О вязкости, усадке и укрывистости противопригарных красок

В наших публикациях [1-6] мы ранее рассмотрели ряд важных факторов, существенно влияющих на эффективность применения противопригарных красок (далее ПК) при производстве отливок из различных сплавов.

Значительная часть этих факторов связана с физико-механическими свойствами ПК, заложенными, в частности, в ГОСТ 10772, большинство которых – чисто механического характера. Однако эти свойства лишь частично характеризуют ПК.

Известно, что большинство ПК, как водных, так и быстросохнущих (чаще всего спиртовых) состоят из трех основных компонентов – огнеупорного наполнителя (далее ОН), связующего (далее С) и дисперсионной среды (далее ДС), являющейся, в свою очередь, носителем первых двух компонентов. В водных ПК роль дисперсионной среды выполняет вода, в быстросохнущих - органические растворители (спирты, бензин, уайт - спирит и др.).

Главным среди компонентов является ОН, обеспечивающий противопригарную эффективность ПК. В качестве ОН используются: для стального литья – пылевидный кварц (маршаллит), цирконовый концентрат (далее КЦП), дистенсиллиманитовый концентрат (далее КДСП), шамот, корунд, хромит, магнезит, хромомагнезит; для чугунного литья –графит, кокс, каменный уголь, тальк, дистенсиллиманит, циркон; для цветного литья (алюминиевые сплавы) – корунд, для медных сплавов - углеродосодержащие ОН. Возможны и иные варианты и сочетания ОН.

Вспомогательными компонентами ПК являются так называемые технологические добавки (далее ТД), играющие очень важную роль в составе ПК и обеспечивающих наибольшую эффективность ПК в целом.

В качестве ТД выступают порошковые глины, каолин и бентонит, в частности, загустители (для водных ПК – ПВАЭ, для спиртовых – органические коллоидообразующие материалы), кремний органические соединения, различные высокотермостойкие смолы, соединения на основе жирных кислот и др.

Главные функции ТД таковы:

-        повышение седиментационной устойчивости ПК, которая обеспечивает однородность ПК во всем объеме во время окрашивания стержней и форм в течение технологически и организационно приемлемого промежутка времени;

-        регулирование вязкости ПК. Вязкость ПК играет очень важную роль в обеспечении образования красочного слоя равномерной толщины, особенно при окрашивании стержней окунанием и форм обливом. На повышение вязкости ПК непосредственное влияние оказывает тонина помола ОН;

-        обеспечение гладкости красочного слоя при любом способе окрашивания;

-        обеспечение проникающей способности ПК, благодаря которой красочный слой более прочно сцепляется с подложкой  (верхний слой окрашиваемого стержня или формы), не смывается потоком металла и прочно удерживается на подложке вплоть до подхода металла к верхним окрашенным поверхностям, их «подпирания» и полного прекращения движения расплавленного металла в заливаемой форме, после чего можно не опасаться дефектов отливок от обгара верхних частей форм (засоры, песочные раковины, включения обрушившейся ПК и др.).

ПК в готовом для использования виде состоит из смеси эмульсии и суспензии. Отдельно взятая механическая смесь С и ДС – эмульсия. Механическая смесь эмульсии и суспензии – по большому счету суспензия.

Цель настоящей публикации – увязать между собой плотность и вязкость ПК и выявить влияние этих параметров на усадку и укрывистость ПК.

Плотность ПК измеряли весовым способом в мерном цилиндре емкостью 250 мм³. Использование ариометров для измерения плотности ПК, как правило, дает завышенные данные, обусловленные вязким характером ПК.

Вязкость ПК измеряли вискозиметром ВЗ-246 при 20⁰С.

Усадку ПК измеряли следующим образом. Готовую к употреблению ПК обливом наносили на стеклянную пластину размерами 2х100х150 мм. Толщину мокрого красочного слоя (далее КС) измеряли при помощи калиброванного шаблона великобританский фирмы  FOSECO (wetfilmthicknessgauge) с пределами толщины КС от 25 до 2000 микрон. КС высушивали при 50-70⁰С в лабораторном сушиле.

Толщину высушенного КС определяли штангенциркулем по разнице толщин стеклянной пластины без КС и с КС.

В литературе по литейному производству нет установившегося определения укрывистости ПК.

Применительно к настоящей публикации под укрывистостью мы понимаем следующее:

-        равномерность толщины КС, нанесенного на гладкую поверхность стержня или формы;

-        отсутствие шероховатости КС, сквозь который не должны быть видны отдельные песчинки подложки. Видимость отдельных песчинок на окрашенной поверхности означает, что красочный слой на якобы  окрашенной поверхности практически отсутствует;

-        отсутствие выступов и наплывав на поверхности КС, следов кисти, если она используется как инструмент при окрашивании.

Все эти характеристики ПК определяются визуально.

Равномерность толщины КС может определяться и при помощи штангенциркуля на предварительно высушенном прочном образце O50х50 из формовочной смеси.

При одноразовом окрашивании окунанием (краска ДП2М2А для ЛГМ) толщина высушенного красочного слоя составила 0,5 мм. Эксперимент проведен на полистироловой модели шкива с наружным диаметром 200 мм, ширина (толщина) неокрашенного шкива составила 40 мм, окрашенного и высушенного – 41 мм.

При двойном окрашивании того же шкива толщина КС составила 0,68 мм, а при тройном окрашивании – 0,73 мм.

Незначительное увеличение толщины КС при втором и третьем окрашиваниях объясняется следующим:

- при первом окрашивании контактирующий с полистироловой моделью (ПМ) КС быстро теряет часть своей влаги, которая впитывается пористой ПМ. Быстрый отвод части влаги интенсивно повышает вязкость прилегающего к ПМ КС, в связи с чем он утолщается;

- при нанесении ПК на ПМ после первого и второго окрашиваний этот фактор отсутствует. Жидкий КС контактирует не с пористой ПМ, а с уже формировавшимся и затвердевшим КС, поэтому совокупная толщина всех слоев КС увеличивается незначительно.

Наиболее распространенным в технологии ЛГМ является одноразовое окрашивание ПМ. Однако в некоторых случаях возможно двойное и тройное окрашивание, если есть проблемы с чистотой литой поверхности (имеется в виду пригар). Главным условием многократного окрашивания ПМ является хорошая возможность удаления продуктов ее термодеструкции, в противном случае  отливка может поражаться газовыми раковинами.

Условная вязкость (далее просто вязкость)  и плотность ПК между собой тесно взаимосвязаны. Типичная зависимость этих двух характеристик приведена на рис. 1 для водной ПК ДП2М2А. Огнеупорная основа этой ПК на 70% состоит из КЦП и на 20% - из КДСП.

Вязкость ПК через ее плотность регулируется в зависимости от способа окрашивания: при окрашивании обливом, окунанием и пульверизацией плотность ПК надо снижать, при окрашивании кистью – повышать против ее среднего значения 1,45г/см³. Снижение плотности ПК достигается разбавлением её водой (для водной ПК) или соответствующим растворителем (для быстросохнущей ПК). Повышение плотности ПК достигается добавлением ОН. В условиях реального производства чаще всего приходится снижать плотность ПК, необходимость же повышения плотности ПК возникает редко.

Рисунок 1. Зависимость условной вязкости краски от ее плотности

Анализ рис. 1 позволяет констатировать следующее:

- крайние значения плотности встречаются редко или вовсе не встречаются. На этом рисунке они взяты для более полного выявления закономерности;

- реальные значения вязкости в пределах 18 – 25 с наиболее часто характеризуют ПК при ее плотности 1,4 – 1,5 г/см³;

- зависимость вязкости от плотности  имеет плавный, классический характер, что свидетельствует об устойчивости этой зависимости и ее объективности.

Рисунок 2. Зависимость толщины красочного слоя от плотности краски

На рис. 2 представлена зависимость толщин мокрого и сухого слоев ПК от ее плотности. При плотности ПК 1,6 г/см³ толщина сухого слоя составляет примерно 87 % от толщины мокрого слоя. При плотности 1,5г/см³ эта цифра составляет 77%, при плотности 1,45г/см³ – 76%, при плотности 1,3 г/см³ – 73%.

Таким образом, с понижением плотности краски ее относительная толщина (против толщины мокрого слоя) снижается. Это объясняется уменьшением содержания ОН, так как КС после затвердевания состоит в основном из него. Сухой КС формируется после потери части влаги мокрым слоем и перехода из полужидкого (текучего) в вязкое (малотекучее) состояние.

Представленные на рис. 1, 2 зависимости характерны также для ьяжелых водных ПК типа Х1 (хромитовая), ХМ (хромомагнехитовая), М1 (магнезитовая), ППКор-1 (корундовая), ЦП-1 и ЦС-1 (цирконовые).

Чем более плотная и вязкая ПК, тем хуже может быть внешний вид КС, под которым мы понимаем термины «укрывистость».

При этом нерегулируемо увеличивается толщина КС, в связи с чем бесполезно растет расход ПК.

Вместе с тем слишком низкая вязкость не позволяет получить КС требуемой толщины  (0,2 – 0,4 мм для ПМ по технологии ЛГМ; 0,6 – 1,0 мм для песчаных форм и стержней), что неизбежно влечет за собой насыщение окрашиваемой поверхности влагой и, как результат, пригар.

В ГОСТ 10772 на водные ПК содержится показатель «Внешний вид нанесенного, высушенного и охлажденного слоя». Требование ПК по этому показателю констатируется следующим образом: «Ровный слой без включений и трещин». Этой констатации недостаточно для оценки качества КС.

По нашему мнению, этот показатель надо заменить термином «Укрывистость красочного слоя», а требования к нему сформулировать следующим образом: «Отсутствие шероховатости красочного слоя, сквозь который не должны быть видны отдельные песчинки формы; равномерность толщины красочного слоя, нанесенного на гладкую поверхность формы; отсутствие выступов, наплывов и трещин на поверхности красочного слоя, следов инструмента для окрашивания».

Вязкость водных ПК, особенно тяжелых, и соответственно зависящая от нее седиментационная устойчивость эффективно регулируется добавлением 0,6 – 0,8% ПВАЭ от массы ПК. Это делается в процессе приготовления ПК.

На укрывистость ПК негативно влияет скорость потери красочным слоем растворителя: для водных ПК – это вода, для быстросохнущих – органический растворитель. Более длительному удержанию растворителя в КС и соответственно лучшей укрывистости способствует присутствие коллоидного компонента, а также степень тиксотропности красочной системы в целом.

Эксперименты по выдержке ПМ в погруженном состоянии не показали устойчивой зависимости толщины КС от продолжительности контакта ПМ с ПК. Поэтому этот фактор технологии ЛГМ можно не принимать во внимание.

Совсем по-иному ведут себя быстросохнущие ПК.

Во-первых, замер их мокрого КС практически невозможен из-за очень быстрого испарения растворителя и перехода красочной массы в вязко-пластическое состояние, поэтому, красочная масса в местах контакта зубцов калиброванного шаблона с КС не выдавливается из под них и показания по толщине КС оказываются недостоверными.

Во-вторых, даже в редком случае удачного замера толщины КС быстросохнущей ПК разница толщин мокрого и сухого слоев ничтожно мала. Так, при плотности быстросохнущей ПК марки БПДС (дистенсиллиманитовой) 1,25 г/см³ толщина мокрого слоя составила 0,112, а сухого – 0,1 мм.

При плотности БПДС 1,4 г/см³ толщины мокрого и сухого слоев оказались одинаковыми – 0,25 мм.

Применительно к технологии ЛГМ существует очень устойчивый дефект окрашивания ПМ противопригарной краской. Он заключается в сползании КС с окрашенной поверхности ПМ, которую в таком виде невозможно использовать. Иногда причиной этого явления является пониженная плотность ПК. С повышением плотности ПК этот дефект устраняется. Однако таким способом не всегда удается предупреждать сползание ПК с ПМ.

Другой возможной причиной сползания ПК является отсутствие адгезии ПК к ПМ, плохая смачиваемость ПМ противопригарной краской. Это зависит от свойств полистирола.

Имеется определенный опыт использования микродобавок ПАВ для устранения сползания ПК с ПМ. Так, добавление 15-20 г моющего средства Fairy к 50 кг ПК ДП2М1, ДП2М2, ДП2М2А мгновенно восстанавливает адгезию ПК к ПМ.

Здесь, по нашему мнению, очень важную роль играет ОН, присутствие в котором зерен остроугольного характера должно способствовать «зависанию» КС на ПМ. Эти остроугольные зерна играют роль своего рода «крючков», «микроякорей», которые своими острыми выступами цепляются за ПМ и прочно удерживаются на ней.

Немаловажную роль играет водородный показатель (рН) ПК. Бывают случаи, когда сползание прекращается при незначительном добавлении в ПК компонента кислого характера. Однако какой-либо устойчивой закономерности на сей счет нам установить пока не удалось

Вышеизложенные соображения носят гипотетический характер. В целом этот вопрос может и должен стать предметом скурпулезного исследования.

Как по отношению к водным, так и особенно по отношению к быстросохнущим ПК главным и наиболее результативным условием является стабильность технологии, включающая в себя качество исходных материалов, технологию приготовления ПК и оборудование для ее осуществления, технологию окрашивания, постоянство температуры производственного помещения, навыки рабочего персонала. Тогда нужда в каких-то других мерах по поддержанию стабильности технологии не будет возникать.

Важнейшим элементом стабильности технологии использования ПК для окрашивания форм и стержней является ее постоянное перемешивание в лопастной краскомешалке.

Ручное размешивание ПК в подручной емкости ни в коем случае недопустимо, так как при этом резко ухудшаются реологические характеристики красочной массы.

Литература