Вспомним забытые технологии: Еще раз о кокильных противопригарных покрытиях

В нашей предыдущей публикации мы достаточно подробно изложили важнейшие вопросы касательно применения противопригарных красок при производстве отливок в кокиль.

По соображениям объема публикации и степени важности рассматривавшихся в ней вопросов мы часть информации отложили, имея в виду вернуться к ней позже [1].

Настоящая публикация как раз и является исполнением нашего вышеупомянутого соображения.

При упоминании кокильного литья на ум приходит прежде всего мысль о том, что в кокиль отливаются преимущественно мелкие отливки. Крупное кокильное литье – сравнительная редкость. В этом отношении примечателен опыт Пензенского компрессорного завода, где в кокиль отливаются многие детали компрессоров – поршни, крышки, цилиндры, башмаки из чугуна СЧ18-36 и СЧ 21-40 твердостью по НВ 170-229. Часть этих деталей испытывают под давлением 4-12 атм. [2].

Диаметры отливаемых в кокиле поршней составляют 570 и даже 1170 мм.

Подогретый до 60°С кокиль покрывают слоем краски, состоящей из 100 г огнеупорной глины, 100 г черного графита, 100 г жидкого стекла, 0,32 г KMnO4 и 100 г воды. После высыхания первого слоя на него наносят еще один или 2 слоя краски ГБ и после подсушки с помощью крана устанавливают стержень, образующий закрытую полость поршня.

Литниковую чашу перед установкой на кокиль футеруют шамотной массой и сушат. Питатели в чаше выполняют по шаблону так, чтобы металл при заливке падал по центру тела будущей отливки. Кокиль перед заливкой подогревают до 150°С.

В составе номенклатуры кокильного литья есть отливки массой от 200 до 1700 кг.

Во избежание отбела чугун для крупных отливок модифицируют 0,6% дробленого кремния Si75 на желобе вагранки.

В зоне падения металла в кокиль использовали теплоизоляционную набивку в зоне падения металла из питателей. Набивку подсушивали. В нижней (донной) части кокиля для выхода газов насверливали 10-12-миллимитровые отверстия с шагом 80-150 мм.

Использование модифицирования кремнием чугуна полностью решило проблему получения требуемых (без отбела) свойств отливок во всех сечениях.

Таким образом, для получения крупных чугунных кокильных отливок с требуемыми механическими свойствами необходимо модифицировать чугун. При этом большое значение имеет правильный выбор состава чугуна и обеспечить технологичность конструкции литой детали.

Вполне определенный интерес предоставляет технология отливки в кокиль крыльчаток с применением керамических стержней [3]. Стержни и их окрашивание изготавливаются по технологии ЛВМ, однако о покрытии кокиля в этой публикации нет информации.

Обычным материалом для кокильного литья является серый чугун и редко изготавливаются в кокиль отливки из медных сплавов.

При литье медных сплавов в кокиль применяют машинное масло, олифу, различные графитоколлоидные смазки. При сгорании смазки газовая рубашка отделяет поверхность кокиля от отливки, но часто способствует образованию раковин, в связи с чем в брак идет 5-25% отливок.

На одном машиностроительном заводе при литье бронз ОЦС6-6-3, ОФ10-1, АМц9-2, АЖ9-4 опробовали консистентную смазку ЦИАТИМ-201, обычно применяемую для приборов и механизмов, работающих с малым усилием сдвига при повышенных или низких температурах. По ГОСТ 6267-59 смазка ЦИАТИМ-201 содержит по весу 11±2% технического стеарина. Моногидрат окиси лития LiOH∙H2O (ГОСТ 8595-57) вводится по расчету до полного омыления, 0,3±0,01% дифениламина C12H11N (ГОСТ 5825-51) и остальное – приборное масло по ГОСТ 1805-51. При 1000°С стеарин и приборное масло воспламеняются, так же образуя газы, но моногидрат окиси лития при 600°С разлагается, освобождая литий, который и поглощает их, образуя плены на поверхности отливок без раковин, пор и микродефектов. Свойства лития-дегазатора подтверждает спектральный анализ плены, в которой обнаружен литий [4].

Консистентную смазку ЦИАТИМ-201 наносят на кокиль ершиком слоем в 0,3-0,8 мм. Ее опробовали при литье оловянистых и безоловянистых бронз и внедрили в производство на машиностроительном заводе. За два года использования смазки ЦИАТИМ-201 на кокильном участке цеха получен 100%-ный выход продукции с качественной поверхностью и нормальной структурой металла отливок. Расход смазки стоимостью составляет 500-600 г/т.

Литниковая система играет большую важную роль при производстве отливок любым способом. Но ее значение применительно к кокильному литью многократно возрастает.

Этому вопросу посвящено исключительно интересная и важная публикация выдающегося литейщика Украины Петриченко А.М. [5].

Эта публикация должна лежать на столе каждого конструктора, занимающегося конструированием отливок и выбором технологически наиболее приемлемого варианта их изготовления.

В этой публикации особо важная роль отведена питателям, соотношению их сечений с другими элементами литниковых систем.

Принимая во внимание вышеизложенного, мы воздерживаемся от подробного анализа этой публикации, полагая, что ее подробный анализ должен быть за конструктором отливок и технологом, специализирующимся в изготовлении отливок этим способом.

Автор [6] разработал уникальную классификацию кокильных противопригарных покрытий (термины «кокильное покрытие» и «кокильная краска» идентичны).

Обычные жидкостные покрытия не защищают кокиль от газовой коррозии и не обеспечивают высокой чистоты поверхности отливки, но и керамические газопламенного или плазменного напыления, а также металлические и металлокерамические покрытия не универсальны и обладают своими недостатками. Выбор покрытий иногда зависит от вопросов чисто организационного характера, а также методического подхода к исследованиям необходимого комплекса их свойств. В результате затрачивается длительное время на поиски оптимального решения.

Выбирать композицию покрытия можно по комплексу требований или исходя из предпочтительного назначения, а требования к кокильным покрытиям достаточно жесткие. Как видно, удовлетворить все эти требования никакое однослойное покрытие не сможет, но можно создать комплексное многослойное покрытие, удовлетворяющее максимум требований. В конкретных условиях производства этого, как правило, не требуется. Поэтому удобнее классифицировать покрытия по предпочтительному назначению с разбивкой на классы, виды и группы. Класс учитывает предпочтительное назначение, вид – состав, а группа – способ нанесения покрытия. Вид и группа определяют комплекс контролируемых свойств композиции. Переход к анализу композиции осуществляется по классу, который по одноименному технологическому свойству увязан со вторичными свойствами, а последние увязаны с первичными свойствами и факторами внешнего воздействия.

К первичным относятся свойства исходных материалов композиции, а ко вторичным – гидравлические, теплофизические и механические, предопределяемые первичными; к факторам внешнего воздействия относятся уплотнение, влажность и температура, которыми схема увязана с данной группой по классификации или, другими словами, со способом нанесения. Каждый класс отражает предпочтительное назначение покрытий. Зная конкретные условия производства, можно всегда выбрать и предпочтительное назначение, по которому автоматически устанавливается класс композиции покрытия. Затем по классу можно перейти к выбору вида и группы композиции, а по одноименному технологическому свойству и схемам взаимосвязи первичных и вторичных свойств определить объем поисковых и доводочных исследовательских работ.

Разработанная автором классификации кокильных покрытий с их разбивкой на классы, виды и группы дает весьма наглядное представление о концепции автора [6] и облегчает выбор собственно конкретного покрытия как такового.

Ранее мы уже отмечали, что абсолютные объемы кокильного литья производятся из чугуна. Авторы [7] посвятили свою публикацию алюминиевому литью, изготавливаемому с использованием кокиля. Они для повышения стойкости кокильной краски и для улучшения качества алюминиевых отливок разработали защитные покрытия, содержащие в качестве наполнителя мел и маршаллит (40% и 10% соответственно).

Для повышения прочности сцепления с окрашиваемой поверхностью в качестве активаторов добавляли по 1% перманганата калия или окиси кобальта, а кроме того, 20% жидкого стекла, 15% водного раствора карбоксиметилцеллюлозы и 15% флюорита.

Покрытие получают, смешивая сухие компоненты в краскомешалке с добавлением жидкой композиции, затем перемешивают 30-40 мин., разбавляя покрытие водой до плотности ρ = 1,4÷1,5 г/см3. Защитные свойства покрытий зависят от толщины образуемого ими слоя. С увеличением толщины покрытия снижается его механическая прочность. Для получения слоя толщиной 0,4-0,6 мм при ρ = 1,4 г/см3 необходимо двухразовое окрашивание. Покрытие такой плотности на металлической подложке обладает хорошей устойчивостью против образования трещин при термоциклировании (ρ – плотность жидкого покрытия). С повышением ρ> 1,6 г/см3 термостойкость резко снижается. С увеличением плотности покрытия увеличивается его вязкость, которая влияет на кроющую способность покрытия. Оптимальная вязкость при ρ = 1,4÷1,5 г/см3 должна быть 0,4-0,8 П.

Повышение температуры окрашиваемой поверхности снижает устойчивость покрытия против образования трещин в связи с интенсивным выделением влаги. При понижении температуры (100ºС и ниже) покрытие стекает с поверхности, необходимый защитный слой не образуется. Оптимальная температура поверхности кокиля должна быть 180-200ºС.

Наиболее напряженным местом покрытия является граничная поверхность между покрытием и кокилем. В связи с этим прочность сцепления покрытия с кокилем является одним из важных факторов, характеризующих возможность применения предлагаемого покрытия. Изучались термомеханические свойства покрытий при температуре 20-700ºС. Прочность сцепления с металлической подложкой увеличивается с повышением температуры с 118 до 294 кПа при 700-800ºС; при Т > 800ºС отмечается снижение прочности в связи с выгоранием органического связующего и перестройкой кристаллической решетки огнеупорных наполнителей.

Стойкость покрытия оценивали на образцах, вырезанных из чугунных тиглей и помещенных в жидкий металл. Перед окраской образцы нагревали и методом окунания наносили 1-2 слоя покрытия, а затем помещали в сушильный шкаф; второй слой наносили после сушки. Окрашенный и промаркированный образец после взвешивания помещали в расплавленный металл печи на 5ч. После этого печь отключали и образец охлаждали вместе с металлом; образец осматривали, фиксируя уменьшение массы чугунных образцов, очищенных от покрытия и обработанных NaOH для удаления алюминиевого сплава, после чего цикл испытания повторяли. Стойкость образцов колебалась от 400 до 620 ч в зависимости от состава покрытия.

Разработанные покрытия опробованы на заводах г. Харькова. Они характеризуются хорошей кроющей способностью, высокой прочностью сцепления, выдерживают в 2 раза больше наливов металла, чем покрытие текущего производства, улучшают условия производительности труда рабочих. К сведению наших заинтересованных читателей сообщаем, что в составе разработанных и поставляемых нами нескольких десятков противопригарных покрытий имеются следующие покрытия для алюминиевого литья в кокиль [8]:

- грунтовочное глиноземисто-кварцевое ППК-2;

- сажевое рабочее ППК-3, которое наносится поверх грунтовочного;

- цирконовое ППК-5 и цирконо-дистенсиллиманитовое ППК-6.

Их можно заказывать и приобретать в любых малых и больших количествах.

Качество кокильной отливки во многом зависит от толщины красочного слоя и способа его нанесения на рабочую поверхность кокиля.

На Лутугинском заводе прокатных валков (высота формы в положении заливки достигает 11 м на этом заводе, производящем уникальные прокатные валки), разработана и внедрена двухпозиционная машина для очистки и окраски кокилей [9]. Толщина наносимого слоя краски обеспечивается поступательным перемещением окрасочного узла вдоль оки кокиля и регулируется с помощью импульсного скачка числа проходов. Рабочая поверхность кокилей очищается специальными металлическими щетками, раскрываемы в рабочем пространстве за счет центробежных сил. Благодаря этой механизации тепловое напряжение в стенках кокилей диаметром до 900 мм снизилось на 42%. При этом обеспечивается высокое качество отливаемых валков. Применение этой машины позволило заметно улучшить условия труда рабочих, снизить трудоемкость, использовать для этих операций менее квалифицированных рабочих.

Красочный слой оказывает непосредственное влияние на качество кокильной отливки. Главным элементом этого качества является наличие или отсутствие отбела чугунной отливки. При прочих равных условиях чем больше толщина красочного слоя, тем менее вероятна возможность отбела поверхностного слоя отливки [10]. Публикация Вейника А.И. уникальна. Заинтересованному читателю надо ее тщательно проработать.

Примеры номенклатуры литья, изготавливаемого в кокиль, содержатся в публикациях [11, 12]. В публикации [12] приведен очень интересный состав кокильного покрытия и технология его нанесения на кокиль при производстве печного литья в кокиль.

Авторы [13] разработали метод определения толщины теплоизоляционного покрытия кокилей, используя устройство, собранное по мостовой схеме индукционного толщиномера. Приводится электрическая схема устройства толщиномера.

Нашу настоящую публикацию следует рассматривать в сочетании с нашей предыдущей публикацией [14].

ЛИТЕРАТУРА

1. Белобров Е.А., Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров К.Е., Белобров Е.Л. Вспомним забытые технологии: противопригарные краски для производства кокильного литья. «Литье Украины», 2020, № 3.
2. Цыпкин И.А. и др. Особенности производства крыпных кокильных отливок. «Литейное производство»,1968, № 5.
3. Гольдреер С.М. и др. Отливка крыльчаток в кокиль с применением керамических стержней. «Литейное производство»,1964, № 1.
4. Полюхов В.В. Противопригарное покрытие кокилей при литье бронзы. «Литейное производство»,1968, № 4.
5. Петриченко А.М., Глизер З.Х. Исследование литниковых систем кокильных отливок методом моделирования. «Литейное производство»,1976, № 7
6. Тулузов Г.Н. . Выбор кокильного покрытия. «Литейное производство»,1973, № 3.
7. Кириченко Д.В. и др. Защитное покрытие для кокилей при литье алюминиевых сплавов. «Литейное производство»,1981, № 4.
8. Реклама: «Противопригарные покрытия и связующие к ним производства КНПП «Формовочные материалы Украины». «Литье Украины», 2020, № 2.
9. Сокол А.А. и др. Нанесение покрытий на рабочую поверхность кокилей. «Литейное производство»,1988, № 8.
10. Вейник А.И. Метод испытания кокильных красок на теплопроводность. «Литейное производство»,1952, № 8.
11. Мышковский А.С. Отливка чугунных деталей в кокиль. «Литейное производство»,1958, № 12.
12. Прохоров АП, Ласкаржевский Н.И. Из производственного опыта. «Литейное производство»,1958, № 12.
13. Ломазов С.В., Черная Т.Н. Метод определения толщины теплоизоляционного покрытия кокилей. «Литейное производство»,1979, № 10.
14. Белобров Е.А., Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров К.Е., Белобров Е.Л. Вспомним забытые технологии: противопригарные краски для производства кокильного литья. «Литье Украины», 2020, № 3.

Авторы:

К.т.н., почетный литейщик Украины Белобров Е. А., инженеры Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров К.Е., Белобров Е. Л.

КНПП «Формовочные материалы Украины», г. Краматорск

«Литье Украины», 2020, № 7. с.31-34