Влияние показателя pH на свойства этилсиликатных суспензий и качество форм для литья по выплавляемым моделям. Необходимость и способы его контроля

Конотопов В. С., к.т.н.,
Утешев В. М., к.т.н.,
Лихолет М. А., инженер-технолог,
Калкаманова О. С., к.х.н.
ГУ НИОХИМ, Харьков, Украина

Общим явлением в литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) в различных условиях его производства являются часто возникающие проблемы образования трещин при сушке облицовочных этилсиликатных слоев форм, определяющим во многом качество форм и отливок, а также резкое снижение прочности форм при отсутствии явных нарушений технологии.

Особенно часто эти явления проявляются при бесконтрольном переходе на новые партии материалов, используемых для приготовления гидролизованных растворов этилсиликата (ГРЭТС) и суспензии. Естественно предположить, что эти явления связаны с одним из факторов, непосредственно влияющих на приготовление и свойства суспензий.

В настоящее время известны и широко применяются различные варианты и материалы для приготовления этилсиликатных суспензий [1,2,3,4,5], но общим для них является проведение раздельного или совмещенного гидролиза этилсиликата и применение соляной кислоты в этом процессе.

В отличии от других факторов вопрос влияния соляной кислоты на свойства суспензий и форм в целом практически не изучен.

По мнению авторов данной статьи, количество соляной кислоты в суспензиях, которое характеризуется показателем pH, и является тем фактором, который оказывает определяющее влияние на свойства суспензий и качество форм в целом.

В монографии [3] оговаривается, что pH в суспензии должен быть в пределах 1,5 – 2,0 ед., но обоснования этих пределов нет, как нет практических рекомендаций по методам и способам контроля этого показателя при приготовлении и использовании суспензии непосредственно на производстве.

Стационарные pH-метры, имеющиеся в химических лабораториях, позволяют точно определить pH в гидролизованных растворах этилсиликата любого типа и в суспензиях, но во-первых, такие лаборатории имеются далеко не во всех цехах и участках ЛВМ, и даже не во всех предприятиях, а, во–вторых, даже при их наличии, трудно обеспечивать оперативное управление процессами гидролиза этилсиликата и приготовления суспензий.

В свое время ХФВНИИлитмаш (позднее УкрНИИлитмаш) рекомендовал и использовал для этой цели универсальную индикаторную бумагу, но результаты такого контроля зависят от качества бумаги и способности контролирующего правильно оценить результат реакции бумаги на кислоту, содержащуюся в ГРЭТС и суспензиях.

Несмотря на примитивность этого способа, следует отметить его пригодность для качественной оценки количества кислоты в суспензиях по принципу «мало-нормально-много» и сравнить это влияние с показателями pH.

Такая качественная оценка, основанная на многолетней практике авторов, показывает следующее.

При малом количестве кислоты в суспензии (pH>2,5) наполняемость ее пылевидной составляющей до требуемой вязкости меньше оптимальной.

Покрытия после сушки легко истираются пальцами рук, в результате чего прочность форм недостаточна для выполнения последующих операций, а также не обеспечивается хорошая поверхность отливок.

При увеличении кислоты в суспензии (pH<2,0) количество пылевидного материала, вводимого в суспензию до требуемой вязкости, возрастает, покрытия получаются твердыми и прочными, но при избытке кислоты (pH<1,5) при их сушке весьма часто возникают трещины и отслоения от моделей.

В производственных условиях часто стараются эти дефекты залечить следующими покрытиями, но это отражается на качестве отливок. Полученные в таких условиях формы часто имеют трещины после заливки металлом, что показывает снижение их термостойкости.

Следует также отметить, что при высоком содержании кислоты резко снижается седиментационная устойчивость суспензий; осадок, образовавшийся после ее отстоя плотный, трудно размешиваемый, резко снижается также живучесть как ГРЭТС, так и самой суспензии.

Достоверность этой картины легко проверить следующим опытом.

Взять три емкости из полиэтилена или модели с развитыми плоскостями (объемом 0,7 л), нанести на них покрытие из суспензий с pH=2,5, pH=2,0 и pH<1,5. После сушки покрытие в первом варианте будет непрочным, на втором – прочной, а на третьем – все в трещинах.

По нашему мнению, образование трещин при избытке кислоты в суспензиях объясняется следующим образом.

Во-первых, при увеличении кислоты в суспензии увеличивается ее полярность, а следовательно снижается ее смачиваемость моделей, изготавливаемых из материалов неполярных или с небольшой полярностью, в результате чего адгезия суспензии, а следовательно и высыхающего слоя, уменьшается.

Во-вторых, при усадке высыхающего слоя, которая происходит во всем объеме, он из-за низкой адгезии отслаивается от поверхности моделей. При дальнейшей усадке отслоившегося слоя в нем образуются трещины.

Выше изложенные сведения обуславливают необходимость точного контроля pH как в ГРЭТС, так и в суспензиях.

Необходимость такого контроля резко обострилась на предприятии     ДП ПФ «БМР – Сервис» (г. Харьков) в связи с появлением в номенклатуре отливок из высоколегированных сталей и применением в суспензии концентрата цирконового КЦП-45 для устранения пригара на отливках.

Для решения этой проблемы возможно использовать современные ручные рН метры для измерения pH в различных средах. Мы использовали прибор pH 6011А.

Он имеет диапазон измерения от 0 до 14 с точностью ± 0,01, питается от 3-х литиевых батареек. Размеры прибора 33,5×170 мм. Вес составляет 85 г без батареек. Подробная информация о приборе имеется в интернете.

Время замера pH в ГРЭТС и суспензиях находится в пределах 2–3 мин. Замеры pH можно производить непосредственно на производственном участке.

Технология определения оптимальной рецептуры суспензии по рН:

1. Проверяется pH всех поступивших исходных материалов: этилсиликата и спиртосодержащего растворителя. Так pH в различных партиях этилсиликата находиться в пределах 5,6 – 6,5 ед. В спиртосодержащем растворителе марки КМПА, используемом для гидролиза в пределах 2,5 – 5,6 ед.
2. По плотности определяется ориентировочное содержание HCl в водном растворе соляной кислоты, которое находиться в пределах 13%.
3. Определяется pH водной вытяжки, пылевидной фракции.

Затем проводиться гидролиз этилсиликата по принятой рецептуре, проверяется его pH и приготавливается суспензия с требуемой вязкостью.
Величина pH ГРЭТС поддерживается на уровне 1,2 – 1,7 ед., а в суспензии 1,5 – 2,0 ед. По результатам проверки pH суспензии, ее рецептура (по количеству кислоты) корректируется так, чтобы pH суспензии находился в пределах 1,5 – 2,0 ед.

Такой контроль осуществляется при переходе на новые партии исходных материалов и позволяет стабилизировать качество суспензий и форм для ЛВМ.

В заключении следует отметить, что авторы не имеют возможности провести научно-исследовательскую работу по детальному изучению влияния кислоты на свойства суспензий и форм ЛВМ, но надеются, что это статья будет полезна технологам в практической работе и исследователям процессов ЛВМ.

Литература:

1. Литье по выплавляемым моделям. Инж. Монография под ред. Я. И. Шкленника, В.А. Озерова. Изд. 2-е, Москва, 1971 г. Изд. «Машиностроение».
2. Литье по выплавляемым моделям. Инж. Монография под ред. Я. И. Шкленника, В.А. Озерова. Изд. 3-е, Москва, 1984 г. Изд. «Машиностроение».
3. Литье по выплавляемым моделям. Инж. Монография под ред. Я. И. Шкленника, В.А. Озерова. Изд. 4-е, Москва, 1994 г. Изд. «Машиностроение».
4. Репях С.И. Технологические основы литья по выплавляемым моделям. «Лира ЛТД», Днепропетровск, 2008г.
5. Дожкарж И. и др. Производство точных отливок, перевод с чешского, М. Машиностроение, 1979 г.

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №7 (215) 2018 г.