Формовочные материалы (стр. 14 )

Весьма перспективны водорастворимые фенолоформальдегид­ные смолы СФЖ-30-13 и водоэмульсионная смола СФЖ-301, позволяющие вводить в смесь до 3% глины или применять глинистые пески. Глина при этом адсорбирует низкомолекулярные фракции связующего, в результате чего повышается прочность XТC. Применяются и другие виды смол для ХТС: алкидные, эпоксидные, полиэфирные.

Алкидные, или глифталевые, смолы получают при поликонденсации глицерина и фталевого ангидрида. Их отверждают полиизоцианатом и амином. При этом образуются полиуретаны, имеющие высокую прочность. Известны также алкидные смолы, модифицированные растительным маслом.

Полиэфирные смолы имеют в молекулах несколько групп ОН. В качестве отвердителя этих смол в ХТС вводятся изоцианаты. Смолы отверждают также продувкой аминами. Через 5 мин прочность достигает 0,2 МПа при содержании 0,7% смолы. В результате исследований было показано, что при содержании 0,7% смолы “Систол”
и 0,9% изоцианата добавками 0,03–0,07% уротропина и 0,3% воды можно достичь прочности при сжатии 2,5–3,5 МПа.

Известны ХТС с поливиниловым спиртом ( ГОСТ 10779–78), который вводится в смесь в виде 7,5–10%-го водного раствора в количестве 4–5% (по отношению к песку). Отверждение происходит при добавке 0,06–0,18% дикарбоновых кислот, например, лимонной. При этом достигается прочность 1,9–2 МПа. Однако ХТС с поливиниловым спиртом (ПВС) имеют повышенную гигроскопичность, и для ее снижения необходимо в смесь добавлять 0,1–0,5% (от сухого ПВС) силана.

Смолы холодного отверждения при хранении самопроизвольно полимеризуются. Чем выше степень их полимеризации сверх оптимальной, тем ниже прочность ХТС с такими смолами. Поэтому срок хранения смол ограничивается (2–6 мес.). Кроме того, для минимального расхода смолы необходимо применять песок высокого качества с минимальным содержанием глины и других примесей, которые поглощают часть смолы и снижают адгезию связующего к песчинкам.

В последние годы применяется способ отверждения ХТС со смолами продувкой сухим холодным или горячим воздухом.

Все смолы, применяемые для ХТС, пригодны для изготовления стержней в нагретой оснастке. Для изготовления стержней в нагретой оснастке применяются и другие смолы (табл. 5.4).

Таблица 5.4

Смолы, применяемые для изготовления стержней в горячих ящиках

Наименование смолы	Марка смолы1
Фенолоформальдегидные Мочевино-формальдегидно-фурановые Мочевино-формальдегидные Мочевино-фенолоформальдегидно-фурановые Феноло-мочевино-формальдегидные Фурило-фенолоформальдегидные Поливиниловый спирт	ВР-1, ВРБ, фенолоспирт, ПК-104, СФЖ-30-13, СФ-480, СФЖ-305, СФП-011Л, ТОЛ-2 КФ-90, КФ-40, фуритол-80, 86, 174 КФ-Ж Фуритолы:30, 68, 107, 107М, 125, 127 ФПР-24, ФМЛ, СФ-411, ФМ, ФКС ФФ-1С ПВС 7/1, 7/18, 16/1, 20/1

Примечание. 1 Температура отверждения стержней со смолами 220–280°С.

Для изготовления оболочковых форм по нагретым моделям
(250–350°С) выпускается специальное связующее ПК-104, пред­ставляющее собой тонкоизмельченную смесь новолачно-формальде­гид­ной смолы марки 104 и 8% уротропина – гексаметилентетрамина (СН2)6N4. При конденсации фенола и формальдегида в щелочной среде (pH>7) образуются резольные смолы, а при избытке фенола в кислой среде (pH<7) образуются новолачные смолы. Для ускорения процесса отверждения новолачных смол в них добавляют технический уротропин, в результате чего новолачные смолы приобретают свойства резольной смолы – быстро твердеют после расплавления, превращаясь в результате поликонденсации в более высокомолекулярные неплавкие и нерастворимые соединения. Такие смолы, которые при нагреве размягчаются, а при охлаждении вновь затвердевают, называют термореактивными (в отличие от термопластичных смол). Уротропин при нагреве (при отверждении) разлагается на формальдегид, аммиак и другие газообразные продукты. Выделяющийся формальдегид “сшивает” цепи молекул новолака, образуя трехмерную сетчатую структуру, и придает смоле и оболочке необходимую прочность.

В последние годы для изготовления стержней в нагретой оснастке в качестве связующего применяется поливиниловый спирт (ПВС), (ГОСТ 10778–83). Марки ПВС обозначаются дробью: в числителе дано среднее значение динамической вязкости 4%-го раствора, а в знаменателе – среднее содержание ацетатных групп (по высшему сорту). ПВС представляет собой продукт щелочного омыления поливинилацетата. Он вводится в смесь в виде 7,5–10%-го водного раствора (0,375–0,5% в пересчете на сухое вещество). При таком малом расходе ПВС позволяет получить высокую прочность стержней. Недостатком ПВС, как и карбамидных смол, является малая термостойкость.

Прочность стержней, отвержденных в нагретой оснастке, значительно выше (при разрыве 1,5–10 МПа), чем из ХТС, так как процесс поликонденсации смолы протекает более полно, а продукты поликонденсации смол удаляются из пленок, в результате чего образуется более прочная трехмерная структура. Поскольку при отверждении смол и при их термодеструкции (нагрев в форме металлом) выделяются вредные вещества – формальдегид, фенол, метанол, необходимо вводить в смесь их минимальное количество, иметь надежно работающую вентиляцию, а процесс изготовления стержней полностью автоматизировать.

Вместо феноло-формальдегидных смол предлагаются резорцино-формальдегидные, поскольку резорцин менее летуч, чем фенол.

К водорастворимым органическим связующим относятся: упаренная кислая вода газогенераторных станций, работающих на древесном угле, КВ (необессмоленная), КВС (необесфенольная растворимая смола), оксизан – упаренный концентрат после экстракции древесной смолы при термическом разложении древесины. Эти связующие по прочности получаемых стержней уступают синтетическим смолам. Их применяют для изготовления стержней 3-го и 4-го классов сложности, упрочняемых тепловой сушкой. Прочность стержней при содержании 3% такого связующего после сушки при 160–180°С не менее 0,7 МПа.

5.8. Силикаты

Из силикатов в качестве связующих формовочных и стержневых смесей применяют жидкое стекло и цементы.

5.8.1. Жидкое стекло

Жидкое стекло является самым распространенным (после глины), дешевым нетоксичным связующим, применяемым для изготовления форм и стержней, особенно в единичном и мелкосерийном производстве. Основным преимуществом жидкостекольных смесей является возможность упрочнения их в контакте с оснасткой при комнатной температуре.

Жидкое стекло представляет собой водный раствор щелочных силикатов переменного состава – Na2O×nSiO2 или K2O×nSiO2. Если жидкое стекло содержит силикаты натрия, оно называется натриевым, а если силикаты калия – калиевым. В литейном производстве в основном применяют натриевое (содовое) жидкое стекло, как более дешевое и менее дефицитное, чем калиевое. Жидкое стекло оценивают по модулю и плотности. Модуль жидкого стекла определяют по формуле

где %SiO2 и %Na2O – процентное содержание SiO2 и Na2O в жидком стекле, 1,032 – коэффициент отношения молекулярных масс оксидов натрия и кремнезема.

Согласно ГОСТ 13078–81 жидкое стекло (содовое) выпускается с модулем 2,61–3,0, низкомодульное и 3,01–3,5 – высокомодульное, плот­ностью 1360–1500 кг/м3.

В литейном производстве применяют жидкое стекло с модулем 2,0–3,1. Чем выше модуль жидкого стекла, тем выше его степень полимеризации и тем больше скорость твердения. Это часто является причиной малой живучести смесей, приводит к быстрому нарастанию прочности в начальные периоды твердения, но является причиной снижения прочности через более длительный период твердения например через 24 ч. Поэтому модуль жидкого стекла, применяемого для приготовления смесей, снижают добавкой NaOH. Количество щелочи, необходимое для снижения модуля жидкого стекла с M1
до М2, определяют по формуле

,

где n – необходимое количество NaOH, г;

Na2O – содержание Na2O в исходном жидком стекле, г;

С – массовая доля добавляемого водного раствора NaOH, %.

Модуль М и плотность r жидкого стекла выбирают в зависимости от принятого способа отверждения формовочной смеси (табл. 5.5).

Таблица 5.5

Рекомендуемые модули и плотность жидкого стекла
в зависимости от способа отверждения смеси

Способ отверждения	Тип отвердения	М	r, кг/м3
СО2-процесс ЖСС ПСС ХТС	Углекислый газ Двухкальциевые силикаты (феррохромовый шлак, нефелиновый шлам) Двухкальциевые силикаты (феррохромовый шлак, нефелиновый шлам) Жидкие отвердители – сложные эфиры, комплексный порошкообразный металлофосфат (антипирен из нефелина)	2,0–2.3 2,7–3,1 2,7–3,1 2,4–2,6 2,3–2,5	1480–1520 ³1360 ³1420 ³1480 ³1470

Отверждение форм и стержней с жидким стеклом было впервые осуществлено (50-е годы) продувкой их СО2. Реакция отверждения жидкого стекла по СО2-процессу

Na2O × nSiO2 + CO2 + mH2O ® Na2CO3 + nSiO2 + mH2O.

Удельный расход СО2 составляет 0,5–1,5 дм3/г жидкого стекла. Количество СО2, необходимое для достижения максимальной прочности смеси,

Q= A( 0,26 – 0,073М),

где Q – количество СО2, % от массы смеси;

А – содержание жидкого стекла, % от массы смеси;

М – силикатный модуль.

Продолжительность продувки смеси, с,

t = К(320 – 90М),

где К – коэффициент, зависящий от содержания жидкого стекла (А) и размера зерен наполнителя (для песка 1К3О302 и А = 5–7%, К » 1).