Вспомним забытые технологии: о клейкости и вязкости жидкого стекла, используемого в литейном производстве

   Жидкое стекло применяется в литейном производстве в качестве связующего около 80 лет.

   Уникальный вклад в его изучение и применение внесла выдающаяся плеяда советских ученых в составе Лясса А.М., Побежимова П.И., Борсука П.А., Валисовского И.В.

   Наиболее полно уникальные свойства жидкостекольных смесей применительно к литейному производству отражены в названии монографии Лясса А.М. – «Быстротвердеющие формовочные смеси». Этим своим главным положительным свойством жидкостекольные смеси обязаны столь же уникальному свойству собственно жидкого стекла – особенностям его вязкости. Зависимость вязкости жидкого стекла от его модуля показана на рис.1.

   Мы уже не раз приводили рисунок, изображающий зависимость вязкости жидкого стекла от его плотности (рис.2)        

   Эта зависимость проявляется при отверждении жидкостекольной смеси как теплом, так и СО₂-процессом.

   При умеренном нагревании жидкостекольные связующие пленки постепенно теряют за счет испарения часть содержащейся в них воды.

   В этом случае до плотности 1,50 г/см³ вязкость также умеренно растет. Но после плотности 1,50 г/см³ происходит резкий скачок вязкости. Эта часть кривой на рис. 1 как раз соответствует резкому увеличению прочности смеси.

   При отверждении жидкостекольной смеси СО₂ имеет место несколько иная ситуация. В этом случае прочность смеси по мере продувки ее СО₂ состоит из двух слагаемых:

   - первая слагаемая: при взаимодействии СО₂ с жидкостекольной пленкой жидкое стекло коагулирует с образованием геля кремневой кислоты, который обеспечивает постепенное упрочнение смеси. Но гель очень порист и способен поглотить такой объем влаги, который во много раз превышает объем пор геля. При отверждении СО₂ образовавшийся гель повсеместно соседствует с еще не подвергшимися разложению жидкостекольными пленками, в результате влага из последних переходит в пористый гель, а вязкость жидкостекольных пленок растет согласно кривой рис. 1;

   - за счет поглощения части влаги непрореагировавших жидкостекольных пленок гелем кремневой кислоты появляется вторая слагаемая отверждаемой СО₂ смеси.

   Поэтому если частично отвержденный углекислым газом образец из жидкостекольной смеси дополнительно высушить теплом, то его прочность будет изображена на кривой 2 рис.3 [2] до точки пересечения с кривой 1, показывающей изменение прочности смеси при ее отверждении только углекислым газом. В этом случае более высокие значения прочности по кривой 1 рис. 3 [2] обеспечиваются неразложившейся частью жидкого стекла, подвергшегося тепловой сушке.

   ГНИИХТЭОС (ГОСНИИ химии и технологии элементоорганических соединений) рекомендовал использовать в качестве понизителей вязкости жидкого стекла продукты ОТ-94, ДГН-94, ДБ-94, представляющие собой ПАВ типа натриевых солей диалкиловых эфиров сульфоянтарной кислоты.

   Снижение вязкости жидких стекол осуществляется на производящих сварочные электроды заводах осуществляется при помощи хромпика, пластифицирующих добавок, КМЦ и целлюлозы. Главная цель использования хромпика – пассивирование и торможение реакции между жидким стеклом и компонентами шихты для сварочных электродов.

   Кремнефтористый натрий (Na₂SiF₆) вызывает гелеобразование жидкого стекла с регулируемым инкубационным периодом. Его применяют в качестве отвердителя при приготовлении ЖСС [1] и ПСС на связующей основе жидкого стекла.

   Из приведенных в таблице материалов наиболее перспективен хлористый натрий (NaCl, или поваренная соль), в практическом использовании которого в качестве технологической добавки к жидкостекольной смеси первый автор имеет значительный опыт. Важнейшие слагаемые этого опыта таковы:

   - при введении 1% (по массе) NaCl жидкостекольная смесь становится очень сыпучей, легкодеформируемой и уплотняемой;

   - содержание жидкого стекла в составе этой смеси можно уменьшить до 4% при сохранении на требуемом уровне прочности как при отверждении СО₂, так и теплом;

   - при преобладающих толщинах стенок стальных отливок 30-40 мм отливка приобретает блестящую поверхность. Таким же блеском характеризуется и снятая с отливки спекшаяся корка;

   - вышеописанный эффект существенно усиливается, если 1% NaCl сочетать с 1% Fe₂O₃ (тонкомолотая железная руда, сурик).

   Эта смесь в течение ряда лет с большим успехом использовалась в сталелитейном цехе Харьковского турбинного завода (ныне ОАО «Турбоатом»).

   Из других добавок перспективны сахаристые, крахмалистые вещества (ощелаченная патока, декстрин, крахмал, крахмалит, ЭКР, фуриловый спирт, смесь фурилового спирта и феноло-формальдегидной смолы, карбамидо-фурановой смолы, КМЦ, опыленный древесный пек, альбумин и др.).

   Например, при сочетании жидкого стекла со смолой Фуритом-107 2% этой композиции в составе смеси делают ее очень пластичной, легкодеформируемой, уплотняемой и прочной при отверждении теплом.

   Согласно данным кафедры химической технологии связующих материалов Ленинградского технологического института связка на основе алюмината натрия, добавление которой в количестве 5-7% от веса жидкого стекла позволяет резко менять как свойства самого жидкого стекла, так и физико-химические свойства формовочных смесей, приготовленных на алюмосиликатной связке.

   Испытание по СО₂-процессу формовочных смесей на алюмосиликатной связке показали, что:

   - осыпаемость смесей, как правило, не превышает 0,10%;

   - прочность на срез (особенно при выстаивании образцов в течение суток и при использовании исходного жидкого стекла с вязкостью более 150 с по В3-4) возрастает в 1,5-2 раза;

   - остаточная прочность смесей после прокалки (900°С, 2 часа) – 10-20 кг/см²; при увеличении в жидком стекле количества связки на основе алюмината натрия остаточная прочность резко возрастает;

   - вязкость алюмосиликатной связки – 20-50 с (по В3-4).

   Использование алюмосиликатной связки в наливных смесях выявило, что наряду с повышенной текучестью и живучестью смеси обладают очень низкими прочностными характеристиками и повышенной прилипаемостью.

   По мнению специалистов ВНИИЖиров (г. Ленинград), снижение расхода жидкого стекла должно достигаться не за счет снижения вязкости его раствора, а за счет улучшения смачивания им основных компонентов формовочной смеси.

   В качестве ПАВ, способных увеличить смачивание и обладающих умеренной пенообразующей способностью, рекомендуется испытать алкиларилсульфонат ДС-РАС, неиногенные препараты ОП-10, ОП-7, синтанол ДС-10, смачиватели НБ и ДБ.

   Из ПАВ с большей пенообразующей способностью можно испытать сульфонол. При этом следует иметь ввиду, что в отдельных случаях (при высоких модулях жидкого стекла) возможно образование сгустков.

   Повышенной пластичности смеси без увеличения расхода жидкого стекла можно достичь одним из двух способов:

   - определением оптимального соотношения между модулем и плотностью жидкостекольного раствора или конкретного состава смеси;

   - введением добавок-электролитов (например NaCl – 0,2-1,0% от массы смеси).

   Следует учесть, что второй способ не учитывает специфики формовочных смесей для литейного производства и подлежит экспериментальной проверке в лабораторных условиях.

   Бóльшей клеящей способностью обладают содовые жидкие стекла, а не содово-сульфатные. Кроме того, клеящая способность увеличивается с повышением силикатного модуля, т.е. для жидких стекол, выпускаемых по ГОСТ 13078-67, модуль должен приближаться к 3, 4 при плотности 1,5г/см³.

   Отсутствие примесей также благоприятно влияет на это свойство. Известно также, что клеящая способность увеличивается у смешанных жидких стекол – калиево-натриевых при определенном оптимальном соотношении щелочных окислов с модулем 3,2-4,0 и плотностью более 1,20 г/см³.

   Для повышения вязкости жидкого стекла используется аэросил марки А-175 производства Калужского объединения «Хлорвинил» и белая сажа БС-30 производства Винницкого химзавода.

   Переход материалов из вязко-пластического состояния изучается при помощи пластографа Брабендера. Этим прибором располагают считанные институты.

   Для определения клейкости жидких материалов используется методика определения краевого угла смачивания. Клейкость отвержденных материалов определяется путем измерения адгезионной прочности по принципу выдергивания склеиваемого образца в виде проволоки или волокна из подвергаемого отвержденного материала.

   НИИ резиновой промышленности (НИИРП) разработал эффективную методику для определения липкости клеев, чувствительных к давлению.

   В строительной индустрии для определения вязкости и других технологических свойств полимерных клеев для склеивания строительных материалов применяется стандартный метод – ГОСТ 20501-75.

   ВНИИ пленочных материалов и искусственной кожи разработал собственную методику определения прочности склеивания резины с тканью.

   Клеи, рекомендуемые для использования в кожгалантерейной промышленности, проверяются на прочность склеивания по ГОСТ 2199-66 и ГОСТ 6768-53.

   Изучением условий перехода материалов из вязко-пластического в полутвердое состояние занимается НИИ пластических масс (НИИПМ).

   В строительной керамике для изготовления пористых керамических изделий в качестве отвердителя (ускорителя схватывания) применяется кремнефтористый натрий.

   УКРНИИПЛАСТМАСС (г. Донецк) для изучения условий перехода материалов из вязко-пластического в полутвердое состояние применял пластометр ПВР-1.

   Собранные в различных литературных источниках сводные данные по технологическим добавкам к жидкому стеклу и содержащим жидкое с текло смесям для литейного производства приведены в таблице.

                                                                                                                    Таблица

   ДОБАВКИ К ЖИДКОМУ СТЕКЛУ И КОМПОЗИЦИЯМ НА ЕГО ОСНОВЕ

   Авторы настоящей публикации дают себе отчет в том, что для практического использования приведенных в таблице технологических добавок требуются скрупулезные предварительные лабораторные проработки с целью получения определенных составов смесей и их физико-механических и технологических характеристик.

   ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. М., «Машиностроение», 1990.
2. Лясс А.М. Быстротвердеющие формовочные смеси. «Машиностроение», М., 1965.

Авторы: Канд.техн.наук, 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

Опубликовано:  Литьё Украины, 2019, №10, с. 16-23