Алюмохромфосфатное и алюмоборфосфатное связующие – оптимальное решение для изготовления стержней, полностью или частично омываемых металлом при заливке форм в мелкосерийном и индивидуальном производстве.

Во все времена задачей литейщиков было получение качественного литья при снижении его себестоимости и улучшения санитарно-гигиенических условий труда за счет замены дорогостоящих и высокотоксичных связующих.

При изготовлении отливок с полостями, формируемыми стержнями, особенно с развитыми поверхностями, литейщики часто сталкиваются с выбором стержневой смеси, которая бы удовлетворяла следующим требованиям:

– иметь достаточную огнеупорность, чтобы выдержать нагрузки, возникающие при заливке форм металлом;

– обладать низкой газотворностью;

– не спекаться после заливки форм металлом и легко удаляться из отливок;

– не требовать выполнения дорогостоящих мероприятий по выполнению требований безопасности и промсанитарии;

– вписываться в производственный процесс на существующем оборудовании.

Песчано-глинистые смеси со связующими типа ЛСТ, КО и т.п. малопригодны для этой цели. Они имеют высокую газотворность и недостаточную прочность в горячем состоянии.

Главный недостаток жидкостекольных смесей – сильная спекаемость при заливке форм металлом и необходимость применения специальных добавок для ее снижения.

Холодно-твердеющие смеси на смоляных связующих имеют низкую огнеупорность и не выдерживают заливки форм металлом без дополнительных мероприятий, в числе которых следует упомянуть применение специальных противопригарных красок, использование хромитовых песков вместо кварцевых и т.д. К тому же они требуют выполнения мероприятий по технике безопасности и промсанитарии. 

Поэтому в середине 70-х годов литейщики обратили внимание на новый класс связующих – фосфатные.

Коротко о начале работ по созданию фосфатных связующих и их использованию в литейном производстве.

Работы по химии фосфатов начали развиваться в 50-х годах прошлого столетия. Огромный вклад в её развитие внес Иван Владимирович Тананаев, д.х.н., академик АН СССР, герой социалистического труда, лауреат двух Сталинских премии и государственной премии СССР. Работы Тананаева И.В. оказали сильное влияние на становление нескольких разделов неорганической химии, в частности – химии фосфатов.

Работая над проблемой химии фосфатов, Тананаев придавал большое значение созданию хромфосфатного связующего для керамики и металлов, твердеющих при низкой температуре и сохраняющего прочность до 1500℃. Совместно с А. В. Лавровым им было разработано алюмохромфосфатное связующее (АХФС), отвечающее вышеприведенным требованиям и  организовано его производство на Урале и в Актюбинске (Кахзахстан). Интересны и полезны работы по исследованию фосфатов М. М. Сычева, отраженные в монографии [2], где рассмотрены физико-химические основы получения и применения связующих на основе АХФС и алюмоборфосфатов.

Авторами работы [3] были проведены исследования наиболее доступных фосфатных связующих. Эти исследования позволили установить, что введение в состав алюмофорсфатных растворов окиси хрома дает возможность получать устойчивые при хранении связующие с повышенными адгезионными свойствами, температура тведения которых снижена с 300℃ до 150℃.

Опыт применения фосфатных связующих был обобщен в двух научно-производственных конференциях в Чебоксарах и Владикавказе. Большой вклад в изучение и популяризацию фосфатных связующих внесли исследователи Илларионов И. Е., Петрова Н. В., Решетников А. В., Стрельников И. А., Моляков А. А., которые пришли к такому выводу: «применение металлофосфатных связующих и смесей, а также противопригарных покрытий на их основе является перспективной технологией получения литейных форм и стержней с точки зрения экологичности, экономичности, высокой термостойкости, обеспечения требуемых физико-механических, технологических, эксплуатационных свойств стержней и форм. Металлофосфатные связующие рекомендуется применять для получения высококачественных отливок из черных и цветных металлов и сплавов» [4].

В 80-х годах прошлого столетия в Харьковском  институте профзаболеваний велись исследования, которые подтвердили возможность применения АХФС в различных технологиях литейного производства.

В тот же период в Свердловском НИИ профзаболеваний были разработаны санитарно-гигиенические требования по работе с фосфатными связующими.

Опыт применения фосфатных связующих в ХФ ВНИИлитмаш и УкрНИИлитмаш.

Одним из основных участников работ по освоению фосфатных связующих в литейном производстве был Харьковский филиал ВНИИлитмаш, переименованный в 1991 г. в УкрНИИлитмаш.

До 1991 года включительно работа велась на алюмохромфосфатном связующем (АХФС), основанием для выбора которого являлось, в первую очередь, то что оно имело огнеупроность, достаточную для заливки форм, используемых в литейном произвостве, а также наличие его серийного производства в Актюбинске и в Первоуральске. В течение нескольких лет после 1991 г. использовали также имеющийся на заводах запас АХФС.

В 1995-1998 гг. в НИОХИМе (Харьков) по инициативе и при участии УкрНИИЛитмаш было разработано алюмофосфатное связующее (АФС – ТУ У 6-00209740.015-98) и на опытном заводе этого института было освоено его производство.

Работы в ХФ велись в двух направлениях:

1) разработка суспензии для литья по выплавляемым моделям на АХФС или с его добавкой (до 5%) в суспензию на этилсиликате;

2) разработка и внедрение АХФС для изготовления стержней в массовом, серийном и мелкосерийном производстве литья.

В результате работ по первому направлению была разработана и внедрена на Харьковском тракторном заводе суспензия с добавкой до 5% АХФС, которая используется на заводе до сих пор. Она использовалась также на заводе «Серп и молот» до его ликвидации и на других предприятиях. В этом направлении была разработана и внедрена на Криворожском заводе «Восход» суспензия на АХФС.

В дополнение к вышеизложенному было проведено санитарно-гигиеническое исследование по изготовлению форм для точного литья с добавкой в суспензию 5% АХФС. В 1981 г. Харьковским НИИ гигиены труда и профзаболеваний были проведены исследования воздушной среды при изготовлении огнеупорных покрытий форм по выплавляемым моделям с применением алюмохромфосфатного связующего (АХФС) в условиях лаборатории ХФ ВНИИлитмаш и цеха точного литья завода им. Малышева. Отбор проб воздуха осуществляли на рабочих местах при приготовлении суспензии, при выплавке модельного состава, при обжиге форм и заливке их металлом.

Исследования воздушной среды включали определение фосфорного ангидрида (ПДК – 1 мг /м³) и хромового ангидрида (ПДК – 0,01 мг/м³), то есть вредных веществ, которые могут выделяться при использования АХФС в качестве связующего. Содержание фосфорного ангидрида обнаружено только при приготовлении суспензии в количестве 0,005-0,006 мг/м3, а содержание хромового ангидрида не обнаружено на одной из операций технологического процесса. Результаты исследования воздушной среды техпроцесса изготовления форм по выплавляемым моделям дают основание считать указанный процесс гигиенически приемлемым при условии эффективной работы вытяжной вентиляции [5].

При работе по второму направлению было разработано два базовых состава для изготовления стерженей с тепловой сушкой и по горячим ящикам, которые включают в следующие компоненты (таблица 1.)

Таблица 1.

Составы для тепловой сушки прошли производственную проверку в литейных цехах завода им. Малышева, на заводах «Серп и Молот», ХТЗ, на Харьковском механическом заводе, Харьковском авиазаводе и других предприятиях.

Смесь готовили на серийном оборудовании («бегунах»), стержни готовили, в основном, вручную, сушили при температуре не выше 220℃.

Преимущество смеси – в закрытом состоянии она сохраняет свои свойства в течение нескольких дней. На авиазаводе некоторое время не могли изготовить отливки для рулевого управления самолетом по действующей в цехе технологии из-за проблем контроля. Из смеси на АХФС проблем качества отливок из-за контроля не было.

На заводе им. Малышева смесь успешно прошла опытно-промышленную проверку на комплекте стержней для отливки корпуса двигателя в цехе цветного литья и принята к внедрению, но из-за сложившейся экономической обстановки до внедрения дело не дошло.

При обсуждении возможности получения заказа на железнодорожное литье и одном из малых предприятий столкнулись с проблемой изготовления узких стержней с сечением 10*12 мм и длиной 240 мм.

Проведенными экспериментами было установлено, что при изготовлении стержней из смеси на лингосульфонатах, КО и т.п. стержни сильно спекаются. Отдельным недостатком стержневых смесей на лингосульфонатах является газовыделение, негативно влияющее на условия труда и экологическую обстановку [6].

Стержни, изготовленные из ХТС на полимерном связующем, не выдерживали заливки металлом.

Выход был найден – стержни из смеси на АХФС даже без арматуры выдерживали заливку и легко удалялись из отливки. К сожалению, вопрос о финансировании не был решен заказчиком и работы были приостановлены.

В середине 1990-х годов в УкрНИИлитмаш обратилось малое предприятие «Антарес» с просьбой помочь в освоении производства оборудования для изготовления краски для печатного производства, для чего необходимо было серийно изготавливать отливки из Al-сплавов, имеющих протяженные ребра до 3*4 шт. в каждом из трех наименований отливок. Стержни представляли собой изделия, формирующие сложную ребристую конструкцию. Получить такую из опробованных стержневых смесей не удалось из-за неудовлетворительного качества литья. По предложению УкрНИИЛитмаш было организовано производство стержней из алюмофосатного связующего с тепловой сушкой. Стержни изготавливали вручную, сушили в электрошкафу при температуре 210-220℃. Такая технология использовалась фирмой «Антарес» около пяти лет, до изменения конструкции выпускаемого оборудования.

Вывод о возможности применения стержней на фосфатных связующих АХФС и АФС можно сделать такой:

Указанная технология изготовления стержней легко вписывается в сложившийся на предприятиях производственный процесс, но его следует применять для отливок, получение которых из других смесей невозможно или затруднительно. Кроме того, учитывая современный уровень цен на применяемые материалы, следует учитывать при технико-экономическом расчёте не только изготовление стержней, но и затраты на изготовление отливок, не прошедших контроль, и т.д.   

При работе по внедрению второй смеси для изготовления стержней по горячим ящикам были получены следующие результаты. В конце 1980-х гг. эта смесь была внедрена в сталелитейном цехе Георгиевского арматурного завода с большим экономическим эффектом.  Внедрение смеси дало возможность резко уменьшить брак отливок по горячим трещинам и полностью ликвидировать сварочные работы по этой причине.

Опробование этой смеси на ряде других предприятий - в т.ч. на ХТЗ, КЛЗ, ЮЖМАШе, – выявили следующие препятствия для её внедрения:

– слеживание смеси в многотонных бункерах пескодоувного и пескострельного оборудования;

–  частое пересыхание смеси в соплах, особенно при небольших остановках оборудования.

Для устранения этого недостатка была разработана конструкция охлаждающих сопел, заключающаяся в наличии в нем микропористой части, достаточной для увлажнения смесей в процессе работы, в т.ч. при остановке работы. Но к сожалению довести его до опытного образца не удалось из-за нескольких причин, в т.ч. финансовых.

Вопрос устранения слёживаемости смеси в бункерах требовал как технологического решения, так и вопроса модернизации оборудования. Поэтому в сложной экономической ситуации эти вопросы не были решены. К тому же АХФС не выдержала конкуренции с составами из ХТС на смоляных связующих из-за резкой разницы во времени охлаждения смеси во время цикла. Поэтому для внедрения смеси на фосфатных связующих в массовом производстве нужно доработать связующее с учетом вышеизложенного и оценить возможность и целесообразность модернизации оборудования.

О работах ЧП (НПФ-СБК) по фосфатным связующим.

В начале 2000-х годов появилось сообщение, в т.ч. и в журнале «Литье Украины», о разработке ЧП НПФ-СБК пяти фосфатных связующих – алюмофосфатного (АФС), алюмохромфосфатного (АХФС) и алюмобромфосфатного (АБФС), фосфата магния и алюмомагниофосфатного (письмо ЧП НПФ-СБК №168 от 11.04.07).

Особый интерес представляет состав ХТС на основе алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) в качестве связующего (ТУ У 246-202-579-34-620-2617) и форстеритового концентрата в качестве отвердителя (ТУ 41-7-167-99).

К сожалению, за время существования УкрНИИЛитмаш до 30.09.2012 г. получить связующее и какую-либо информацию о месте и результатах внедрения этой разработки не удалось.

Рекомендации по использованию фосфатных связующих

На современном уровне развития технологии применения фосфатных связующих рекомендуется использовать их при изготовлении сложных, требующих особого контроля отливок в индивидуальном и мелкосерийном производстве. Из имеющихся в серийном изготовлении связующих рекомендуется использовать алюмофосфатные с добавками борной кислоты или АБФС как не уступающие по своим свойствам АХФС. 

Литература:

1. Кузнецов Н. Т., Чудинова Н. Н., Розанов И. А. Анализ и синтез, гармония и контрапункт: К 100-летию со дня рождения академика И. В. Тананаева // Вестник Российской академии наук. – 2004. – Т. 74, № 5. – С. 460–466.
2. Сычев М. М. Неорганические клеи. 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1986. – 152 с.
3. Копейкин В.А., Петрова А.П., Рашкован И.Л. Материалы на основе металлофосфатов.–М.: Химия, 1976.–200 с.
4. Илларионов И. Е., Петрова Н. В., Решетников А. В., Стрельников И. А., Моляков А. А. Применение металлофосфатных связующих и смесей в литейном производстве // Научный журнал «Литье и металлургия»№ 3, 2013г. с. 54–57.
5. Клемчук Л.В. Разработка и внедрение технологического процесса изготовления форм по выплавляемым моделям из суспензии на алюмохромофосфатномсвязующем. Дис. ... канд. техн. наук.–М., 1986.–156 с.
6. SOUZ-LITYO. Информационный ресурс по литейному производству https://lityo.com.ua/
7. Белобров Е. А., Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров Е. Л. КНПП «Формовочные материалы Украины» г. Краматорск. 

Авторы – к.т.н. В. С. Конотопов, к.т.н. В. М. Утешев, к.т.н. М.И. Малиняк, к.т.н. Л. В. Клемчук.