Покрытия для форм и стержней

 

Одним из главных направлений в развитии литейного производства считают повышение геометрической точности отливок, чтобы приблизить размеры литых заготовок к размерам готовых изделий. Решение этого вопроса, возможно, прежде всего, при условии получения поверхности отливок надлежащей чистоты и без литейных дефектов. Основную массу отливок в настоящее время изготавливают литьем в разовых формах. Однако получение отливок в песчаных формах сопряжено с появлением различных поверхностных дефектов и самый распространенный де­фект – пригар.

Огнеупорный наполнитель – кварцевый песок, на­ряду с высокой термостойкостью, имеет существенные недостатки: резкое изменение объема при нагревании и способность взаимодействовать с окислами железа, что вызывает образование легкоплавкого фаялита, цемен­тирующего зерна песка в прочную корку пригара.

Перспективным направлением повышения качества поверх­ности отливок является применение покрытий для форм и стержней в виде припылов и красок.

Несмотря на закрепившиеся за этими составами термины «противопригарные» покрытия или «краски», они сегодня являются многофункциональными и могут, придавая комплекс специальных свойств формам и стержням, обеспечить повышение качества и снижение себестоимости отливок по многим показателям: предупредить или значительно снизить брак по всем видам пригара, шероховатости, неметаллическим включениям и засорам, просечкам, наростам и другим видам поверхностных и объемных дефектов. Кроме того они позволяют произвести поверхностное (а для тонкостенных отливок и объемное) легирование и модифицирование сплавов, экономить дефицитные и дорогостоящие компоненты в формовочных составах для форм и стержней.

Готовые к употреблению покрытия представляют собой суспензию, состоящую из порошкообразного огнеупорного наполнителя, связующего компонента стабилизатора и специальных добавок, равномерно распределенных в дисперсной среде (воде или органической жидкости). Они должны обладать достаточной огнеупорно­стью, высокой седиментационной устойчивостью, большой прочностью сцепления с поверхностью форм и стержней при заливке, малой газотворностью и гигроскопичностью.

 

Классификация покрытий

 

Покрытия и припылы можно различать по признаку комплексного воздействия на металл: пассивные – не плавящиеся и не диффундирующие; активные – плавящиеся или активные – диффундирующие.

Второстепенными признаками, по которым можно различать все покрытия, являются:

– заливаемый металл (сталь, чугун, цветное литье);

– технология отверждения (внешним источником тепла, сжигани­ем и экзотермическими процессами, самотвердением).

Известные составы покрытий классифицированы по признаку воздействия на ме­талл отливки и ряду второстепенных признаков: физическому состоянию до нанесения на форму и способу отверждения, виду наполнителя красок (рис. 32).

Выбор материалов для покрытий. Наблюдается тенденция к применению покрытий вы­сокого качества из высокоогнеупорных материалов, несмотря на их дорого­визну, так как возросшие расходы на приготовление высококачественных по­крытий окупаются за счет повышения товарного вида отливок и снижения затрат на их очистку.

Прежде чем приступить к разработке состава, необходимо иметь минимум сведений о материале, весовой группе и толщине стенок отливки-представителя, технологии формы и степени механизации процес­сов формообразования. Огнеупорная основа покрытия должна соответствовать заливаемому спла­ву и материалу формы; основные окислы сплава и формовочных смесей нельзя сочетать с кислой основой покрытия и наоборот. Только нейтральные огнеупорные материалы покрытия можно применять в сочета­нии с кислыми или основными окислами формы.

Не следует использовать в полном объеме только тонкодисперсные наполнители. Из-за большой активности частиц они требуют повышенного расхода связующего и после сушки часто трескаются и отслаиваются, поэтому даже черный гра­фит рекомендуют применять совместно с более крупным серебристым гра­фитом в отношении 2:1 или 3:1. Для снижения склонности графитовых покрытий к образованию трещин и повышения газопроницаемости слоя при­нято добавлять молотый кокс.

Использование тонкодисперсных покрытий, вплоть до наноструктурированных возможно после специальных способов активации или синтеза сыпучих компонентов, что позволяет модифицировать покрытия и значительно усилить эффективность их использования за счет возможности регулирования свойств в очень широких пределах в соответствии с требованиями технологии изготовления отливки.

 

Рис. 32. Классификация покрытий для разовых литейных форм и стержней

 

Желательно применять светлые огнеупорные покрытия. Светлая форма имеет более опрятный вид, лучше просматривается при сборке и меньше подвержена разрушению под действием тепловой радиации жидкого метал­ла. Для предотвращения образования поверхностных дефектов отливок ре­комендуют наряду с огнеупорной составляющей вводить в краску теплоизоляционные материалы. Выбор дисперсионной среды (растворителя) так­же зависит от принятой технологии изготовления формы и свойств смесей. Во всех случаях, когда формы (стержни) подвергаются просушке в сушилах или подсушиваются, целесообразно применять в качестве дисперсионной среды воду. Водные покрытия до сих пор считают наиболее термостойкими и вместе с тем технологичными, так как они не токсичны, не горючи и обла­дают высокой живучестью.

При выборе органического растворителя учитывают его скорость испарения, токсичность и взрывоопасность.

Седиментационная устойчивость суспензий достигается введением в них стабилизирующих веществ, которые должны полностью растворяться в выбранном растворителе без осадка и сворачивания. Если стабилизатор обладает временно связующими и стабилизирующими свойствами, то не всегда можно сократить число компонентов краски. Например, достаточ­ную седиментационную устойчивость и прочность водной краски можно получить, добавляя только одну глину. Однако повышенное содержание глины снижает огнеупорность краски и увеличивает ее склонность к образо­ванию трещин после просушки. Целесообразнее часть глины заменить ка­ким-либо органическим связующим и стабилизатором.

Связующие материалы должны также полностью растворяться в вы­бранном растворителе и сочетаться со стабилизатором. Не сочетаются поливинилбутираль с пульвербакелитом ПК-104: при сливании спиртовых растворов этих веществ выпадает осадок. Поливинилбутираль в спиртовых растворах хорошо сочетается с канифолью, а также этилсиликатом. Карбоксиметилцеллюлоза хорошо сочетается с водорастворимыми связующими: лигносульфонатом, патокой, гидролом. ЛСТ является поверхностно-активным веществом и хорошо разжижает суспензии, но снижает седиментационную устойчивость красок, поэтому в красках на тяжелых наполнителях (циркон, магнезит) применять его не следует.

Тиксотропные свойства краскам придают натриевые бентониты. В красках, содержащих каолиновые глины, тиксотропность появляется при добавке едкого натра и увеличении рН, поэтому для повышения тиксотропии водных красок необходимо стремиться к созданию в них нейтральной или щелочной среды.

Краски, содержащие спиртовой раствор поливинилбутираля, приобре­тают тиксотропные свойства при добавлении к ним марганцовокислого ка­лия. Для красок, приготовленных на 2 %-м растворе поливинилбутираля, достаточно ввести 3 % марганцовокислого калия к массе жидкой среды.

При выборе связующего для быстросохнущих красок нужно отдавать предпочтение материалам, полимеризующимся при комнатной температуре и наиболее термостойким.

Растворители следует выбирать такие, чтобы приготовленная краска смачивала формовочную смесь, тогда она лучше проникает в стенки формы, прочно сцепляется с ней и не отслаивается после сушки. Краска, которая не смачивает материал формы, плохо проникает в поры между зернами смеси и слабо сцепляется с ее поверхностью.

Установлено, что оптимальная вязкость водных красок, при которой обеспечивается прочное сцепление их с поверхностью смеси, составляет для цирконовых 50–60 с (по ВЗ-4) и для дистен-силлиманитовых 75–85 с. Для стабилизации красок используют высокомолекулярные вещества (КМЦ, альгинат натрия и пр.), образующие при небольшой концентрации (3–5 %) структурированные растворы вязкостью 20–25 с. Для приготовле­ния быстросохнущих красок применяют 4 %-й раствор поливинилбутираля в спирте вязкостью 17–20 с. Цирконовые краски, приготовленные на этом стабилизаторе, имеют плотность 1,8–2,0 г/см³ при вязкости 30–55 с.

Кроме того, удовлетворить одновременно требования по высокой седиментации и проникающей способности кра­сок можно, используя растворители с большой плотностью (например, фреоны) или увеличивая плотность известных растворителей, растворяя в них некоторые неорганические окислы или соли.