Вспомним забытые технологии. Ещё раз о газопроницаемости противопригарных красок, используемых в сочетании с технологией литья по газифицируемым моделям.

Газопроницаемостью формовочных песков, формовочных и стержневых смесей принято называть свойство вышеупомянутых материалов, характеризуемое способностью пропускать через себя газы [6]. Газопроницаемостью обладают материалы с открытыми порами.

 Величину газопроницаемости пористых материалов определяют по формуле, основанной на законе фильтрации Дорси:

К = Q x h/F x    P x t, где К – газопроницаемость; Q – объем воздуха, проходящего за время t через образец с поперечным сечением F и высотой h при перепаде давления    Р.

Газопроницаемость пористого материала определяют на специальном приборе на образце песка или смеси, имеющую форму имеющего диаметр и высоту 50 мм путем пропускания через него 2600 см³ воздуха под давлением 980, 7 Па.

Пропускная способность – технологическое свойство, характеризуемое способность форм и стержней, а также наносимых на них противопригарных красок пропускать через себя газы, учитывающее геометрические характеристики форм и стержней, а также в целом технологию изготовления литейной формы.

           Технология производства отливок по газифицируемым моделям весьма противоречива.  С одной стороны, она позволяет получать отливки высокого качества при всеобщей сбалансированности и принятию во внимание ее важнейших достоинств. С другой стороны, при неумелом обращении литье, произведенное по этой технологии, может поражаться целым комплексом дефектов. И при прочих равных условиях главную роль в этой ситуации сыграет газопроницаемость самой ГМ и влияние на нее окрашивания. Газопроницаемость  в целом определяется её сочетанием с противопригарными красками.

         В наших более ранних  публикациях мы неоднократно упоминали имя ныне покойного литейщика от Бога Насанкина Александра Федоровича, который своими исследованиями установил непреложный факт снижения газопроницаемости песчаноглинисто – жидкостекольного образца в 10 раз при толщине красочного слоя порядка 1 мм.

        Сам по себе вспененный полистирол, с одной стороны обладает очень высокой газопроницаемостью. Высокая газопроницаемость ГМ – предпосылка и главная причина интенсивного пригара, возникающего на отливке. С другой стороны, полная «закупорка» ГМ красочным и массами может вызывать своего рода «стрельбу» при заливке формы металлом.

        В фундаментальном труде Шуляка В.С. [1], констатируется о газопроницаемости противопригарной краски лишь следующее:

       Газопроницаемость покрытия увеличивается с увеличением зернистости огнеупорного наполнителя в краске.

       И далее:  Для неответственных мелких отливок можно применять водные покрытия на основе паст ГП – 1, ГП – 2 для чугунных отливок и ГПП – 1 , ГПП – 2 для отливок из цветных

   сплавов [2]

       И далее: «При применении покрытий с хорошей газопроницаемостью возможно применение моделей с покрытием, содержащим остаточную влагу до 3 – 4%, это позволит резко сократить время теплой сушки [3]»

      При этом эти утверждения автора [1] делаются со ссылками на других авторов [2,3]. Из этого следует, что Шуляк В.С. [1] не имел своей определенной точки зрения на роль красочного слоя и его газопроницаемости в ЛГМ – процессе в целом в обеспечения качества литья, производимого по ЛГМ.

      Не вызывают особого доверия также ссылки Шуляка В.С. на авторов [2,3] касательно  противопригарных красок и газопроницаемости.

          Принимая во внимание отсутствие объективной и достоверной методики определение газопроницаемости противопригарных красок для ЛГМ, мы разработали свою методику, которую по состоянию на настоящее время считаем наиболее правильной и объективной. По этой методике оценивалась газопроницаемость ряда противопригарных красок для ЛГМ нашей разработки и нашего производства. Благодаря этой методике [4] мы смогли проникнуть в область газопроницаемости 3 – 5 ед., но это было несколько лет тому назад.

           Однако в настоящее время в Харькове Институтом «УКРГИПРОТЯЖМАШ» разработан прибор на газопроницаемость, который позволяет определять эту характеристику при ее значениях 3 – 5 ед., что значительно упрощает изучение газопроницаемости применительно к ЛГМ.  Марка прибора 04316.

           По методике [4] испытана, в частности, газопроницаемость гаммы быстросохнущих (спиртовых) и гаммы водных красок нашего производства на огнеупорной основе циркона, шамота, дистенсиллиманита, графита с различными технологическими добавкам. Газопроницаемость спиртовых красок колеблется от 6 до 25, водных – от 25 до 42 ед. (табл.1)

          В качестве связующего спиртовых красок использовалась спиртовая связующая композиция   СБПП производства КНПП «Формовочные материалы Украины».

        Краски 2.1 и 2.2 нетехнологичны, плохо раскрашиваются, тянутся за кистью и потому неприемлемы для их практического использования.                                                                          

Таблица 1

Результаты испытания газопроницаемости

спиртовых и водных противопригарных красок.

Водные противопригарные краски для ЛГМ производства КНПП «Формовочные материалы

Украины» характеризуются следующими значениями газопроницаемости: дистенсиллиманитовая ДП2М1 (для мелкого чугунного литья) – 32ед.;  дистенсиллиманито – цирконовая ДП2М2 (для рядового чугунного и мелкого стального литья) – 29 ед.;  цирконо – дистенсиллиматовая ДП2М2А (для рядового стального литья) – 26 ед.

Самой востребованной в Украине является краска ДП2М2.

Анализ полученных результатов позволяет констатировать следующее:

- усовершенствована методика определения газопроницаемости КС при производстве отливок по ЛГМ. С ее помощью удалось проникнуть в область очень низких значений газопроницаемости КС, вплоть до их значений порядка 3 – 5ед.

- водные краски характеризуются большей газопроницаемостью, чем быстросохнущие;

- снижение содержания связующего в краске повышает её газопроницаемость 2 – 4 раза;

- добавление пористого огнеупорного порошка в количестве 10% в дистенсиллиманитовую краску повышает ее газопроницаемость с 25 до 42 ед., однако краска теряет технологичность и потому не может использоваться в реальной практике;

- при снижении толщины КС с 0,4 до 0,20 – 0,25 мм (окрашивание окунанием) можно повысить его газопроницаемость до 60. В реальной практике, особенно при производстве мелкого чугунного литья, эта толщина КС  имеет абсолютное преобладание.

Предположительно механизм влияния связующего на газопроницаемость можно объяснить следующие факторы:

- за счет связующих улучшается смачиваемость твердых частиц КС, снижается их взаимное внутреннее трение, что способствует более плотной упаковке зерен огнеупорного наполнителя формирующего КС;

          - благодаря связующему происходит более плотное облегание песчинок связующими пленками, которые не разрушаются при сушке вовсе или разрываются лишь частично, снижая тем самым пористость КС, непосредственно влияющую на газопроницаемость.

Присутствие в КС газотворного связующего усугубляет и без того сложный газовый режим    литейной формы с газифицируемой моделью. Поэтому при компоновке составов красок для ЛГМ надо стремиться к минимально допустимому содержанию связующего в них.

Образование красочного слоя определенной толщины обеспечивается нашей методикой [5].

Для образования красочного слоя определенной толщины нами была принята смесь,   состоящая из 95 мас.ч  кварцевого песка зернистостью 02, 5 мас.ч. порошковой глины; 2 мас.ч. связующего 4ПУ(П) производства Харьковского завода «Красный химик» и 5 мас.ч. связующего ЛМ нашей разработки и производства. Все образцы для испытаний подверглись теплой сушке при 240⁰ С в течении одного часа.

      Из этой смеси изготавливали образцы ф50мм при их переменных высотах: 12,5; 25,0; 37,5 и 50мм, соответственно.  

          Газопроницаемость неокрашенных образцов, определенная на стандартном приборе, составила (см.табл.2) 

Таблица 2                                                                                                                                                                           

Газопроницаемость неокрашенных образцов.

Как видно, газопроницаемость неокрашенных образцов резко падает с увеличением их высоты. При этом отношение наибольшего и наименьшего значений газопроницаемости составило 5,83.

           Газопроницаемость окрашенных образцов (водная дистенсиллиманитовая краска ДП -2, толщина КС 0,4мм) составила 75; 63; 52 и 50 ед. соответственно. При этом отношение наибольшего и наименьшего значений газопроницаемости составило лишь 1,5.

Таким образом, газопроницаемость окрашенного образца несущественно зависит от его высоты. Это дает основание принять для нашей методики высоту образца 25мм. Это та минимальная высота, которая позволяет образцу прочно удерживаться в гильзе и не сдвигаться ни вверх, ни вниз, что могло бы искажать толщину КС.

При изменении газопроницаемости краски, газопроницаемость смеси, на которую наноситься краска, не является узким местом и не препятствует прохождению воздуха из – под колокола прибора на газопроницаемость до его контакта с КС.

В нашем случае для испытаний была принята толщина КС 0,4мм. Именно на этой толщине нам позволяют остановиться наши многочисленные эксперименты по нанесению краски на полистироловые модели окунанием или обливанием, когда излишек краски стекает с поверхности модели.

Газопроницаемость – одна из важнейших характеристик литейной формы. Особенно велика роль газопроницаемости при заливке метала в форму. Это обусловлено интенсивным выделением различных газов и водяного пара. Газы выделяются как из материала формы, так и из метала. Источником газов в форме являются органические материалы в виде связующих остатков разделительного покрытия, карбонатов, углеродистых добавок и др. Водяной пар образуется из несвязанной воды, содержащейся в формовочной смеси, а также из конституционной воды, содержащейся в глине и не удалившейся во время сушки форм и стержней.

Газы содержатся также в жидких металлах, с понижением температуры которых их растворимость снижается, вследствие чего часть газов выделяется из металла.

Согласно Нехендзи Ю.А. [7] форма со стороны ее полости должна быть минимально газопроницаемой или вовсе негазопроницаемой,  но иметь хорошую газопроницаемость подкрасочного слоя и других ее частей в направлении периферии. Смысл этого положения состоит в том, чтобы воспрепятствовать выходу газов из подкрасочного слоя и других частей в глубине формовочной смеси в полость формы и создать благоприятные условия для выхода выделяющихся из формовочной смеси газов в направлении периферии формы.

В реальных условиях, пока идет заливка, газы выделяются в полость формы, а из нее через элементы литниковой системы – наружу. Но по окончании заливки, когда жидкий металл вошел в соприкосновение со всеми рабочими поверхностями формы, газы отчасти будут двигаться в сторону периферии. Другой поток газов через красочный слой (далее КС) движется в сторону металла и может проникать в него, пока последний достаточно жидкий и имеет достаточно высокую температуру и невысокую вязкость и еще не препятствует газам проникать в него. Это продолжается до тех пор, пока на поверхности оливки не сформируется непроницаемая для газов твердая литейная корка.

Таким образом, для качества отливок, изготавливаемых по обычной, технологи, ситуация наиболее благоприятна, когда значительная часть газов через КС попадает из материала формы в еще не заполненную металлом полость формы, а из нее – наружу. В этом случае свою положительную роль должен сыграть КС формы, толщина которого колеблется от 0,4 до 1,0 мм.

Однако вышеизложенная концепция неприемлема   при изготовлении оливок по технологии ЛГМ, так как главным источником газов в этом случае является полистироловая модель, занимающая будущую полость формы.

Во время заливки метала в форму газы могут выходить из нее через еще не заполненный стояк и выпоры, а также фильтроваться через КС и далее через опорный материал (песок) в сторону периферии.

Для технологии ЛГМ вредна как очень высокая, так и очень низкая газопроницаемость. В первом случае жидкий металл под действием вакуума проникает в подкрасочный слой с образованием механического (металлизированного) пригара, во втором случае весь объем выделившихся газов не удаляется из полости формы, в результате могут образоваться другие дефекты [3]. Потому газопроницаемость КС для ЛГМ должна быть в определенных пределах.

Реальные краски для ЛГМ характеризуются газопроницаемостью от 0 до 60 ед.

Из вышеизложенного вытекает исключительная важность высокодостоверной методики определеня газопроницаемости красочного слоя.

После сушки образцы были окрашены следующими красками:

- Политоп (зеленого цвета).

- Какая – то импортная краска темно – зеленого цвета, полученная на одном из предприятий в г. Змиёве Харьковской обл.

- Водная противопригарная краска марки АПВД – 2 ООО «Рослит»

Испытывались также окрашенные образцы, с которых полноценный красочный слой счищался.

Данные по газопроницаемости неокрашенных образцов приведены в таблице 2

Таблица 3

Газопроницаемость сторонних красок, в том числе импортных.

Газопроницаемость красок

КНПП «Формовочные материалы Украины»

Таблица 4

           В следующей серии экспериментов мы определяем газопроницаемость не только в сыром состоянии, но также и после тепловой сушки испытывавшихся образцов.

          Для определения газопроницаемости противопригарных красок для ЛГМ использовались образцы из следующей смеси, мас.ч:

           кварцевый песок   -   95;

           бентонит порошковый   -   5;

           связующее АЗМОЛ (типа ранее использовавшегося крепителя П) -    2

           водное связующее ЛМ   -   5

           Физико – механические свойства смеси:

        - газопроницаемость     - 196 ед;

       - прочность в сыром состоянии - 0,16 кгс/см²;

       - газопроницаемость образца ф50х25 -256 ед.

Образцы были высушены при 240⁰С в течении одного часа.

       - газопроницаемость сухих образцов ф50х50    - 256 ед.

      - газопроницаемость сухих образцов ф50х25 - 286 ед.

Газопроницаемость образцов без окрашивания:

Образец ф50х50:

Газопроницаемость в сыром состоянии   -   156 ед.

Газопроницаемость в сухом состоянии     -    190 ед.

Образец ф50х25:

Газопроницаемость в сыром состоянии   -   200 ед.

Газопроницаемость в сухом состоянии     -    320 ед.

Анализ вышеприведенных экспериментальных материалов по газопроницаемости позволяет констатировать следующее:

1. Разработанные и опробованные нами методики позволяют объективно и достоверно оценивать газопроницаемость противопригарных красок, в том числе применительно к ЛГМ.
2. Разработанный и производимый Харьковским «УКРГИПРОТЕХМАШЕМ» новейший прибор для определения газопроницаемости значительно упростил определение этой важнейшей характеристики технологи литейного формообразования, позволив «заглянуть» в самые малые значения газопроницаемости.
3. Газопроницаемость формовочных смесей и противопригарных красок в сыром состоянии гораздо ниже, чем после их тепловой сушки.
4. Газопроницаемость окрашенных образцов, с которых, после тепловой сушки, красочный слой был механически удален вплоть до песчаной основы, не увеличивается вовсе или увеличивается незначительно (на несколько единиц).

Этому мы даем следующее объяснение: при окрашивании песчаного образца красочная масса проникает в поры верхней части песчаного образца буквально на глубину песчинки или ее части. При удалении красочного слоя, эта часть красочного слоя не затрагивается. Она остается в порах поверхности песчаного образца, поэтому это обстоятельство не

  сказывается на газопроницаемости окрашенного образца и после снятия всей толщины красочного слоя.

5. Описанное в п.4 явление имитирует то состояние литейной формы, когда при ее заливке красочный слой смывается. При этом не затрагивается освобожденная от красочного слоя поверхность формы, в которой частично сохранилась красочная масса. Благодаря этому не наблюдается значительного ухудшения качества поверхности отливки, образованной обнаженной от красочного слоя части поверхности формы.
6. Газопроницаемость окрашенной полистироловой формы в значительной мере зависит от гранулометрического состава опорного материала (песка, прилегающего к окрашенной полистироловой модели). Это подтвердилось испытаниями приобретенной нами змиевской краски, которая использовалась в сочетании с крупнозернистым песком (0315 – 04), чем обеспечивалось очень высокое качество отливок. Известно, что наибольшее число пользователей технологии ЛГМ использует песок с гранулометрическим индексом 02.
7. Отмечаем в целом значительно более высокие значения газопроницаемости противопригарных красок производства КНПП «Формовочные материалы» (г. Краматорск Донецкой области). Это касается как исходных значений противопригарных красок (при размерах образцов ф50х50), так и тех случаев, когда красочный слой наносился на уменьшенный в 2 раза по высоте образец смеси. Краски ДП2М1, ДП2М2 и ДП2М2А показали более значительную газопроницаемость после удаления красочного слоя (табл. 2).
8. В целом газопроницаемость песчаных образцов в высушенном состоянии примерно на 22 ед. выше, чем сырых образцов

Качество отливок, производимых по любой технологии формообразования, зависит отмножества факторов. Одним из негативных по своим последствиям факторов является вода, каждый кубический сантиметр, которой превращается в 539 см³ пара. Пар, будучи газом, превращается в большую разрушительную силу.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шуляк В.С. Литье по газифицируемым моделям. СПБ «НПО Профессионал», 2007.
2. Foundry Trade y. 1989. 163. №3400. Р. 788 – 7908.
3. Крыжановский Е. Патент ФРГ № 1301440: 03.02./068.
4. Кандидат технических наук Белобров Е.А., инженеры Карпенкова О. Л., Белобров Л.Е., Белобров К.Е., Белобров Е.Л. О газопроницаемости противопригарных красок для ЛГМ. «Литье Украины», 2011, №12.
5. Кандидат технических наук Белобров Е.А., инженеры Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров К.Е., Белобров Е.Л. Определение газопроницаемости противопригарных красок. «Литье Украины», 2007, №7.
6. Иванов В.Н. Словарь – справочник по литейному производству. М., «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1990.
7. Нехендзи Ю.А. Стальное литье «Машгаз» 1948.

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

Литье Украины №11, 2021, с.36-41