Вспомним забытые технологии: технологические добавки к жидкостекольным смесям, улучшающие их положительные свойства

До конца 50-х годов прошлого века главная технология формообразования в литейном производстве основывалась на песчано-глинистой формовочной смеси. Жидкостекольная технология делала лишь первые робкие шаги.

Главным достоинством ПГС – технологии была и остается ее дешевизна и широкая доступность; главный недостаток – низкая прочность в высушенном состоянии и обилие дефектов отливок из-за ужилин, песочных раковин, засоров, необходимость исправлять дефекты отливок.

Тем не менее по этой технологии изготавливалась основная масса отливок, в том числе стальные отливки массой 100 т и более при преобладающих толщинах стенок до 200 мм и более.

Жидкостекольные смеси (далее ЖС) характеризуются следующими преимуществами перед песчано-глинистыми смесями (далее ПГС):

- низким содержанием глины, благодаря чему повышается их противопригарная стойкость;

- высокой прочностью в отвержденном состоянии: σр 2,5-4,0 кгс/см2 при отверждении СО2 и 25,0 27,5 кг/см2 при отверждении теплом;

- высокая скорость отверждения: под действием СО2 – от 30 сек (для стержней) до 5-10 мин (отверждение форм под зонтом); под действием тепла при поверхностной подсушке горячими газами – до 100 мин для просушки на глубину до 30-50 мм. Формы и стержни по ПГС-технологиям сушатся теплом до 12-14 ч. Благодаря этому преимуществу ЖС имеет место большая экономия энергоносителей;

- значительное повышение производительности труда, чему способствует также сокращение цикла изготовления форм и стержней за счет сокращения длительности сушки охлаждения форм и стержней из ПГС, подвергаемых длительной тепловой сушке.

В целом внедрение ЖС было очень прогрессивным, революционным шагом в литейном производстве.

Вместе с тем ЖС имеют следующие недостатки:

- их главный недостаток – весьма затрудненная выбиваемость после контакта с расплавленным металлом. В этом случае прочность (далее σ) ЖС сравнима с σ силикатного кирпича. Для выбивки центровых элементов форм и стержней требуются большие затраты энергии и труда;

- загрязнение отработанной смеси щелочным компонентом (Na2O), который сводит на нет связующие свойства глины, содержащейся в отработанной ПГС. Если в одном и том же цехе имеет место ЖС- и ПСГ-технологии одновременно, то потоки как исходных, так и отработанных смесей надо разделять, что весьма затруднительно;

- присутствие Na2O в отработанной смеси усугубляет экологическую ситуюцию;

- невозможность достигнуть высокой σсж в сыром состоянии из-за необходимости увеличивать содержание глины в ЖС с 3 до 5-6% и более, чем снижается противопригарная эффективность ЖС. Максимально достижимая σсж ЖС в сыром состоянии – 0,3 кгс/см2, в то время как эта же характеристика ПГС может достигать 1-2 кгс/см2;

- из-за обгара верхов применение ЖС ограничивается стальными отливками массой до 3 т (данные Уралмашзавода), хотя известен опыт завода «Сибтяжмаш» (г.Крастоярск, Россия), где по ЖС-технологии отливали в обоймы массой до 25т;

- в ЖС нежелательно присутствие отработанной смеси по причине снижения противопригарной стойкости стержней и форм;

- ЖС без окрашивания форм и стержней можно применять для стальных отливок с толщинами стенок до 50-60 см; при больших толщинах стенок требуется окрашивание;

- для варианта ЖС в сочетании с СО2-процессом требуется оборудование и оснастка для газификации жидкой углекислоты и разводки газообразного углекислого газа по рабочим местам.

Несмотря на вышеупомянутые недостатки, переход от ПГ-технологии к ЖС-технологии стал прогрессивным, революционным шагом, хотя по вышеизложенным причинам ЖС не смогли полностью заменить ПГС. В частности массовое производство литья в сырой форме в автомобильном, тракторном и сельхозмашиностроении до сих пор сохраняется за ПГС.

Собственно самой жидкостекольной смеси свойственны еще такие недостатки, как повышенная прилипаемость к оснастке и вязкость, затрудняющая получение гладких поверхностей. После высыхания прилипшая к формовочно-стержневой оснастке ЖС очень прочно удерживается на ней.

Применительно к изготовлению стержней по СО2-процессу этот недостаток не проявляется, так как ЖС не содержит глины, благодаря чему сырая σсж ЖС не превышает 0,05 кгс/см2. Для изготовления же форм в ЖС надо добавлять до 3-4% глины, при этом достигается сырая σсж ЖС 0,18-0,22 кгс/см2.

Таким образом, одной из характеристик ЖС, нуждающихся в корректировке, является реологический показатель ЖС в виде высокой вязкости.

Следует заметить, что этот недостаток свойствен и другим смесям, содержащим, например, лигносульфонат технический, патоку, декстрин, маточник пента эритрита и др.

Технологические добавки (далее ТД) применительно к формовочным смесям для литейного производства – это специально вводимые примеси для улучшения тех или иных характеристик смесей, а именно:

- повышения противопригарной эффективности и улучшения чистоты литых поверхностей стальных отливок;

- повышения прочности;

- снижения расхода жидкого стекла;

- улучшения выбиваемости;

- улучшения регенерируемости.

Повышение противопригарной эффективности ЖС. Этот вопрос возникает при производстве по ЖС-технологии стального литья со средними толщинами стенок (40-60 мм). При больших толщинах стенок отливок используются противопригарные краски или облицовочные смеси на основе специальных огнеупоров (хромит, хромомагнезит, магнезит, зернистые циркон, дистенсиллиманит).

С целью поиска оптимального решения применительно к стальным отливкам со средними толщинами стенок было исследовано много порошкообразных материалов в виде оснований и солей. Основания Са(ОН), Ва(ОН)2, Мg(ОН)2, NH4OH, а также соли Na2CO2,NaHCO2,CaCl2, NH4Cl, FeSO4, CuSO4 вызывают коагуляцию (т.е. сворачивание и выпадение в осадок кремнегеля) жидкого стекла. Из солей NaCl и Fe2O3 (железная руда) не вызывают коагуляции жидкого стекла [1, 2].

ЖС с малыми добавками, имевшие хорошие технологические свойства, испытывались при отливке специальных стальных образцов массой 70 кг. Эти образцы имели разные толщины стенок, углубления и сопряжения плоскостей, благодаря чему противопригарные свойства ЖС с теми или иными добавками испытывались в различных условиях. Было отлито 80 таких образцов. Наилучшие результаты показали ЖС с порошковыми добавками NaCl и железной руды.

Литейные корки из смесей с 0,75 и 1% NaCl имеют характерный металлический блеск. При рассмотрении их в лупу (30-45-кратное увеличение) видны песчинки, покрытые слоем шлаковидно-стеклообразного вещества (силикат железа и натрия).

Увеличение добавок поваренной соли до 3 и 5% вредно сказывается на чистоте поверхности литья, что объясняется образованием подвижных шлаков, проникающих в глубь облицовочной смеси формы. Одновременно с увеличением содержания NaCl ухудшаются прочностные свойства жидкостекольной смеси, увеличивается ее осыпаемость и уменьшается «живучесть».

Многочисленными опытами было установлено, что самыми рациональными добавками в жидкостекольной смеси с целью уменьшения пригара на стальном литье являются 0,5-1,5% поваренной соли и 0,5-1,5% железной руды, всего в сумме до 2,5%.

Проводились также опыты по жидкостекольным смесям с добавками различных количеств молотой железной руды. Добавка руды ло 1% практически не оказывает влияния на качество смеси и чистоту поверхности литья.. Увеличение содержания руды в смеси до 3% и более ухудшает чистоту поверхности стальных отливок весом более 500 кг.

Добавки поваренной соли и железной руды в указанных пределах не ухудшают технологических свойств ЖС.

Формовка отливок на указанных смесях позволила значительно снизить пригар литья. Заливка форм производилась углеродистой и слаболегированной сталью при температуре металла в пределах 1530-1540°С.

В одном из экспериментов было отлито колесо массой 200 кг. Форма состояла из ЖС с добавками 1,5% железной руды и 0,5% поваренной соли. При отливке колеса по обычной ЖС пригар наиболее ярко был выражен в местах перехода от выступающей части к ободу.

На ЖС с теми же добавками была отлита партия крышек из стали марки 25Л черновым чесом 300 кг, каждая с преобладающей толщиной стенок 20-25 мм; при этом поверхности получались чистыми, без пригара. Раньше, как правило, поверхности тонкостенных отливок на прежних смесях были покрыты прочным и толстым слоем пригара.

Исключительно чистой с характерным металлическим блеском была получена литая обойма из стали марки 15Х1М1ФЛ массой 1200 кг.. Толщина стенок отливки 40-60 мм, наружный диаметр 1900 мм.

Обойма была отлита в форме из ЖС с добавками 1% поваренной соли и 1% железной руды.

Обращаем особое внимание на почти зеркальную по своему блеску противопригарную корку из ЖС с добавками NaCI и Fe2O3 (речь идет о ее стороне, прилегающей к отливке).

Располагая 60-летним опытом работы с литейными технологиями, мы никогда ранее не встречались с подобным феноменом.

Улучшают чистоту поверхностей стальных отливок добавки к ЖС извести, мела, плавикового шпата. Интерес литейщиков к добавкам таких материалов к ЖС может давать положительный эффект.

Применение ЖС с небольшими добавками, изменяющими химический и петрографический составы промежуточного соединения на границе металл-форма в сторону уменьшения пригара на стальном и чугунном литье является до сих пор малоисследованным вопросом, заслуживающим особого внимания, и к его решению должны быть привлечены силы научно-исследовательских и учебных институтов, располагаюших исследовательскими возможностями.

Технология изготовления форм из ЖС с добавками NaCI и железной руды просуществовала на харьковском «Турбоатоме» несколько лет и была отставлена по причине неудобства размола железной руды в галтовочном барабане.

В настоящее время в Украине имеется производство тонкодисперсного порошка из Fe2O3 для изготовления суриковых красок. Этот сурик – отличная добавка к ЖС. В изобилии производится в Украине также NaCI нулевого помола.

Затраты на вышеупомянутые добавки вполне оправдываются положительными результатами их применения.

Влияние добавки окислов железа тесно связано с характером самого окисла, так как положительное их влияние можно объяснить образованием легкоплавкой эвтектики, содержащей окислы Na2O, Fe2O3  и SiO2 и заполняющей поры между зернами. Для образования указанной эвтектики необходимо присутствие именно окиси железа Поэтому попытки введения в формовочную смесь окалины, состоящей на 90-95% из Fe3O4 не дали положительных результатов.

Введение же руды, состоящей на 73,3% Fe2O3; 0,68% FeO и 19,6% SiO2 привело уменьшению пригара.

В большинстве случаев в контактном слое корок пригара, легко отделяющихся от поверхности отливки, присутствует магнетит, стекло хорошо раскристаллизованно, то есть насыщено дисперсными включениями. Очевидно, такое раскристаллизованное стекло представляет собой эвтектическую смесь с пониженной температурой плавления, что способствует образованию легкоотделимого пригара.

У большинства корок тяжелоотделимого пригара поверхность контакта покрыта пленкой файялита, а в некоторых случаях стекло полностью переходит в кристаллический пироксен. Наличие кристаллического вещества на поверхности контакта формы с металлом приводит к образованию трудноотделимого пригара. Можно предположить, что малые добавки, вводимые в смеси, должны оказать большее влияние на смачиваемость металлом поверхности формы, чем на ее структуру.

Улучшение реологических характеристик ЖС. Реология (от греч. rheos-течение) – наука о деформациях и текучести вещества. Реология рассматривает процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением разнообразных вязких и пластических материалов (жидкостей, дисперсных систем), а также явление релаксации напряжений, упругого последействия и др. [3].

Негативное состояние формовочной смеси (далее ФС) прояляется в виде ее упруго-вязкого фактора, затрудняющего надлежащее уплотнение ФС без образования рыхлот, поверхностной и внутренней ноздреватости, из-за которых поверхность отливки как отпечаток формы или стержня получается шершавой, грубой, обильно пропитанной включениями песка или отдельных фрагментов ФС, отделившейся от основной массы. Этот дефект (песочный засор) может быть исправлен при условии неглубокого расположения песочных включений. Однако в большинстве случаев отливка бракуется.

Причина этого состояния ФС – в основном связующем. Применительно к ЖС определенную негативную роль играют и глина и бентонит, которые до 3-4% вводятся в состав ЖС для придания ей σсж в сыром состоянии до 0,3 кгс/см2, достаточной для предупреждения сползания облицовочной ЖС с поверхности формы. Рыхлость и ноздреватость формы можно предупреждать более длительным уплотнением, что нежелательно из-за увеличения энергозатрат, удлинения технологического цикла и в целом повышения трудоемкости формообразования. Поэтому все же предпочтение следует отдавать технологическому способу улучшения текучести и формуемости ЖС. Именно через конкретные значения этих двух характеристик проявляется реологическое совершенство ФС.

Высокая вязкость ЖС предупреждается добавлением в ЖС 0,5-1,0% NaCl, благодаря чему ЖС из вязкой, комковатой превращается в сыпучую, легкодеформируемую массу, позволяющую получать очень гладкий отпечаток без рыхлот, пористости. Введение NaCl позволяет также снизить содержание жидкого стекла до 4,0-4,5%. Снижение содержания жидкого стекла облегчает выбиваемость стержней. При этом σсж как после СО2-процесса, так и после тепловой сушки сохраняется на достаточно высоком уровне. NaCl, как было сказано выше, улучшает также чистоту поверхности отливки. ЖС с добавкой NaCl  по своим реологическим характеристикам очень напоминает песчано-глинистую смесь с экструзионным крахмалореагентом (далее ЭКР), подробно описанную в наших публикациях в «Литье Украины» за последние 5-7 лет.

Весьма кстати упомянуть, что добавка ЭКР в ЖС также улучшает ее реологические характеристики с тем различием, что ЖС с ЭКР, будучи очень подвижной и легко деформируемой, не является такой сыпучей (хорошая сыпучесть – признак высокой формуемости, регламентируемой отдельным ГОСТом), как ЖС с добавкой NaCl.

Выбиваемость. Ранее мы уже констатировали, что высокая трудоемкость выбивки стержней из ЖС – главный недостаток этой технологии. За почти 70-летнюю историю существования ЖС-технологий и формообразования вообще ни одному вопросу не было посвящено столько исследований, в том числе на уровне диссертаций, как выбиваемости.

Затратив огромные средства и мозговую энергию, литейная элита бывшего Советского Союза наконец-то поняла, что удовлетворительное решение вопроса выбиваемости стержней из ЖС – это призрак, который невозможно полноценно осязать и, тем более, решить. Причина этой трудности кроется в растворимости кварца в щелочи. Щелочь разъедает поверхность кварцевого зерна, которое становится окутанным пленкой силиката натрия, которая очень прочно удерживается на поверхности кварцевого зерна. Кварцевые зерна, соприкасаясь этими пленками, образуют очень прочные соединения.

Вопрос выбиваемости усугубляется, если используется отработанная ЖС, так как при этом количество силикатной связки на поверхностях соприкасающихся зерен увеличивается.

С выбиваемостью тесно связан вопрос регенерируемости отработанной ЖС. Для того, чтобы получить полноценный кварцевый регенерат, прочную силикатную пленку надо полностью сошлифовать с поверхности кварцевого зерна. Но это реально невозможно, точнее сказать, силикатную пленку можно удалить с поверхности кварцевого зерна, но полученный таким способом регенерат будет во много раз дороже, чем свяжий кварцевый песок. И все же отдельные частные решения вопроса выбиваемости применительно к определенной однородной по единичной массе и преобладающим толщинам стенок номенклатуре отливок возможны. Такие решения имели место как за рубежом, так и в бывшем Советском Союзе. За рубежом в качестве добавки для улучшения выбиваемости ЖС использовалась злаковая мука, преимущественно ржаная. В бывшем Советском Союзе для этого использовались сахаристо-крахмалистые материалы, в частности карамельная патока (далее КП). Однако при контакте КП с ЖС последнее коагулирует. Поэтому перед соединением КП с ЖС КП надо ощелачивать. Технологию ощелачивания КП мы в настоящей статье не рассматриваем, но если кто-то из наших читателей вознамерится использовать не только КП, но и обычную патоку для улучшения выбиваемости ЖС, мы предоставим технологию ощелачивания КП и обычной патоки.

ЖС с ТД в ряде конкретных случаев могут быть технологически приемлемыми и экономически эффективными техническими решениями для малых и средних предприятий Украины, производящих отливки.

Литература:

1. Насанкин А.Ф., Белобров Е.А. Методы борьбы с пригаром на стальном литье. «Машиностроение», 1962, вып. 2.
2. Суходольская Е.А., Белобров Е.А., Насанкин А.Ф. О пригаре на стальных отливках. В сб. «Механизация и технология литейного производства». Харьковское книжное издательство, 1962.
3. БСЭ, том 22, статья «Реология», с.32. Издательство «Советская энциклопедия», М., 1975.