Применение различных смол в литейном производстве

Применение различных смол в литейном производстве:

Отливки без дефектов не бывают. Степень поражения отливок дефектами зависит от множества факторов, среди которых важнейшими являются качество используемых для производства материалов, стабильность и совершенство технологии и оборудования, сложность и технологичность отливок, квалификация занятого в производстве персонала.

Точного количества видов дефектов отливок никто не знает, однако достоверно можно утверждать, что в одну сотню их не вместить.

Одним из самых ущербных для качества и экономичности отливок является так называемая ситовидная пористость. Этот дефект зачастую сочетается с усадкой металла и называется газо-усадочной пористостью. Ущербность этого дефекта состоит еще и в том, что он редко исправим или вообще не исправим.

Главным источником ситовидной пористости являются азот, реже – водород.

Ситовидная пористость существовала задолго до ХТС – технологий, однако с приходом ХТС этот дефект стал своего рода родимым пятном технологий формообразования на основе ХТС, особенно если в качестве связующего использовались карбамидосодержащие синтетические смолы, как фурановые, так и не содержащие фурановых компонентов.

Главные условия предупреждения ситовидной пористости заключаются в следующем:

1. Со стороны формы:

—                   использование формовочных материалов, из которых выделяется минимальное количество газов при их термодеструкции и сгорании;

—                   применительно к ХТС – это смолы с минимальным содержанием мочевины или вовсе не содержащие её (фенолформальдегидные смолы);

—                   тепловая сушка (или подсушка) стержней и форм, в результате которой из них удаляется до 70% газов, в них содержащихся;

—                   эффективна литниковая система и хорошая вентиляция формы.

1. Со стороны металла:

— эффективная технология выплавки металла с обязательным прокаливанием части металлической шихты машинного происхождения.

Технический прогресс остановить невозможно, это относится также и к технологиям формообразования на связующей основе синтетических смол.

Стержнем настоящей публикации является технология окрашивания стержней и форм для производства чугунного литья сочетанием черной (графито-углеродистой) и белых (цирконовая, маршаллитовая, дистенсиллиманитовая) противопригарных красок, которая позволяет полностью предупредить образование ситовидной пористости чугунных отливок, когда используются фурановые смолы с высоким содержанием азота.

Исходя из нижеописанного механизма влияния этой технологии на образование ситовидной пористости, с твердой уверенностью допускаем, что она эффективно применима для предупреждения ситовидной пористости также на стальном литье.

Автором и идеологом этой технологии явился покойный Варшавский Александр Сергеевич (Россия, ЦНИИПТМаш).

Эта технология в конце прошлого века была реализована намина заводе «Русский дизель» (г. Ленинград, ныне — Санкт Петербург, Россия). Описание этой технологии и связанных с нею экспериментов приводим ниже.

Для получения бездефектного литья зарубежные технологии предполагают использование очень дорогостоящих смол. При помощи описываемой технологии можно достигнуть тех же результатов при ценах смол в разы меньше. При этом такие смолы не надо импортировать. Они производятся в Украине, по меньшей мере, двумя предприятиями:

1. ООО НПП «Заря» (г. Рубежное, Луганской обл.) – карбамидо-фурановая смола марки КФ-Ф. В этой смоле содержится не менее 40% фурилового спирта. Она является аналогом ранее производившейся в Северодонецке карбамидо-фурановой смолы БС-40 и применима для производства отливок из всех видов сплавов;
2. ПП «Формовочные смолы Украины» (г. Александрия Кировоградской обл.) производит следующие смолы и отвердители для литейного производства:

—                   низкоазотистые фурановые смолы КФ-65С, Резолит-1, Резолит-2;

—                   карбамидо-фурановые смолы БС-40 и КФ-90;

—                   феноло-формальдегидные смолы ФФ-95, Формалит, Формалит СО₂;

—                   композитный отвердитель КС-1.

Вышеприведенный набор из восьми смол и одного катализатора в состоянии удовлетворить практически все технологии на основе ХТС с учетом всего разнообразия номенклатуры литья, производимого в Украине.

Важнейшие эксперименты с использованием альтернативных технологий предупреждения ситовидной пористости проводились на трех важнейших отливках.

Первая отливка – блок — картер ПЧФ130-101 массой 126 кг с преобладающими толщинами стенок 10-12, а в утолщенных местах 35-40 мм. Внутренние контуры отливки образуются семью стержнями. Наиболее часто ситовидной пористостью поражаются те части отливки, поверхности которых образуются шейками стержней или прилегают к ним. Газы из стержня выводятся через центральный канал Æ12мм и поперечные каналы, соединенные с главным каналом.

Вторая отливка – картер Н8-130-101 массой 120 кг, представляющий собой тонкостенную чугунную отливку со сложными и развитыми поверхностями.

Отливка имеет внутри четыре крупные полости, образованные стержнями. Преобладающие толщины стенок – 8-12, в утолщенных местах -35-40мм. Наиболее часто газовыми раковинами поражаются те же места, что и в блок – картере.

Газы из стержней выводятся через их знаковые части и выпор.

Третья отливка – поршень 23-040-015 массой 185 кг, представляющая собой глуходонный цилиндр с гладкими наружными поверхностями и внутренними поверхностями сложной конфигурации, образованными составными стержнями. Преобладающие толщины стенок -40-50 мм. К отливке предъявляются очень высокие требования.

Стержни изготавливались из фурановой ХТС следующего состава, масс. ч.:

—                   кварцевый песок – 100;

—                   смола КФЖ-1,5;

—                   фуриловый спирт – 1;

—                   ортофосфорная кислота (r-1,6 г/см²) 0,90-1,5.

Стержни окрашивались водной графито-бентонитовой краской и подвергались кратковременной тепловой сушке.

Формы блок-картера и картера изготавливали из песчано-глинистой смеси, окрашивая их быстросохнущей краской. Формой для поршня служил облицованный жидкостекольной смесью кокиль, облицовка которого из жидкостекольной смеси кратковременно подсушивалась теплом.

Газы из формы выводили через отверстия в цилиндрической части кокиля и выпор, проходящий через центральную часть.

Несмотря на ранее внедренный комплекс мероприятий по улучшению качества отливок, брак вышеупомянутых трех отливок продолжал оставаться высоким.

С появлением новых технологий литейного формообразования возникли новые виды брака отливок, свойственные этим технологиям. Таким видом брака при применении ХТС на основе карбамидосодержащих смол является ситовидная пористость.

В связи с этим перед нами (тогдашним Краматорским НИИПТМашем) вплотную встала задача совершенствования технологии изготовления дизельных отливок с применением ХТС.

К тому времени мировой практикой было твердо установлено применительно к предшествовавшим фурановым ХТС технологиям, что одной из радикальных мер предупреждения ситовидной пористости была тепловая подсушка и введение в состав смеси окиси железа.

Ранее мы уже изложили свою критическую точку зрения относительно завышенных оценок фурановых технологий в части их использования для изготовления форм [1]. В данной работе из фурановых ХТС изготавливались только стержни.

Объектом изучения в рамках данной работы были дизельные отливки типа блок-картера, картера и поршня из чугуна электропечной выплави.

Цель работы заключалась в уменьшении брака литья по газо-усадочной пористости и засорам, которое изготавливалось с применением фурановой ХТС.

Мы опускаем анализ дефектов дизельных отливок, которые обусловлены теми или иными дефектами выплавки металла и сосредоточимся всецело на дефектах, обусловленных качеством исходных формовочных материалов и технологий формообразования.

Ситовидная раковина – дефект в виде удлиненных тонких раковин, нормально ориентированных к поверхности отливки, вызванных повышенным содержанием азота, водорода или совместно первого и второго газов в кристаллизирующемся слое застывшего металла.

Авторы [3] считают, что основным источником азота и водорода является форма, поскольку поверхностный слой отливки затвердевает с высокой скоростью. При этом он в наибольшей степени насыщается окислами. Именно в этом слое образуется пористость, располагаясь параллельно фронту кристаллизации.

При использовании синтетических смол с карбамидом последний при его нагревании разлагается на азот и водород, которые диффундируют в металл. Этот дефект чаще всего возникает в тонкостенных отливках (толщины стенок до 20-30 мм), причем площадь дефектной зоны и число раковин тем больше, чем выше содержание азота в смесях. Поэтому авторы [3] рекомендуют следующее содержание азота в смесях при производстве чугунных отливок:

Для серого чугуна:

— в смесях 0,15-0,25;

— в смоле – 8-15%.

Для низколегированного чугуна:

— в смесях 0,06-0,10;

— в смоле – 3-6%.

Ко времени проведения ниже описываемой работы на заводе «Русский дизель» брак отливок по газовым раковинам составлял 16,8% от совокупности всех дефектов, а общий брак литья в иные месяцы достигал 54 %.

Брак литья по ситовидной пористости существовал задолго до появления фурановых технологий. Фурановые технологии на основе карбамидосодержащих смол очень сильно усугубили ситуацию с ситовидной пористостью и побудили литейщиков искать иные, нетрадиционные пути предупреждения этого дефекта.

Таким образом, после общеизвестных источников ситовидной пористости при изготовлении чугунных отливок появился еще один – песчано-смоляная смесь с карбамидосодержащим компонентом.

Ниже описаны эксперименты по двойному комбинированному окрашиванию стержней:

первый слой – черная графитовая краска;

второй слой – светлые: цирконовая, маршаллитовая, дистенсиллиманитовая и тальковая водные краски с последующей кратковременной подсушкой.

В экспериментах использовались ХТС на связующей основе карбамидо-фурановых смол БС-40, КФ-90, Фуритол-107, карбамидо-формальдегидной смолы КФФ-Л и связующей композиции на основе смеси карбамидо-формальдегидной смолы КФЖ и фурилового спирта (60 и 40% соответственно).

Содержание азота в вышеприведенных смолах таково, %: БС-40 — 9-10; КФ-90 — 8; Фуритол -107 – 9-10; КФФ-Л – 17-18; КФЖ+ фуриловый спирт – 8-9.

Испытания проводились на специальной литой пробе, конструкция которой позволяла наиболее полно выявлять ситовидную пористость. Проба оформлялась формовочной массой на основе пяти вышеупомянутых смол. Эта масса являлась источником газов ситовидной пористости.

Были реализованы 4 варианта окрашивания песчано-смоляной формы для отливки проб:

I вариант: проба не окрашивается и высушивается при температуре 180⁰С в течение 2 ч;

II вариант: проба окрашивается стандартной графито-бентонитовой краской и высушивается при температуре 180⁰С в течение 2 ч;

III вариант: проба окрашивается цирконовой краской и высушивается при 180⁰С в течение 2 ч;

IV вариант: проба окрашивается дважды:

— первая разновидность: проба окрашивается графито-бентонитовой краской и высушивается при 180⁰С в течение 2 ч, после чего наносится второй слой цирконовой краски и стержень также кратковременно подсушивается;

— вторая разновидность: первый слой – цирконовая, второй слой — графито-бентонитовая краски.

Результаты экспериментов таковы:

-неокрашенные, окрашенные цирконовой краской и окрашенные дважды (первый слой графито-бентонитовая, второй – цирконовая) не имели ситовидной пористости. По чистоте поверхности совершенно чистыми от пригара были пробы, окрашенные графито-бентонитовой краской и при двойном окрашивании (графито-бентонитовой и самовысыхающей тальковой красками на лаке КО-0168).

Определенную положительную роль в предупреждении ситовидной пористости играют окислы железа.

Окись железа Fe₂O₃ в составе краски играет двойную роль: первую – связать выделившиеся азот и водород и тем самым предупредить ситовидную пористость; вторую – уменьшить пригар на отливках.

Механизм второго эффекта подробно изложен и объяснен в источнике [5].

Тепловая сушка очень резко снижает содержание азота в ХТС. Температурный порог резкого снижения содержания азота находится в области 180⁰С. Остаточный азот во всех пяти разновидностях смоляных связующих составил 0,005-0,062% и находится далеко за пределами его опасного содержания – 0,15% [3].

Таким образом, в лабораторной части работы было установлено следующее:

—   с использованием синтетических связующих (БС-40, КФ-90, Фуритол 170, КФФ-Л и композиции КФЖ-Л + фуриловый спирт)  на пробах, полученных без окрашивания, газовые дефекты повсеместно отсутствовали;

—   на пробах – трудноотделимый пригар;

Мы не стали оценивать отсутствие дефектов на пригар,

—  при окрашивании форм стандартной графито-бентонитовой краской со смесями на тех же смолах практически все пробы имели газовые дефекты в большей степени со смесями на основе смолы БС-60, в меньшей – на основе смолы КФ-90, пробы имели чистую поверхность;

—  при окрашивании форм цирконовой краской на основе жидкого стекла и ортофосфорной кислоты на всех пробах газовые дефекты отсутствовали; химический или механический пригар отсутствовал, но красочный слой оставался на отливке. Для его снятия требовалась дробемётная очистка;

—  при двойном окрашивании форм (первый слой – цирконовая краска, а второй – графито-бентонитовая) практически все пробы имели газовые дефекты, но поверхность была совершенно чистой;

—  при окрашивании форм графито-бентонитовой краской (первый слой и цирконовой (второй слой) на пробах газовые дефекты отсутствовали а на поверхности проб в некоторых местах оставался красочный слой;

—  при окрашивании форм первым слоем графито-бентонитовой, а вторым – тальковой самовысыхающей краской газовые дефекты на пробах отсутствовали, поверхность была очень чистой.

Таким образом, мы на практике убедились в правильности идеи Варшавского А. С. о благотворной роли окрашивания стержней в вышеописанном сочетании.

Рамки настоящей статьи не позволяют нам подробно остановиться на механизме этого феномена. Но он нам хорошо известен, и мы раскроем его в одной из наших будущих публикаций.

Здесь уместно напомнить классическую концепцию Ю. А. Нехендзи [4] о функции и роли окрашивания форм и стержней в газовом режиме литейной формы и выводе газов из нее. Её суть состоит в том, что окрашенный поверхностный слой стержня или формы должен обладать нулевой газопроницаемостью, т.е. быть газопроницаемым, с тем, чтобы воспрепятствовать выходу газов в полость формы и насыщению ими заливаемого в форму металла. Что же касается образующихся в материале формы и стержня газов, то они должны удаляться в сторону периферии формы через хорошо продуманную систему вентиляционных каналов.

Из этого следует, что вывод газов из внутренних частей форм и стержней через хорошо продуманную систему вентиляционных каналов – одно из важнейших условий предупреждения не только ситовидной пористости, но и других разновидностей газовых дефектов.

Мы не претендуем на то, чтобы вышеописанная технология использовалась вместо современных классических технологий, осуществляемых на очень дорогом высокотехнологическом оборудовании с большими объёмами производимого литья.

В Украине существует несколько сотен вновьсозданных маломощных литейных цехов и участков, для которых вышеупомянутые технологии неподъемны и нереализуемы в ближайшие годы.

Мы допускаем, что через 10-20 лет описанная нами ныне забытая технология благодаря техническому прогрессу будет забыта навсегда, но в настоящее время она, как никогда, актуальна и полезна.

Авторы выражают надежду на то, что воскрешенная нами забытая технология окажет существенную помощь литейщикам Украины в предупреждении очень распространенного дефекта отливок – ситовидной пористости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белобров Е. А, Карпенкова О. Л. Об особенностях окрашивания стержней и форм, изготавливаемых различными способами формообразования. «Литье Украины», 2014, № 12, сс. 2-7.
2. Варшавский А. С. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., НИИПТМАШ, 1976.
3. Жуковский С. С., Лясс А. М. Формы и стержни из холоднотвердеющих смесей. М, Машиностроение, 1976.
4. Нихенндзи Ю. А. Стальное литье. Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии. М., 1948.
5. Modern casting: 1971, 59.- № 3.