, фирмой «Ashland» выпускается по 5–6 компонентов 1 и 2 марок «Isocure» с различными цифровыми индексами (например, Isocure 308, 315 – компонент 1, Isocure 606, 608, 610, 612 – компонент 2, Isocure 700, 702 – аминные катализаторы, соответственно, ТЭА и ДМЭА), фирмой «Huttenes Albertus» (Германия) выпускается до 12 марок связующих.

В России ТОО «Полигон» освоено производство двухкомпонентного связующего «Полифам-1», в качестве каталитического реа­гента используют смесь паров ТЭА с осушенным воздухом, причем ТЭА применяют в виде технического продукта по ГОСТ 9966-88.

Для предупреждения образования ситовидной пористости и ужимин в отливках в смесь вводят 0,1–0,7 % оксида железа Fe2О3, например, в виде железоокисного пигмента.

К вспомогательным материалам для Cold-box-amin-процесса от­носятся клей-расплав для склейки отдельных частей стержней, разде­лительное покрытие для оснастки и средство для очистки стержневых ящиков.

Длительность продувки каталитическим реагентом составляет от 2–15 (для ТЭА в сухом воздухе) до 0,2–2,0 с (ДМЭА или ТМА в N2 или в СO2).

Продувка смеси в оснастке осушенным воздухом позволяет рас­пределить амин по всему объему стержня и затем удалить его в ней­трализатор. Продувку производят под давлением 0,20–0,28 МПа, дли­тельность продувки составляет 5–20 с. Целесообразен подогрев воздуха до 40–65 °С, что способствует повышению прочности стержня и более пол­ному освобождению его от амина.

По дан­ным фирмы «Ashland», стержень массой 230 кг (типа колокола) отверждается газовой смесью «ДМЭА + азот» в течение 15 с, стержень массой 34 кг (для картера коробки передач) – за 10 с. Максимальный размер стержневого ящика составляет 1 200×1 200 мм, масса стержней – от 1–2 до 250–300 кг.

Также действует и добавка в смесь Fe2O3, например в виде железооксидного пигмента.

К преимуществам Cold-box-amin-процесса (по сравнению с тех­нологией «горячие ящики») относятся:

– повышение точности отливок на 1–2 класса и соответственно уменьшение припусков на обработку на 10–20 %;

– возможность полной автоматизации изготовления стержней;

– сокращение на 20–30 % потерь от брака отливок;

– снижение расхода энергии более чем в 10 раз;

– улучшение экологической обстановки и условий труда в стержневых отделениях.

Однако эта высококлассная технология требует высокой культуры производства и больших капитальных вложений для ее осуществле­ния.

Показателем высокой оценки Cold-box-amin-процесса является тот факт, что в литейных цехах Европы и США массового, крупносерий­ного и серийного производства от 60 до 80 % литья изготавливают со стержнями, выполненными по этой технологии.

Составы и прочность смесей по Cold-box-amin-процессу на связующих материалах фирмы Furtenbach (Австрия) приведены в табл. 61.

 

Таблица 61

Cold-box-amin-процесс на материалах фирмы Furtenbach

 

Компоненты и виды прочностных испытаний Номер смеси
Кварцевый песок F 32 (AFS58), мас. ч.
Компонент 1, мас. ч.:        
Фриодур 73А 0,6
Фриодур 75А 0,6
Фриодур 81А 0,6
Фриодур 83А 0,6
Компонент 2, мас. ч.:        
Фриодур 73 В 0,6
Фриодур 75 В 0,6
Фриодур 81В 0,6
Фриодур 83В 0,6
Режимы продувки «ДМИА* + азот» = 0,3 с, 1 бар (0,05–0,20 % на массу образца); воздух = 5 с; 1,5 бар
Температура и относительная влажность воздуха 22 °С, 50 %
sизгиба, МПа:        
через 0с 1,6 1,8 1,5 1,9
через 10 мин 3,0 3,2 2,5 3,1
через 24 ч 4,3 5,0 3,8 4,5

 

* ДМИА – диметилизоамин.

 

По данным фирмы «Ashland», состав смеси, мас. %: кварцевый песок озерный – 100; Isocure 308 (компонент 1) – 0,75; Isocure 11-606 (компонент 2) – 0,75. В качестве амина используется материал Isocure 702 (ДМЭА), расход амина 8 % от связующего. Прочность на разрыв, МПа: 1 мин – 0,77; 1 ч – 1,40; 2 ч – 1,75; 24 ч – 2,03.

Если принять за показатель живучести интервал времени вы­держки, при которой прочность падает на 30 %, то по «первичной» прочности (через 1 мин) живучесть составляет чуть менее 2 ч, а по ко­нечной (через 24 ч) – не более 1 ч.

Epoxy-SO2-процесс. Процесс основан на отверждении фурановой или эпоксидной смолы под действием H2SO4 в момент ее образования после продувки уплотненной смеси в оснастке сернистым ангидридом (SО2). Образо­вание H24 происходит вследствие окисления SО2.

Непрореагировавший SО2 посредством продувки смеси в оснастке сжатым воздухом удаляется из стержня и направля­ется в нейтрализатор, где, попадая в щелочной раствор, превращается в сульфит натрия или калия. Однако образующаяся в стержне H24 из стержня не отгоняется; в процессе термодеструкции с ее участием про­исходит образование сероорганики и сероводорода, загрязняющих воздушную среду заливочного и выбивного участков.

Примерами органических гидропероксидов являются пероксид этилметилкетона, гипериз (табл. 62), пероксид бензоила и др. Пероксид водорода (Н2О2) использовался только на начальной стадии разви­тия SО2-npoцecca, так как с его применением не удается получить жи­вучесть смеси свыше 2–3 ч.

 

Таблица 62

Характеристика пероксидов

 

Показатели состава и свойства Пероксид этилметилкетона (ТУ 6-01-465–80) Гипериз (ТУ 38-10293-82)
Химическая природа Смесь гидропероксидов C8H18О4, С8Н18О5, C8H16О4, C8H18О6 с преобла­дающей формой C8Hl8О6 в среде дибутилфталата Гидропероксид изопропилбензола тех­нический – проме­жуточный продукт в производстве фенолацетона
Молярная масса, г/моль
Внешний вид Бесцветная масля­нистая жидкость с резким запахом Прозрачная масля­нистая жидкость желтого цвета с за­пахом озона
Плотность (при 20 °С), г/см3 1,060±0,010 1,062
Массовая доля, %:    
основ­ного гидропероксида > 89
активно­го кислорода, % 9,1–9,3
Водородный показатель > 4,2
Общая характеристика пожаро- и взрывоопас­но Легковоспламеняющаяся и взрывоопасная жид­кость Взрыво­опасность смесей по ГОСТ 12.1.011-78-ТЗ
ПДК, мг/м3 1,0
Температура, °С:    
вспышки
воспламенения 82–113 (разлагается)
самовоспламенения
Взрывоустойчивость, °С < 120

 

Наиболее эффективна продувка под давлением около 0,4 МПа с превращением жидкого (баллонного) SО2 в газ, который продувается через смесь в оснастке в токе носителя – сухого сжатого воздуха, по­даваемого под тем же давлением. В жидком состоянии сернистый ан­гидрид (техническая марка 2213 по ГОСТ 2918-79) текуч, бесцветен, имеет температуру кипения –10 °С и резкий неприятный запах. Вследствие высокой скорости диффузии (превышает скорость диффу­зии воздуха в 30 раз и ТЭА или ДМЭА – в 5 раз) «разбавленный» SО2 легко проникает во все элементы стержня. За операцией продувки обязательна операция очистки путем пропускания через стержень осушенного холодного или горячего воздуха и нейтрализации отрабо­тавшего SО2.

Расход гидропероксида составляет 30–50 % массы смолы.

В качестве связующего используют фурановые смолы с содер­жанием до 5 мас. % азота (отливки из чугуна и медных сплавов) и до 8 мас. % азота (алюминиевые отливки); связующее рекомендуется использовать в силанизированном виде. В процессе приго­товления смеси пероксид предварительно смешивают со смолой.

К преимуществам SО2-пpoцecca на фурановых смолах относятся: высокая пес­кодувная текучесть смесей; длительная (свыше 24 ч) живучесть сме­сей; высокая термостойкость; легкая выбиваемость отливок из легких сплавов.

Недостатки SО2-процесса являются: быстрая загрязняемость пескострельных резервуаров и оснастки характерным «черным» налетом; пробле­мы, связанные с использованием SO2 (токсичность, запах, коррозион­ная активность). Исключение загрязнения оборудования и оснастки достигается заменой фурановой смолы модифицированной эпоксид­ной (Ероху-SО2-процесс).

В настоящее время Epoxy-SO2-пpoцecc практически вытеснил первоначальный вариант процесса на фурановых смолах, за исключе­нием немногочисленных случаев изготовления стальных отливок массового и крупносерийного производства.

Примером модифицированного эпоксидного связующего являет­ся Isoset 6004, гидропероксида – Isoset 6005 (Ashland, США), которые совмещают в массовом соотношении 1,3:0,7 при общем расходе 1,6 мас. % на 100 мас. % кварцевого песка. Продолжительность продувки SО2 составляет 1 с, продувки воздухом – 10 с.

Содержание связующего «Эпак-1» достигает 1,2–1,6 мас. %, содержание гидропероксида 0,6–0,8 мас. % на 100 мас. % кварцевого песка.

После уплотнения пескодувным способом смесь отверждают продувкой SO2 (0,5–1,0 с), остатки SO2 удаляют из стержня продувкой осушенным сжатым воздухом (5–20 с). Прочность стержней на разрыв составляет, МПа, через 30 с – 1,4; через 24 ч – 2,0.

В целом Epoxy-SO2-процесс встречается примерно в 10 раз реже, нежели Cold-box-процесс. Между тем по ряду параметров он превосходит аминный процесс:

– живучесть смесей составляет, по меньшей мере, 24 ч;

– стержни более прочные и влагостойкие;

– выбиваемость стержней лучше, чем по Cold-box-amin;

– смеси не содержат азота.

Однако он имеет три очевидно неустранимых недостатка: использование гидропероксидов – пожаро- и взрывоопасных продуктов; коррозия агрегатов и коммуникаций, контактирующих с SO2; выделение в воздух сераорганических соединений и сероводорода.

Эта технология была освоена на ОАО «КАМАЗ», где она успешно используется и по настоящее время.

Free-Radical (FRС-процесс). Процесс Free-Radical (FRC) применяется преимущественно в США наряду с Ероху-SO2-процессом, ниже мы ограничимся его кратким описанием.

Разработан фирмой «Ashtand»в 1983 г. и основан на быстрорадикальной полимеризации ненасыщенных полимеров (акриловая или эпоксиакриловая полиэфирная смола или олигомеры винил­ненасыщенного уретана); при этом SО2 в отличие от ранее описанного SО2-npoцecca служит инициатором радикальной полимеризации.

Компоненты 1 (эпоксиакриловая смола) и 2 (гидропероксид) реа­гируют друг с другом только в присутствии SО2. С учетом их низкой вязкости, пониженного содержания (1,2 мас. % на 100 мас. % песка) и инертности друг к другу текучесть смеси очень высокая, а давление ее надува в оснастку невелико – 0,20–0,35 МПа. Живучесть смеси практически не ограниченна (более 96 ч). Ввиду взаимодействия компонентов только в среде SО2 температура песка не оказывает существенного влияния на живу­честь и может находиться в диапазоне 15–38 °С.

В процессе кратковременной (0,5–5,0 с) продувки SО2 смесь за­твердевает почти мгновенно, при этом отсутствуют побочные продук­ты реакции отверждения и нет загрязнений на оснастке.

Примерами связующих по FRC-процессу являются выпускаемые фирмой «Ashland» компоненты: компонент 1 Isoset 4304 и компонент 2 (гидропероксид) Isoset 4305.

По данным фирмы «Ashland» на 100 мас. % кварцевого песка смесь содержит 0,78 мас. % компонента 1 и 0,42 мас. % компонента 2. Перед введением на песок компонен­ты 1 и 2 смешивают друг с другом. Отверждение осуществляется кратковременной продувкой 100 %-м SO2 с последующей продувкой осушенным воз­духом. Прочность стержней на изгиб составляет, МПа: через 30 с – 1,6–2,8; через 24 ч – 3,0–4,0.

Beta-set-процесс, разработанный фирмой «Borden»(Англия) в начале 80-х гг., основан на быстром отверждении смеси в холодной ос­настке при продувке парами метилформиата.

Связующее – щелочной резольный полифенолят, аналогично применяемому в описанном выше Alpha-set-процессе.

Используемый для продувки реагент – метилформиат, МФ (метило­вый эфир муравьиной кислоты) НСООСН3 – прозрачная бесцветная жидкость со сладковатым эфирным запахом, плотностью(при 20 °С) 0,975 г/см3, температурами, °С: плавления –99, кипения 31,5, вспышки –19, давлением паров (20 °С) 476,4 мм рт.ст., растворимостью в воде (при 20 °С) 30,4 %, устойчива на воздухе, легко воспламеняется, обладает слабо выражен­ным общенаркотическим действием. Граница взрывоопасности в сме­си с воздухом 5–23 об.%.

Процесс отверждения аналогичен Alpha-set. Сначала МФ подвергается гидролизу в водощелочной среде с образованием муравьиной кислоты и метанола:

НСООСН3 + НОН → НСООН + СН3ОН

Далее муравьиная кислота нейтрализует фенолятные группы фенольных ядер, превращая их в реакционно-способные метилольные, а сама переходит в форму соли – формиата калия:

НСООН + [–СН2ОК] → КСООН + [–СН2ОН]

Здесь [–СН2ОК] – фенолятная группа, образовавшаяся в процессе синтеза смолы с участием фенола, формальдегида и избытка гидроокиси
калия, а [–СН2ОН] – метилольная группа.

Окончательными продуктами реакции являются сшитые макро­молекулы смолы, метанол (в виде жидкости или пара) и формиат калия (в виде твердой инертной соли).

Содержание связующего составляет 1,5–2,5 мас. % на 100 мас. % кварцевого песка; живучесть такой смеси (до продувки) достигает в среднем 4 ч.

Расчетная доза жидкого МФ при нагреве в пневмоиспарительном генераторе легко переходит в состояние пара и подхватывается пото­ком сжатого воздуха; данную парогазовую смесь используют для продувки стержневой смеси в оснастке.

Паровоздушная смесь содержит обычно по объему 60 % паров МФ, остальное – воздух. Время продувки в зависимости от массы стержня состав­ляет, как правило, от 10 до 30 с. Давление не может превышать 0,05–0,075 МПа, а длительность контакта МФ со связующим в микрообъе­мах смеси должна быть не менее 0,5 с. Реальный расход МФ почти всегда превышает теоретический (25–30 % на массу связующего), со­ставляя в некоторых случаях до 50 %. Также желательна дополни­тельная продувка смеси воздухом для удаления из нее избытка МФ, так как последний при длительном контакте может привести к размяг­чению стержня или формы.

Масса стержней по Beta-set-процессу ограничена 10–12 кг, максимум 20 кг.

Достигаемая прочность в 1,5–2 раза ниже, чем в процес­сах с продувкой аминами или SО2.

К достоинствам описываемой технологии относятся хорошее ка­чество литых поверхностей (сталь, чугун, цветные сплавы), отсутствие N и S в связующем, незначительное термическое расширение смеси, относительная влагостойкость, более легкая (по сравнению с Cold-box-amin и Epoxy-SО2) выбиваемость и возможность достижения экологи­чески благоприятных условий на формовочных и стержневых участ­ках.

Для массового и крупносерийного изго­товления стержней технологии Cold-box-amin, Epoxy-SО2, FRC и Beta-set нахо­дятся вне конкуренции прежде всего по уровню достигаемой сразу после продувки и окончательной прочности при одновременности от­верждения стержня по всему его объему. Однако это очень дорого­стоящие технологии, и для относительно небольших серий стержней их применение становится уже экономически неоправданным.

Примерами импортных материалов по Beta-set-процессу слу­жат смола Beta-set В 1 и метилформиат Beta-set ВН 50 (Furtenbach, Австрия).

По данным фир­мы «Furtenbach» смесь содержит, мас. %: кварцевый песок F 32 (AFS 58) – 100, смола Beta-set В-1 – 2,0.

Свойства смолы: r = 1,26 г/см3, содержание свободных фенола иформальдегида, соответственно, менее 3 и 0,1 %.

Песок смешивают со смолой в течение 1–2 мин в любом типе смесителя. Живучесть смеси – до 4 ч.

Отвердитель – метилформиат, поставляется фирмой в виде жид­кого при нормальной температуре продукта Beta-set ВН 50. В гене­раторе при нагреве метилформиат переводится в состояние пара и по­дается в оснастку со смесью в токе сжатого воздуха (без осушки по­следнего). Расход Beta-set ВН 50 – свыше 30 % на массу смолы, время продувки – от 5 до 30 с.

Прочность на изгиб составляет, МПа: через 0 с – 0,55; через 10 мин – 1,7; через 1 ч – 1,9; через 24 ч – 2,2.

В России материалы для данной технологии производятся и по­ставляются фирмой ООО «ЭКТИС-2» (г. Дзержинск).

Resol-CO2-процесс. Этот процесс разработан в США и в Германии сравнительно не­давно – в 1987 г., а его практическое освоение приходится уже на 1990-е г.

Связующее представляет собой глубоко ощелаченную резольную фенолоформальдегидную смолу – принципиально того же типа, что и в процессах Alpha- и Beta-set. Отверждение происходит пу­тем продувки через смесь в оснастке углекислого газа (СO2). Очевид­ным является также принципиальное сходство в механизмах отвер­ждения Resol-CO2 и, например, Beta-set-процессов: в последнем метилформиат, гидролизуясь, выделял муравьиную кислоту, которая нейтрализовала фенолятные группы фенольных ядер, превращая их в активные метилольные; в Resol-CO2-пpoцecce нейтрализация фенолятных групп происходит за счет образующейся при продувке СО2 угольной кислоты:

СО2 + НОН → Н2СО3

Н2СО3 + (–СН2ОК)2 → К2СО3 + (–СН2ОН)2

В результате нейтрализации угольной кислотой показатель рН смолы изменяется с 14 до 10.

При отмеченном принципиальном сходстве щелочных полифенолятов, применяемых в Resol-CО2 и в Alpha- и Beta-set-процессах, они все же имеют довольно существенные качественные и количественные отличия:

 

Показатели: Resol-CО2 Beta-set
Молярные отношения:    
фенол/формальдегид 1 : 2,3 1: (1,9–2,0)
КОН/фенол 2 : 1 (0,6–0,8) : 1
рН смолы 12,5–13,0

 

В состав щелочного полифенолята в Resol-СО2-процессе входят специальные добавки, без которых невозможно получить приемлемые показатели прочности смесей: 9–10 % (на массу связующего) комплексообразователя, в качестве которого чаще всего выступает бура Na2B4О7·10Н2О, 2–5 % (на массу связующего) модификатора в виде алкилэфира гликолей, чаще всего моно- или диметилкарбитола. Иногда в связующее добавляют спиртовой растворитель (метанол, этанол, сорбитол и др.).

Примерами связующих по описываемой технологии являются смолы Ecolotec (Foseco, Англия), Novanol (Kernfest Sudchemie Ashland, Германия), Carbophen (Huttenes Albertus, Германия). Английское свя­зующее Ecolotec характеризуется следующими показателями:

– вязкость (25 °С) – 400–650 сП;

– плотность (20 °С) – 1,4 г/см3 (нехарактерный для резолов высо­кий удельный вес связан с избытком КОН в составе смолы);

– содержание, мас. %:

свободного фенола – менее 0,1;

свободного формальдегида – менее 0,3;

– срок хранения – 6 мес.

Стержневая смесь содержит 2,5–3,0 мас. % смолы на 100 мас. % кварцевого песка. Она может подаваться в оснастку как пескострельно-пескодувным способом, так и свободной засыпкой с последующим механическим уплотнением.

Для быстрого отверждения продувка СО2 должна быть медленной, а давление подаваемого газа – невысо­ким. В зависимости от массы стержня время продувки составляет 15–60 с, давление продувки – 0,10–0,15 МПа, расход СО2 – от 20 до 140 л/мин (расходная масса СО2 обычно 0,35–0,85 % на массу стерж­ня). При отверждении стандартного цилиндрического образца (диа­метром и высотой 50 мм) достаточно давления продувки 0,035 МПа при расходе СО2 6 л/мин и времени продувки 30–60 с. Отверждающее действие СО2 усиливается, когда температура продуваемого газа со­ставляет 25–30 °С.

Время продувки СО2 (вытеснения воздуха) и время выдержки стержня под статическим давлением СО2 соотносятся примерно как 1 : 3; например, время продувки 5–15 с, время выдержки под статическим давлением 0,07–0,14 МПа – 15–45 с.

Свойства смесей приведены в табл. 63.

 

Таблица 63

Свойства смесей по Resol-CO2-процессу (Foseco, Англия)

 

Параметр испытаний Компоненты связующего
Монометил-карбитол- 2 Диметилкарбитол-2 Без алкилкарбитола
Время продувки СО2, с
Предел прочности на сжатие (σсж), МПа: сразу после продувки 1,83 2,14 2,45 1,73 1,96 2,11 1,38 1,59 1,88
через 3 суток на воздухе (температура 18–20 °С, влаж­ность 40–45 %) 3,10 3,27 3,36 2,76 3,38 2,89 2,07 2,13 2,05
через 3 суток на воздухе (температура 24–26 °С, влаж­ность 75–80 %) 3.00 2,94 2,94 2,61 3,03 2,83 2,03 2,03 2,03

 

П р и м е ч а н и е. Для облегчения сравнения прочностных данных, иллюстри­рующих различные процессы с продувкой газовыми реагентами, можно исполь­зовать следующие приближенные зависимости, МПа:

σсж = (3,9–4,1) σизг = (6,3–6,5) σр;

σизг = (0,24–0,26) σсж = (1,5–1,7) σр;

σр = (0,15–0,16) σсж = (0,62–0,64) σиз.

 

Основой связующего является ощелаченная фенолформальдегидная смола, которая синтезируется при молярных отношениях: фенол/формальдегид = 1:2,3; фенол/гидроокись калия (КОН, в пере­счете на сухое вещество) = 1:2. КОН используется в виде 50 %-го водного раствора.

Связующее содержит, мас. %: ощелаченную смолу – 89,24; буру (Na2B4O7×10H2O) – 8,18; гамма-аминопропилтриэтоксисилан – 0,58; алкилэфир диэтиленгликоля (моно- или диметилкарбитол) – 2,0 (итого – 100 мас. % связующего).

Состав смеси, мас. %: песок Chelford 60 (AFS 62) – 100, связую­щее – 3,0. Температура воздуха 19–20 °С.

Цилиндрический образец (диаметром и высотой 50 мм) продува­ется СO2 под давлением 0,035 МПа с расходом СO2 6 л/мин, при време­ни продувки от 30 до 120 с.

Resol-CО2-пpoцecc обеспечивает получение чугунных и сталь­ных отливок с хорошим качеством литых поверхностей (в смеси от­сутствуют N, S, Р) и облегченной выбиваемостью смеси.

Из-за сравнительно невысокой прочности (порядка 2,0 МПа на сжатие) процесс применяют для стержней несложной конфигурации с массой от нескольких до 150 кг, а также для средних опочных форм.

Resol-CО2 несколько уступает Beta-set по уровню прочности, но за­то СО2 гораздо дешевле, чем метилформиат, и совсем нетоксичен (на­помним, что по данным США, ПДК составляют: на метилформиат – 100 мг/м3, на СО2 – 9 000 мг/м3).

Уже сегодня (по зарубежным данным) Resol-СО2-процесс повсеместно заменяет СО2-процесс на жидком стекле.

 

Смеси на лигносульфонатах

 

Данный тип смесей характерен тем, что в качестве связующего материала в них используют ЛСТ в количестве 2–5 %. Основу ЛСТ составляют лигносульфонаты и процесс твердения связывают с их поликонденсацией.

Твердение данного типа смесей осуществ­ляют за счет тепловой обработки или за счет введения добавок химических реагентов (окислителей), вызывающих поликонденсацию лигносульфонатов и самотвердение.

При тепловой обработке процессу поликонденсации лигносульфонатов предшествует процесс возгонки растворителя (воды), содер­жащегося в связующем материале, который сопровождается резким сокра­щением объема связующего и возникновением в пленках на зернах песка микротрещин, вызывающих снижение прочности смеси. С целью предуп­реждения процесса образования микротрещин используют два способа. Первый способ основан на введении в смесь добавки пластификатора, ко­торый создает условия для устранения напряжений, вызывающих образо­вание микротрещин. В качестве пластификатора используют техническую мочевину в количестве 12 % от содержания связующего материала в сме­си.

Второй способ основан на введении в смесь мелкозернистых добавок, создающих каркас в пленках связующего, который разобщает их на мелкие зоны; при этом процессы, связанные с возгонкой растворителя в пленках связующего, протекают без значительных концентраций внутренних напряжений. В качестве такой добавки используют пылевидный кварц в соотно­шении к связующему материалу 1:1. При самотвердении смеси возгонки растворителя не происходит. В этом случае содержащаяся влага в связую­щем материале лишь локализуется (защемляется) пространственно-сетча­той структурой макромолекул лигносульфонатов.

В качестве добавок, вы­зывающих самотвердение песчано-сульфитных смесей, используют хромо­вый ангидрид Сr2O3, бихроматы натрия и калия и персульфат аммония в количестве от 0,2 до 0,7 % от массы смеси. По сравнению с песчано-смоляными данный тип смесей экономичнее, так как в состав его входит недорогой и недефицитный связующий материал, а также менее токсичная упрочняющая добавка.

Применяют пластичные и жидкие песчано-сульфитные смеси (табл. 64–66).


Таблица 64

Состав и свойства пластичных стержневых сульфитных смесей, упрочняемых в горячих ящиках для стального и чугунного литья

 

Свойства смеси Содержание компонентов в смеси, мас. %
Влажность, % Газопроницаемость, усл.ед. Предел прочности образцов, ´105, Па Кварцевый формовочный песок (зерновая группа 02, 016), % Связующий мате


Последнее изменение этой страницы: 2016-07-14; просмотров: 1100; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.81.89.248 (0.012 с.)