Легковыбиваемые Жидкостекольные Смеси Для Литейного Производства

Стрюченко А.А., Дорошенко В.С., dorosh@inbox.ru

ЛЕГКОВЫБИВАЕМЫЕ ЖИДКОСТЕКОЛЬНО-ПОЛИСТИРОЛЬНЫЕ ПЕСЧАНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ И СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ ДЛЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

В песчаных формах со связующим получают около 75 % выпуска отливок, что сохраняет актуальность совершенствования технологии взаимодействия отливок с такими формами. Среди многих видов связующих материалов для приготовления формовочных и стержневых смесей жидкое стекло наряду с огнеупорными глинами является наиболее применяемым, его вводят в смеси в количестве до 6-7 %.

Как неорганическое связующее в формовочных смесях жидкое стекло имеет ряд несомненных преимуществ – огромные возможности сырьевой базы, дешевизна, доступность, экологическая безопасность и др. Вместе с тем, есть один очень серьезный недостаток этих смесей, который заключается в плохой выбиваемости отливок. Наибольшая энергоемкость выбивки обычно характерна для чугунных отливок (для стальных меньше), именно температурный интервал их получения приводит к спеканию и экстремальному росту прочности жидкостекольных смесей, что особенно затрудняет выбивку стержней из этой смеси. Поэтому разработаны многочисленные меры, направленные на улучшение выбиваемости смесей с жидким стеклом, в основном связанные с введением разупрочняемых добавок в смесь, которые незначительно снижают прочность и предотвращают спекание смеси.

В настоящей работе кардинально решается проблема выбивамости жидкостекольных смесей путем ввода в них наряду с жидким стеклом не как добавки-разупрочнителя, а на правах равноправного связующего - полимера полистирола в виде 40 %-го раствора отходов пенополистирола в живичном скипидаре. Это позволяет: в 2 раза уменьшить содержание жидкого стекла в смеси, исключить образование сплошной стекловидной пленки силикатного связующего вокруг ее зернистого материала, резко улучшить выбиваемость отливок в связи с деструкцией полимера полистирола, выделением сажистого углерода и последующим разупрочнением формовочного материала после его контакта с заливаемым в форму металлом. Сочетанное двух разнородных связующих и появление сажистого продукта термодеструкции одного из них создает эффект надрезания и охрупчивания пленки жидкого стекла, что позволяет отнести полученные смеси к категории легковыбиваемых наряду со смесями на синтетических смолах.

Проведен цикл исследований с одним из возможных составов жидкостно-полистирольной формовочной смеси: кварцевый песок 95 % (по массе, здесь и далее); жидкое стекло 3 %; полимер полистирол 2 % (в виде 40 %-го раствора отходов пенополистирола в живичном скипидаре). Прочность такой смеси на сжатие по сырому после продувки СО2 в течение 1 мин. превышает возможности ее определения на стандартном рычажном приборе, то есть значительно выше 1,25 кгс/см2, а прочность смеси по сырому на разрыв равна 0,04 МПа.

В качестве характеристики выбиваемости этих смесей с жидкостекольно-полимерным связующим была принята прочность образцов на разрыв в зависимости от температуры высушивания и с учетом обработки СО2 или без обработки СО2.

Вариант продувки смесей СО2 предусматривает получение быстротвердеющей смеси, и в этом ее основное преимущество. Следует, однако, при этом учитывать те закономерности физико-химии твердения этого связующего, что прочность такой смеси объясняется склеиванием зернистого материала гелем кремневой кислоты. Но по данным А.М. Лясса, "прочность склеивания зерен наполнителя стекловидной пленкой силиката натрия во много раз выше, чем прочность склеивания гелем кремневой кислоты". Поэтому целесообразно в ряде случаев литейной практики, особенно в индивидуальном производстве, использовать эту возможность серьезного упрочнения смеси путем ее высушивания, в том числе после продувки СО2.

В связи с изложенным были проведены испытания смесей с жидкостекольно-полистирольном связующим на прочность на разрыв после продувки СО2 и без продувки СО2 в интервале температур от 20°С до 350°С.

После продувки СО2 и последующем высушивании при оптимальной температуре 150°С прочность смеси на разрыв значительно увеличивается с 0,04 МПа при комнатной температуре до 0,57 МПа, т.е. почти в 15 раз. При дальнейшем повышении температуры (оптимальная продолжительность сушки 1,5 часов) наблюдается резкое уменьшение прочности на разрыв, что обусловлено началом активного воздействия полимера полистирола, который при 200°С начинает подвергаться процессам деструкции. Так, если при 170°С прочность смеси на разрыв только заметно уменьшилась с 0,57 МПа до 0,46 МПа, то при 200°С она резко снизилась до 0,14 МПа. А при 250°С и 300°С смесь практически полностью разупрочнилась, и стержень потерял свою форму, подвергаясь рассыпанию.

Высушивание смесей упомянутого выше состава без предварительной продувки СО2 показало следующие результаты. При 100°С наблюдается замедленное увеличение прочности на разрыв в сравнении с продувкой смеси СО2 – только 0,20 МПа в сравнении с 0,46 МПа, т.е. более, чем 2 раза меньше. Однако, при оптимальной температуре сушки 150°С и продолжительности 1,5 час. прочности обеих смесей практически сравнялись – соответственно с продувкой СО2 – 0,57 МПа и без продувки СО2 - 0,60 МПа.

При дальнейшем повышении температуры сушки наблюдается значительное уменьшение прочности смесей на разрыв – при 170 °С до 0,34 МПа, при 200 °С до 0,28 МПа, при 250 °С до 0,10 МПа, при 300 °С до 0,04 МПа и при 350 °С – до 0,03 МПа, т.е. до полного разупрочнения смеси.

На основе проведенных исследований сделаны следующие выводы.

1. Предложено взамен обычно применяемых жидкостекольных смесей, содержащих 6-7 % жидкого стекла и имеющих затрудненную выбиваемость отливок, применять легковыбиваемые жидкостекольно-полистирольные формовочные и стержневые смеси при несущественном их удорожании, так как полистирольная добавка изготовлена из отходов.

2. Изучен и обоснован механизм процесса, состоящий в том, что легкая выбиваемость жидкостекольно-полистирольных смесей обусловлена термодеструкцией полимера полистирола, начиная с 200°С с последующим практически полным разупрочнением смеси при температурах 300-350°С.

3. Рассмотрены 2 варианта высушивания жидкостекольно-полистирольной смеси - с продувкой СО2 в течение 1 мин и без продувки СО2. Продувка СО2 позволяет получить быстротвердеющую смесь с относительно невысокой сырой прочностью на разрыв – 0,04 МПа. Высушивание такой смеси позволяет увеличить ее прочность на разрыв многократно – с 0,04 МПа до 0,57 МПа.

Высушивание смеси без продувки СО2 ввиду отсутствия геля кремневой кислоты дает замедленный рост прочности при 100 °С - 0,20 МПа против 0,46 МПа. Однако, при оптимальной температуре высушивания 150 °С прочность на разрыв в обоих случаях практически одинаковы – без продувки СО2 – 0,60 МПа, с продувкой СО2 - 0,57 МПа.

4. Разработана технология смесеприготовления, в которой следует отметить в качестве важнейшего технологического требования при приготовлении жидкостекольно-полистирольных смесей с продувкой СО2 обязательность соблюдения следующей очередности ввода компонентов в смеситель, сначала 40 %-го раствора отходов пенополистирола и только затем жидкого стекла.