Свойства противопригарных покрытий

 

Свойства противопригарных покрытий делятся на две основные группы: свойства суспензии (краски) и свойства отвержденного слоя покрытия на форме или стержне (рис. 33).

Свойства суспензии условно можно разделить на две группы:

а) общие – характеризуют краски в целом как дисперсную си­стему (суспензию) и ее отдельные составляющие;

б) технологические – определяют пригодность краски для нанесе­ния на поверхность формы и придания ей требуемых свойств;

Свойства готового покрытия проявляются при его контакте с жидким металлом и оказывают непосредственное влияние на состав, струк­туру и качество поверхности отливок.

С точки зрения коллоидной химии, суспензии красок – седиментационно-неустойчивые системы. В этих системах час­тицы твердой фазы окружены адсорбционно-сольватной оболочкой, обра­зующейся в результате поверхностных явлений на границе раздела твердой и жидкой фаз. Свойства суспензий зависят от молекулярной природы фаз и оказывают большое влияние на процесс формирования слоя покрытия на формах или стержнях и на чистоту поверхности отливок.

Дисперсная фаза может состоять из одного или нескольких материа­лов. При использовании одной и той же жидкой фазы свойства суспензии зависят только от содержания сухих наполнителей, их химического состава, дисперсности, формы, активности поверхности их частиц.

Многие огнеупорные и специальные наполнители покрытий хотя и обладают в исходном состоянии хорошими физико-химическими свойства­ми, но являются дефицитными. Поэтому в последние годы ведутся исследо­вания и разрабатываются способы, позволяющие улучшить исходные свой­ства сыпучих наполнителей с целью замены дефицитных материалов, сни­жения их расхода, улучшения свойств покрытий и качества отливок.

 

Рис. 33. Классификация свойств покрытий

Плотность косвенно характеризует объемную концентрацию огнеупорного наполнителя и зависит от плотности наполнителя и жидкой фазы, а также от их соотношения в составе покрытия. Измеряется при 20 °С и выражается в граммах на кубический сантиметр. Ареометрический метод контроля плотности денсиметрами общего назначения дает приближенный результат. Более точным методом является весовой. При этом методе мерный цилиндр из­вестной массы (обычно с градуировкой 1–10 см³) заполняется до верхней отметки (10 см³) суспензией контролируемой краски и взвешивается.

Величина плотности определяется по формуле

где М ₂ – масса заполненного цилиндра, г; М ₁ – масса пустого цилиндра, г.

В объеме краски недопустимо наличие пены, так как образующиеся пу­зырьки воздуха снижают величину показателя.

Вязкость красочных суспензий (или внутреннее трение) характеризует сопротивляемость суспензии ее движению под действием при­ложенных одинаковых напряжений. Величина, обратная вязкости, характе­ризует подвижность (текучесть) суспензии.

Обычно определяется условная вязкость, то есть время истечения суспен­зии через калиброванное отверстие резервуара определенного объема.

При проведении испытаний отверстие сопла вискозиметра ВЗ-4 (рис. 34) закрывается пальцем, вискозиметр заполняется контролируемым покрытием. Покрытие предварительно перемешивается и доводится до 20 °С. Затем сопло открывается и одновременно включается секундомер, который оста­навливается в момент появления прерывающейся струи. Время истечения контролируемой краски определяется в секундах.

Седиментационная устойчивость – скорость расслоения твердой и жидкой фаз суспензий. Характеризуется стабильностью распределения огнеупорного наполнителя по высоте столба суспензии, помещенной в цилиндрический сосуд, при выстаивании в тече­ние установленного времени. Для этого используется калориметрический цилиндр вместимостью 30 см³. В настоящее время испытания проводят обычно в мерных цилиндрах емкостью 100, 250 или 500 мл, при выдержке суспен­зии в течение 1, 3, 7 или 24 ч.

Технологическую меру седиментационной устойчивости выражают в процентах и находят по формуле:

где Н ₁ – высота столба отстоя, см; Н ₀ – общая высота столба суспензии, см.

Стойкость против расслоения определяется в седиментометре, позволяющем установить концентрацию отстоявшейся суспензии на различных уровнях по высоте цилиндрического сосуда. При­бор (рис. 35) представляет собой трубку с внутренним диаметром 20 мм, имеющую пять отводных боковых трубок диаметром 16 мм. В верхней части трубки, на расстоянии 15 см от верхнего отвода, нанесена отметка, определяющая верхний уровень суспензии в седиментометре.

Рис. 34. Вискозиметр ВЗ-4 для определения вязкости красок и прочности водных покрытий	Рис. 35. Седиментометр

 

При закрытых отводных трубках в сосуд заливают исследуемую сус­пензию и по истечении 1 ч содержимое каждого слоя, начиная с верхнего, сливают через отводные трубки в фарфоровую чашечку; высушивают до постоянного веса и определяют количество сухого остатка в каждом слое и среднюю концентрацию в граммах на кубический сантиметр или в процентах по массе. Эти величины характе­ризуют седиментационную стойкость краски.

Коэффициент расслоения рассчитывают по формуле

где Δγ – разность концентраций между двумя крайними слоями сус­пензий, г/см³ или мас. %; γ_ср – средняя (исходная) концентрация всей суспензии, г/см³ или мас. %; h – расстояние между двумя крайними слоями суспензии, см.

Скорость осаждения наполнителя в суспензии определяют с помощью торсионных весов.

Кроющая способность характеризует равномерность распределения краски на окрашиваемой поверхности и образование по­кровного и проникающего слоев. Оценивается визуально при нанесении кистью на стандартный образец. При окраске окунанием контроль кроющей способности производится по цилиндрическому образцу, погружаемому в испытуемую суспензию на глубину не более ²/₃ высоты цилиндра, выдержка 1,0–1,5 с. Затем образец извлекают, слегка встряхивают и перево­рачивают относительно своей оси на 180°, так, чтобы плоскость, ранее по­груженная в суспензию, оказалась сверху. В данном случае определяется прежде всего склонность к образованию подтеков. Толщина покровного слоя и глубина проникновения краски в формовочную смесь определяяют­ся с помощью микроскопа, бинокулярной лупы или микрометра.

Поглощаемость оценивают взвешиванием образца до и после окраски (без сушки и высушенного).

Толщина покровного и проникающего слоев, а также поглощаемость покрытий косвенно характеризуют фильтрацию (проникновение жидкой фа­зы вглубь формы) и кольматацию (осаждение в порах и на поверхности формы мелких частиц твердой фазы). Покровные и проникающие слои краски обеспечивают прочность и снижают шероховатость формы.

Прочность водных покрытий (стойкость покрытия к истиранию) определяется следующим образом: кварцевый песок сы­плется через вискозиметр ВЗ-4 на пластину с покрытием до тех пор, пока покрытие в месте удара песка не сотрется до стекла. Количество песка, г, пошедшее на истирание, является технологической мерой, которая назы­вается условной прочностью.

При испытании стеклянная пластина устанавливается под углом 45° так, чтобы участок, подвергающийся абразивному истиранию, находился на расстоянии 70 мм от выходного отверстия вискозиметра, который заполняется песком.

Контролируемое покрытие наносится на пластину методом облива. Затем пластина устанавливается под углом 45° для стекания избытка по­крытия и выдерживается в течение 5 мин, после чего (не меняя положение пластины) слой отверждается предусмотренным способом (тепловая сушка или интенсивное провяливание).

Для проведения исследований используется кварцевый песок, который предварительно отмучивается, просушивается, просеивается через сито 0,63, а затем через сито 0,315. Песок, оставшийся на последнем сите, засыпается в вискозиметр ВЗ-4.

Исследования проводят на двух пластинах и выполняют по три опре­деления на каждой. Результаты в значительной степени зависят от толщи­ны слоя покрытия, поэтому целесообразно определять приведенную проч­ность по формуле

где Q – количество песка, использованное на истирание, г; l – толщина слоя покрытия, мм.

Толщина слоя покрытия измеряется микрометром по разнице толщин пластины с нанесенным покрытием и исходной пластины. Замеры прово­дятся на участках, где покрытие подвергалось истиранию.

Прочность неводных покрытий на истирание (по Гарднеру) определяется количеством песка, необходимого для раз­рушения покрытия при его падении с высоты 180 см. Прибор представляет собой стеклянную трубку (рис. 36), нижний конец которой расположен на расстоянии 30–50 мм от стеклянной пластинки, окрашенной краской по описанному выше способу.

 

Рис. 36. Прибор для определения прочности неводных покрытий

 

Для проведения исследований используется кварцевый песок, просе­янный через сито 1,0, а затем через сито 0,63. Оставшийся на этом сите песок используется для исследований. Для лучшего наблюдения под пластинкой включается лампочка мощностью 25 Вт.

Воронку при­бора заполняют песком и поддерживают полной до конца испытаний. Коли­чество песка, пошедшего на истирание слоя покрытия, служит мерой его прочности. Рекомендуется определять приведенную условную прочность таким же образом, как это делается для водных покрытий.

Термическая стойкость характеризует склонность покрытий к растрескиванию и их отслаиванию при высоких температурах.

Наиболее простым методом является использование сферической про­бы Х.Н. Левенинга (рис. 37), для чего из формовочной или стержневой сме­си изготавливается образец в виде полусферы диаметром 50 мм, окраши­вается, высушивается (если это необходимо) и охлаждается. Затем поме­щается в предварительно нагретую муфельную печь и выдерживается опре­деленное время. Это время устанавливается в соответствии с временем за­ливки форм, для которых предназначено покрытие. Критерием визуальной оценки служит время начала разрушения с момента установки образца в печь. Образцы можно подвергнуть тепловому облучению при температуре 1 300–1 400 °С в предварительно нагретой муфельной печи. Конструкция печи должна обеспечивать визуальное наблюдение за нагреваемым образ­цом. Испытание необходимо проводить на формовочных или стержневых смесях, для которых эти покрытия предназначены.

 

 

Рис. 37. Технологическая проба на термостойкость покрытий

 

Газопроницаемость покрытий определяют на специальном приборе с использованием стандартных цилиндрических образцов, окрашенных используемым покрытием и высушенных предусмотренным для данного покрытия способом.

Для положительной оценки свойств противопригарных покрытий рекомендуется определять адгезионную прочность сцепления покрытия с материалом формы, смачиваемость слоя покрытия жидким сплавом и эрозионную стойкость покрытий, а также склонность к ужиминообразованию.

Стандартные методы для определения этих свойств не разработаны. Ннестандартные методы испытания этих свойств освещены в спе­циальной литературе.

Пригораемость водных и быстросохнущих покрытий осу­ществляют на опытных отливках или образцах, полученных в окрашенных формах или с окрашенными стержнями при различном металлостатическом давлении на противопригарное покрытие.

Для испытания на пригар применяется технологическая проба (рис. 38), представляющая собой стержень 1, в который на различной высоте вставляют стандартные образцы 2 с нанесенными на них испытуемыми покрытиями.

Рис. 38. Форма для отливки образцов на пригар

 

Стандартные образцы изготовляют из той смеси, для которой предназначается покрытие, высушивают при температуре 140–150 °С в течение 1 ч. После охлаждения на них наносят исследуемое покрытие и после высыхания слоя покрытия стандартные образцы вставляют в разъемный стержень технологической пробы. Стандарт­ные образцы с нанесенным водным покрытием высушивают в сушильном шкафу при 120–140 °С в течение 25–30 мин, отвердение слоя быстросох­нущего покрытия происходит на воздухе в течение 15–20 мин.

Стержень с образцами заформовывают в опоке или почве и заливают металлом. После очистки и обрубки проводят испытание качества поверх­ности образцов на пригар.

Шерохова­тость исследуют на представленной на рис. 39, форме для отливки образцов, так как поверхность одной и той же отливки, находясь в форме во время заливки под разным металлостатическим давлением, может иметь различную шероховатость, то обязательным условием при исследовании противопригарного покрытия является изучение влияния высоты столба металла в форме на стойкость покрытия, обеспечивающего качество по­верхности по шероховатости.

Представленные на рис. 38, 39 формы можно использовать для получения образцов для испытаний как на пригар, так и на шероховатость. В случае исследования покрытий для форм целесообразнее использовать форму, представленную на рис. 38, а в случае исследования покрытий для стержней – форму, представленную на рис. 39.

Рис. 39. Форма для отливки

образцов на шероховатость

 

Приготовление красок

 

Режимы приготовления покрытий определяются экспериментально с учетом склонности исходных мате­риалов к агрегированию при хранении и на стадии их совмещения с жидкими веществами, в частности с растворите­лем, а сам процесс должен сопровож­даться диспергированием, то есть разру­шением отдельных агрегатов.

Диспергирование следует осуще­ствлять при возможно меньшем содер­жании растворителя (наиболее эффек­тивно в пастообразной среде). Если покрытие содержит два компонента и более, сыпучих в исходном состоянии, то сначала следует вводить вещества, обладающие меньшей склонностью к агрегированию. Длительность переме­шивания можно сократить, предварительно смешав твердые составляющие, а также подготовив композиции материалов с большим содержанием веществ, заложенных в рецептуре в ма­лом количестве.

В литейных цехах приготовление красок производят в краскомешалках. Применяют два типа краскомешалок: с воздушным и механическим перемешиванием ком­понентов. Краскомешалку, работающую на сжатом воздухе (рис. 40) целесообразно применять для приготовления красок с огнеопасными органическими растворителями, так как возможность искрообразования в ней исключается. У лопастной мешалки (рис 41) смешивающим органом являются лопатки, закрепленные на валу, вращающемся от электромотора.

 

Рис. 40. Схема краскомешалки, работающей на сжатом воздухе: 1 – сливной кран; 2 – бак; 3 – трубопровод	Рис. 41. Схема лопастной краскомешалки: 1 – сливной кран; 2 – лопасти; 3 – бак; 4 – вал

 

Важным показателем работы краскомешалок является потребляемая ими мощность, которая возрастает с увеличением плотности и вязкости суспензии, частоты вращения рабочего вала, диаметра лопастной мешал­ки и угла наклона лопастей. Необходимо иметь ввиду, что мощность, затрачиваемая при пуске мешалки, в 2–2,5 раза больше рабочей мощно­сти, поэтому загрузку аппарата материалом следует вести при включен­ном смесителе.

При разведении централизованно выпускаемых водных покрытий в лопастной мешалке сначала следует залить воду (30–60 % ее оптималь­ного содержания), после чего отдельными порциями загрузить постав­ляемый концентрат (порошок или пасту). Затем массу перемешать в те­чение 30–60 мин, выдержать 60–90 мин, перемешать снова 30–60 мин и добавить воду до необходимой плотности.

При изготовлении покрытий из отдельных компонентов рекоменду­ется сначала готовить жидкую композицию, то есть раствор связующего, суспензирующего и других веществ, образующих истинные или колло­идные растворы. Причем рецептуру этой композиции необходимо рас­считать таким образом, чтобы содержание в ней растворителя было на 10–20 % меньше того количества, которое требуется для получения сус­пензии с заданной плотностью. Затем в жидкую систему вводят наполни­тель, тщательно перемешивают и добавляют остальной растворитель. Эту технологию можно осуществить с использованием одной или двух крас­комешалок. В первом случае обеспечивается наиболее экономичная тех­нология, поскольку покрытия готовят путем последовательного введения компонентов в один смесительный аппарат.

При приготовлении водорастворимых красок из паст централизован­ной поставки сначала в краскомешалку загружают пасту и в неполном количестве воду, затем вводят стабилизаторы, предварительно замоченные в воде, и производят тщательное перемешивание, в процессе которого добав­ляют воду до требуемой плотности краски. При изготовлении красок из отдельных компонентов в краскомешалку загружают материалы в соот­ветствии с рецептурой готового состава и производят тщательное переме­шивание до получения однородной суспензии требуемой плотности. При длительном хранении краски перед употреблением ее необходимо тщатель­но перемешать в краскомешалке.

При получении самовысыхающих покрытий целесообразно предва­рительно изготовлять жидкую композицию (лак) с содержанием раство­рителя, позволяющим при совмещении этой композиции с соответст­вующим количеством наполнителя создавать суспензию необходимой плотности. Такая технология обеспечивает сокращение операций, свя­занных с дозированием летучих растворителей. Она получила распро­странение при использовании компонентов, для растворения которых требуется длительное время (несколько часов), например в случае при­менения поливинилбутираля.

Противопр и гарные пасты и натирки обычно готовят в смешиваю­щих бегунах.

Таким образом, свойства покрытий зависят не только от рецептуры, но и от техно­логии их приготовления, то есть от качества смешения исходных материалов, что является не простым механическим распределением компонентов, а представляет собой взаимосвязанные адсорбционные и механохимические процессы.

 

Контрольные вопросы

 

1. По каким признакам классифицируют покрытия?

2. Что поднимают под седиментационной устойчивостью?

3. От чего зависит кроющая способность красок?

4. Как добиться высокой прочности покрытий?

5. В каких устройствах готовят порошковые, пастообразные и жидкие составы красок?

6. Почему гранулированные покрытия считаются лучшими?

 

Глава 7