О термостойкости противопригарных красок

В мировой литературе описано много методов определения термостойкости противопригарных красок. Большая их часть основана на определении коксового числа связующих красок. Но эти методики не дают ответа на вопрос о конкретном поведении красочного слоя при определенных температурах.

В основе методики  [1, 2]  - термография с дифференциальным  термическим анализом

Эта методика, с одной стороны, фиксирует изменения массы вещества, подвергаемого тепловому воздействию, с другой, иллюстрирует тепловые превращения, сопровождающие потерю массы.  По этой методике полное выгорание связующего, например, фенолформальдегидной смолы ОФ-1, заканчивается при 630⁰С, но это не означает, что связанная этой смолой  минеральная масса самопроизвольно распадается.

По другой методике [3], термостойкость определяется как время, в течение которого смесь способна не разрушаться при заданной нагрузке и температуре.

Наиболее стойкими являются связующие с циклическими кольцами (фурановым и бензольным).

По методике  [2] из сравнительного анализа процессов,  происходящих при нагреве, видно что органические связующие при сравнительно высоких температурах, склонны к обильному газовыделению во всем интервале температур и, в конечном итоге, превращаются в непрочный, рыхлый скоксовавшийся осадок,  в неорганических и кремнийорганических связующих процессы газовыделения заканчиваются в основном при нагреве до 300⁰С, а связующие после их тепловой обработки имеют жесткую структуру. Противопригарная краска, в частности, на ПВБ и ПВА, практически полностью разупрочняется и осыпается при прикосновении. При 300⁰С  происходит полное разупрочнения ПВБ.

Существенное повышение термостойкости красок достигается при сочетании ПВБ со спирторастворимой смолой ОФ-1 и триполифосфатом натрия [4].  Определенное влияние на прочность сцепления противопригарной краски с поверхностями форм и стержней  оказывает поверхностная прочность смесей при высоких температурах. Один из путей повышения поверхностной прочности – обработка поверхности водо- и спирторастворимыми связующими.

Согласно [5] образовавшийся  после термодеструкции коксик  играет определенную положительную роль в предупреждении полного разупрочнения неорганического сыпучего наполнителя. Полное разупрочнение наступает лишь после полного окисления коксика. Термостойкость прямо увязывается с коксовым числом связующего и определяется как время, в течение которого смесь способна выдерживать определенную нагрузку при заданной температуре нагрева.

Концепция термостойкости автора [6] полностью базируется на коксовании органического связующего.

Термостойкость органического связующего непосредственно влияет на эрозионную стойкость краски [7]. Наименьшей эрозионной стойкостью обладает краска на основе ПВБ как связующего.

Концепция Н. И. Шадрина также  полностью основана на коксовании связующего [8].

Согласно [9] термостойкость  карбамидо-фурановых связующих, определенная термогравиметрическим способом, растет по мере увеличения в них фурилевого спирта.

Определенное положительное влияние на термостойкость связующего оказывает кремнийорганический материал этилсиликат  [10].

Автор [11] определяет термостойкость   как способность огнеупорных и других хрупких материалов противостоять, не разрушаясь, термическим напряжениям, обусловленным изменением температуры при нагреве или охлаждении. Термостойкость обычно оценивают числом циклов нагревания и охлаждения, выдерживаемых образцом или изделием до появления трещин или разрушения.

Применительно к противопригарным краскам (далее ПК) такая концепция термостойкости неприемлема по следующим причинам:

• ПК при заливке окрашенной формы или стержней, установленных в нее, претерпевает лишь один цикл нагрева;
• нагрев красочного слоя (далее КС) ПК состоит из двух этапов: первый этап – нагрев во время заливки металла  в форму, когда жидкий металл еще не вошел в прикосновение с металлом. Это самый тяжелый и ответственный этап. Уже идет нагрев ПК, а ее слой еще не подперт металлом; второй этап – когда металл залит, его движение прекратилось, а слой ПК прочно зафиксирован между подкорковым слоем формы, на который нанесена ПК, и металлом.  Дальнейшие процессы на границе металл-форма определяются составом ПК, подкоркового слоя и более глубоко расположенных слоев формы, с одной стороны, и качеством металла и его  температуры, с другой стороны;
• слой ПК на первом этапе подвергается интенсивному  обгару с возможным его разрушением  ввиду  скоротечного выгорания органического связующего. Выгорание связующего не имеет места, когда оно неорганическое, а минеральное, например жидкое стекло, амонохромфосфатная связка, алюмоборфосфатная связка и др;
•  при заливке металла в форму имеет место механическое трение движущегося жидкого металла об неподвижную форму, вследствие чего весь слой ПК или его часть смываются струей металла, обнажая подкорковый слой с неизбежным в этом случае металлизированным пригаром.

Вышеизложенное дает основание избрать иную методику оценки термостойкости ПК, которая заключается в следующем.

Краской окрашиваются цилиндрические образцы O50х50, изготовленные из фурановой ХТС или из другой смеси на связующей основе олифы, крепителей 4ГУ-П, КО и других с их сушкой при 230-240⁰С в течение 1 часа.

Образцы окрашивали кистью. Окрашенные образцы высушивали на воздухе при 20⁰С в течение 1 часа, затем   помещали их в нагретый до 650 и 900С муфель и выдерживали в нем 45 с, вынимали из муфеля, охлаждали до комнатной температуры и экспертно оценивали состояние красочного слоя.

Оценке подвергался цвет и механическое состояние слоя ПК.

Мы даем себе отчет, что в полости формы во время заливки металла может быть и более высокая температура, при которой слой ПК обгорает более интенсивно,но поставить эксперименты при более высоких температурах методически затруднительно. Тем не менее, нося сравнительный характер, вышеописанная методика позволяет получить представление о большей или меньшей склонности  ПК к обгару и разрушению  во время заливки металла в форму.

Все зависит от массы заливаемого металла и времени его заливки. Например, длительность заливки формы в составе двух боковых рам грузового железнодорожного вагона составляет 25-40 с. Жидкий металл поступает в каждую форму через 2 питателя. Масса одной отливки составляет   420  кг. Время выдержки образцов в нагретом муфеле 45 с примерно соответствует отливке массой 1,0 т (в данном случае две отливки массой по 420 кг в одной форме).

По вышеприведенной методике экспериментально была оценена термостойкость 13 ПК. Результаты экспериментов приведены в табл. 1, 2.  Образцы во всех экспериментах окрашивали кистью.

Анализ приведенных в табл. 1, 2 данных позволяет констатировать следующее:

• в целом прочность окрашенной поверхности тем выше, чем прочнее после обжига исходный образец, прочность которого, в свою очередь, зависит от его связующего. Образец из ХТС, в котором очень низкое содержание фурановой смолы(около 1% от массы песка), значительно быстрее обгорает и разрушается даже при легком прикосновении;
• импортные краски показали более высокую термостойкость, чем краски серии БПЦ;
• происхождение цирконового огнеупорного наполнителя существенно не влияет на термостойкость ПК;
• при окрашивании кистью КС более прочно держится на образце. Это объясняется более прочным сцеплением ПК с подкрасочным слоем (далее ПС) благодаря приложению усилия к кисти и проникновению ПК на большую глубину. При окрашивании окунанием такое усилие отсутствует. Здесь уместны две схемы нанесения ПК на образец [12]: при окрашивании окунанием – по схеме а), при окрашивании кистью – по схеме б). Существенное повышение прочности обгорающей ПК и ее термостойкости достигается при введении в состав ПК термостойкой смолы  в количестве 2-3%. Наилучшие результаты, в том числе по реологическим свойствам, получаются при сочетании  2 % ПВБ и 2 % термостойкой смолы:
• в результате обжига окрашенных образцов при более высоких температурах КС в большей мере подвержен разрушению;
• ПК, связующим которых является ПВБ-лак, гораздо менее термостойки, чем в случае сочетания ПВБ- лака с термостойкой смолой. Как уже было отмечено выше, ПВБ быстро разупрочняется еще до подхода металла к окрашенной поверхности. Движущийся металл полностью смывает разупрочненный красочный слой, в результате образуется пригар.

Спиртовые краски на основе термостойкой смолы, нанесенные, как на отвержденные формы и стержни, так и на сырые формы можно отверждать поджиганием сразу после их окрашивания. Окрашивание сырой формы с ее последующим поджиганием очень хорошо упрочняет поверхность  формы и может способствовать уменьшению брака по засорам и ужиминам.

Не следует пытаться упрочнять красочный слой поджиганием, если в ПК присутствует ПВБ. ПК в этом случае вспучивается. На окрашенной поверхности появляется множество пузырей, которые разрушаются при легком прикосновении.

Совсем по другому ведут себя ПК на минеральных связующих: жидкое стекло, алюмохромфосфатная связка. алюмоборфосфатная связка. КС не разупрочняется и не разрушается. Он прочно удерживается на поверхности формы стержня. КС становится уязвимым лишь при термодеструкции подкрасочного слоя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Г. М. Михайлов, Т. Ф. Лаврентьева, Ю. Н. Сазанов. Термический анализ связующих и смесей на их основе. «Литейное производство», 1982, № 3.
2. А. Ф. Мащенко Повышение термостойкости противопригарных покрытий. «Литейное производство», 1984, № 6.
3. С. С. Жуковский. Холоднотвердеющие смеси. «Литейное производство», 1980, № 3.
4. С. П. Дорошенко, В. Н. Дробезко, А. И. Шейко. Повышение термостойкости самовысыхающих противопригарных покрытий. «Литейное производство», 1989, № 5.
5. С. С. Жуковский. Исследование смесей с синтетическими смолами холодного отвердения. «Литейное производство», 1976, № 45.
6. Д. М. Колотило. Газотворность и коксообразование органических компонентов формы при заливке.  «Литейное производство», 1976, № 3.
7. О. М. Жудро, И. В. Валисовский, А. М. Лясс. Эрозионная стойкость противопригарных красок.  «Литейное производство», 1974, № 11.
8. Н. И. Шадрин. Термостойкость и область применения синтетических смол для ХТС. «Литейное производство», 1979, № 10.
9. В. Ф. Череватюк, А. А. Наконечная, Н. И. Гайворонская, С. М. Чумаченко, Л. И. Сорокина. Исследование термостойкости модифицированных карбамидных связующих методом термографии. «Литейное производство», 1975, № 3.
10. И. Н. Примак, Г. Ф. Великанов, А. А. Бречко, И. В. Валисовский. Термопрочные смоляные смеси. «Литейное производство», 1983, № 12.
11. В. Н. Иванов. Словарь–справочник по литейному производству. МАШИНОСТРОЕНИЕ, М., 1990, с. 295.
12.  Е. А. Белобров, о. Л. Карпенкова. О способах окрашивания противопригарными красками стержней и форм. «Литейное производство», 2013, № 2 с. 27.

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №10 (158) 2013 г.