CC BY
276
Abstract. Layering and drying the layers in making of refractory shell molds used for shell mold casting, often accompanied by the cracking and exfoliation the formed layers. Increasing the dimensional accuracy of the casting shapes associated with the use of certain methods for the removal of moisture, reduce shrinkage stresses. Current studies are relevant for testing of moisture removal mode.
Keywords: Casting, shell mould, hydrolysis, ethyl silicates, thermoanalyzer, suspension, ashes, silica flour.
♦ ♦ ♦
УДК 621.742
Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Дерябин Д.А., Хренов И.Б.
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ОГНЕУПОРНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ ХОЛОДНОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ
Аннотация. Рассмотрены свойства форм и стержней, получаемых по холоднотвердеющим смесям (ХТС) по AlpHaset (альфа-сет) процессу. Установлены факторы, влияющие на прочность и качество форм. Показана необходимость регенерации использованных смесей и влияние ее на качество отливок. Даны рекомендации двум литейным предприятиям по применению формовочных материалов для изготовления форм и стержней.
Ключевые слова: песок, смола, отвердитель. стержневая смесь, формовочная смесь, регенерация, холоднотвердеющая смесь.
В настоящее время наиболее перспективной является технология получения форм и стержней из холоднотвердеющих смесей (ХТС) по AlpHaset (Альфа-сет) процессу (отверждение жидкими эфирами и лактонами песчано-смоляной (полифенолятной) смеси). Преимущества системы Альфа-сет в наибольшей степени проявляются в стальном литье [1].
Качество форм и стержней, а затем и готовых отливок зависит от многих факторов: качества песков, связующих материалов, технологичности оборудования, дополнительно используемых разделительных и противопригарных веществ, влажности и температуры в производственном помещении. В связи с этим изучение материалов, используемых для изготовления формовочных и стержневых смесей, а также понимание теоретических основ формирования их свойств являются гарантией получения высококачественных отливок.
Кварцевый песок является основой для получения формовочных (до 95% всей массы смеси) и стержневых (95-97%) смесей. Снижение затрат на покупку песков можно добиться, осуществляя их регенерацию. Основное назначение ее состоит в восстановлении зерновой структуры и свойств наполнителей отработанных смесей. Наибольшее распространение при Альфа-сет процессе получил механический способ регенерации, при котором происходит отделение пленок связующего от кварцевых песчинок за счет механического перетирания смеси. Это обеспечивает возможность повторного использования песка в зависимости от вида связующего (Альфа- сет процесс) от 60-70% [2], в некоторых случаях до 90% [1].
© Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Дерябин Д.А., Хренов И.Б., 2016
Но при механической регенерации не всегда возможно удалить полностью из песка остатки плёнок связующего, а также происходит истирание песчинок и теряются его первоначальные свойства.
Целью исследования является изучение свойств огнеупорного наполнителя холоднотвердеющих смесей двух заводов на связующем Альфабонд при производстве стальных отливок.
В работе изучали ХТС с применением песка регенерированного (завод №1); отработанного (возврат) и сырого (завод №2). В качестве связующего в исследуемых смесях применяется резольная фенолфор-мальдегидная щелочная водорастворимая смола Аль-фабонд 8531 и отвердитель марки Т-00 (производства ООО «Уралхимпласт - Хюттенес Альбертус»). ХТС, изготовленные с применением этих материалов, являются нетехнологичными. На обоих заводах наблюдали перерасход смолы и отвердителя.
Исследуемые материалы (расходы Альфабонд 8531 1,6% от веса песка; отвердитель марки Т-00 26,0% от веса смолы) на обоих заводах одинаковы и их используют для производства стальных отливок.
На литейном заводе № 1 в следующих соотношениях: облицовочная и стержневая смесь: песок кварцевый ЖЮ1О3 (100 %), смола; наполнительная смесь: песок кварцевый ЖЮ1О3 (20%), регенерат (80%).
На заводе № 2 регенерацию отработанной смеси не производят, используют в качестве огнеупорного наполнителя песок кварцевый 5К4О4О3 (60%) и возврат (40%).
Чтобы выбрать подходящие пески, связующие материалы, а также определить подходящие условия изготовления ХТС, необходимо провести технологические лабораторные испытания [3].
Контроль связующих материалов ограничивают небольшим набором показателей для смол и отверди-телей (катализаторов). Обычно определяют внешний вид, вязкость и плотность смол. Исследуемые материалы - смола Альфабонд 8531 и отвердитель Т-00 соответствуют этим нормам.
Высокие требования предъявляют к формовочным пескам. Причем выше, чем требования к традиционно применяемыми в России жидкостекольными и песчано-глинистыми смесями, для которых они достаточно хорошо изучены, описаны и приведены в литературе [4].
Требования, предъявляемые Альфа-сет процессом к регенерированному песку, заключаются в определении трёх основных показателей: зернового состава, изменения массы при прокаливании и предела прочности при растяжении.
Основной характеристикой формовочного песка является его зерновой состав. Выяснили, что при работе с песками со средним размером зерна 0,2-0,3 мм и при избытке мелких фракций - «мелочи» (условно принято 0,125 мм и менее) прочность ХТС падает вплоть до нулевых значений при типичных и даже завышенных концентрациях связующего, что приводит к снижению газопроницаемости и другим эффектам, связанных с тенденцией к развитию удельной поверхности песка, повышенной пористости и извилистости капилляров в теле формы (стержня). А высокое содержание крупных фракций приводит к ухудшению чистоты поверхности отливки. Установлено, что если средний размер зерна 0,20-0,25 мм, то максимальное содержание «мелочи», не приводящее к весьма заметной деградации свойств смеси, ограничивают в районе 6%.
Влажность песка, пригодного для Альфа-сет формовки, должна составлять менее 0,3%, фирма ООО «Уралхимпласт - Хюттенес Альбертус» для смолы Альфабонд рекомендует не превышать 0,5%.
Формовочные пески, применяемые в смоляных процессах, должны по возможности содержать мини-
мальное количество глинистой составляющей для исключения тенденции к снижению механических свойств формовочной смеси и увеличению расхода связующих. Согласно многочисленным рекомендациям при работе с ХТС содержание глинистой составляющей не должно превышать 0,5 % [2]. В Европе и США литейные производства стремятся работать на песке с содержанием глинистой составляющей менее 0,2% [3].
Другим не менее важным показателем качества восстановленного песка является изменение массы при прокаливании (ИМПП). Оно позволяет оценить загрязнение песка легкоплавкими неорганическими и органическими веществами. Приемлемые значения изменения массы при прокаливании для свежего песка обычно составляют до 0,3 %. Для механически регенерированного песка (фуран, фенольная смола эфирного отверждения) 2-3% - этот, и даже более высокий, уровень ИМПП вполне приемлем при заливке цветных сплавов и чугуна. Для сталей желательно поддерживать ИМПП не более 2% [1], во избежание науглероживания поверхностного слоя отливок.
Требования, рекомендуемые фирмой ООО «Уралхимпласт - Хюттенес Альбертус» к регенерированному песку, представлены в табл. 1.
Результаты исследования показали (табл. 2), что для регенерата изменение ИМПП при прокаливании приближается к критическим значениям, а в отработанном - превышают критические значения более чем в 1,5 раза. Содержание мелких пылевидных фракций во всех исследуемых песках, кроме сырого (завод № 2), несколько выше критических значений, что приводит к ухудшению прочностных характеристик ХТС.
Кроме того, обнаружен калий, являющийся вредной примесью в ХТС, поскольку его соединения взаимодействуют с содержащимися на поверхности песка минералами, образуя вещества, плавящиеся при относительно невысоких температурах, что снижает огнеупорность и горячую прочность смеси.
Наименование показателя Пределы нормы Критические значения выше нормы Дефекты литья, возникающие при превышении указанными параметрами допустимых норм
ИМПП, % 1,0-2,0 (для стали) 2,0-4,0 (для чугуна) 4,0 Газовые дефекты, пригар
Содержание оксида калия, % < 0,18 >0,18 Засоры, пригар
рН водной вытяжки 8-10 >10
Содержание мелких пылевидных фракций, % 0,5-1,0 >1,0 Повышенная осыпаемость стержней и форм, засор
Таблица 1
Требования к физико-химическим показателям регенерата на связующем Альбафонд
Таблица 2
Физико-химические показатели огнеупорного наполнителя
Наименование показателя Песок
сырой регенерат возврат
Завод
№1 №2 №1 №2
Влажность 1050С,% 0,15 0,06 0,42 0,73
Изменение массы при прокаливании (ИМПП), % 0,29 0,33 3,2 5,6
Содержание оксида калия, % 0,05 0,07 0,17 0,13
рН водной вытяжки 6,8 7,2 9,1 10,2
Содержание мелких пылевидных фракций, % 1,4 0,7 1,5 1,3
Калий накапливается в механически регенерированном песке в условиях его использования с феноль-ной смолой эфирного отверждения [5], что подтверждается результатами анализа регенерата и возврата. В этих песках одновременно с калием накапливается натрий (табл. 3), и в отработанном песке его содержание значительно выше, чем в других исследуемых песках.
Фенольные смолы, в том числе и смола Аль-фабонд, представляют собой фенолформальдегидный олигомер, переведенный вследствие избытка щелочи (гидроксида калия или гидроксида натрия) в форму полифенолята. Для этой смолы отвердителем является ацетат глицерина. При взаимодействии смолы с отвердителем под действием щелочи, содержащейся в смоле, происходит гидролиз сложного эфира. При гидролизе ацетата глицерина образуется уксусная кислота и глицерин. Образующаяся в результате гидролиза кислота вызывает поликонденсацию (отверждение) фенольного резола с образованием сшитого нерастворимого полимера. Побочным продуктом данного процесса является сложноэфирная соль щелочного металла. Исходя из этого, калий присутствует в регенерате в составе нерастворимого полимера и соединений, хорошо растворимых в воде (гидроксида и органических солей).
Путем термического анализа определили, при каких температурах выгорают растворимые и нерастворимые органические соединения (200-800оС). Водорастворимые соединения калия и натрия можно удалить в результате промывания формовочной смеси водой. После промывки водой оказалось, что остаются только нерастворимые пленки органического свя-
зующего. Промывка песка снижает примерно наполовину содержание в нём калия и практически полностью удаляет натрий (см. табл. 3).
При промывке песка, как показали дальнейшие исследования, в воду частично переходят мелкие пылевидные фракций нерастворимых плёнок связующего и все органические соли. Этот вывод сделан на основании результатов термического анализа осадка (часть про-
мывных вод вместе с перешедшей в неё нерастворимой мелкой фракцией высушена на воздухе).
Смеси характеризуются многообразием свойств, определяющих качество отливки. Однако решающим на стадии после изготовления формы и её выбивки являются механические свойства, определяющие их способность сопротивляться деформациям и разрушению. К основной группе испытаний формовочных смесей на органических связующих следует отнести установление прочностных показателей, например предел прочности на растяжение. Для контроля этих свойств изготавливают стандартные образцы, которые через определённые промежутки времени подвергаются разрушению на разрывной машине.
При приготовлении смеси в качестве наполнителя использован кварцевый песок марки 1К1О1О3. Учитывая то, что он содержит мелкую пылевидную фракцию, проведен его рассев в соответствии с ГОСТ 29234.0 - 91. Смесь приготовлена традиционным для ХТС способом. На 100 м. ч. кварцевого песка добавляли 0,4 м. ч. водного раствора катализатора, смесь тщательно перемешивали в течение 2 мин, потом к этой смеси добавляли 2,0 м.ч. связующего и снова тщательно перемешивали 45-50 с. Прочность смесей испытывали на растяжение после 1 ч твердения.
Таблица 3
Химический состав песка
Массовая доля, % Песок
1К1О2О2.5 регенерат возврат мытый
№1 №2 №1 №2 №1 №2
SiO2 98,9 97,7 95,3 89,9 97,9 92,4
Fe2Oз 0,069 0,30 0,13 0,39 013 0,37
А12О3 0,59 1,28 0,47 0,75 0,46 0,65
К2О 0,055 0,11 0,17 0,14 0,10 0,08
Na2O 0,037 0,04 0,60 2,34 0,02 0,03
СаО 0,26 0,036 0,02 0,09 0,05 0,07
МдО 0,02 0,42 0,05 0,09 0,02 0,06
Известно, что на живучесть, время твердения и начальную прочность смеси существенное влияние оказывает температура окружающего воздуха и исходных ингредиентов. Оптимальной температурой для ХТС считается 15-25°С. Однако при температурах +10 - 15 оС и ниже живучесть смесей (Альфа-сет процесс) резко возрастает, скорость твердения снижается и прочности падают [7]. При работе в теплых условиях необходимо учитывать, что температура смеси должна быть ниже 35°С и применять более медленные отвердители.
Данные о влиянии температуры на свойства исследуемой смеси представлены на рис.1
Рис. 1. Зависимость прочности формовочной смеси от окружающей температуры
Из данных рис. 1 видно, что наилучшими прочностными показателями обладают ХТС при температуре 25°С. При повышении температуры теряется живучесть смеси, а при меньшей температуре замедляется отверждение. Такая температура записана в гостовских требованиях по приготовлению ХТС.
На заводе №2 регенерацию отработанной смеси не производят и в произвольном соотношение добавляют новый песок. Для нахождения оптимального соотношения провели ряд испытаний с разным соотношением нового и отработанного песка (рис. 2).
Испытания показали, что наличие даже небольшого количества отработанного песка вызывает существенное снижение прочности на разрыв. Низкие адгезионные свойства отработанного песка (завод 2) ограничивают его повторное использование.
Таким образом, периодическую проверку прочности смеси на разрыв необходимо проводить для контроля за характеристиками повторного связывания восстановленного песка, а также для регулировки добавления свежего песка в систему.
Заключение
Проведя комплексное исследование формовочных материалов для ХТС, установили:
- смола и отвердитель, поставляемые на оба завода, соответствуют как требованиям ГОСТ, так и техническим условиям, имеющимся на заводах;
- не соблюдается температурный режим приготовления смесей в цехах обоих заводов, что приводит к снижению прочностных свойств формовочной и стержневой смесей и вызывает перерасход смолы и отвердителя в процессе получения необходимой прочности форм;
- отсутствие регенерации (завод № 2) и неконтролируемое добавление регенерата в смесь не способствуют повышению прочности смеси и качеству отливок (на заводе наблюдают пригар стальных отливок);
- механическая регенерация не полностью способствует подготовки песка к повторному использованию из-за наличие в регенерате калия и натрия, которые способствуют появлению пригара на отливках.
Список литературы
1. Гросс И., Иольдерт Ф. Механизированные формовочные установки с холоднотвердеющими смесями // Литейное производство и технология литейного дела. 2010. С. 14-17.
2. Евтушенко Н.С. Исследование свойств регенерируемых песков. Харьков: Вюшк НТУ «XIII», 2013. № 43 (1016). С. 99-103.
3. Бройтман О.А., Бусби Э.Д., Стэнклиф М.Р. Современные методы испытаний формовочных материалов и песчано- смоляных смесей // Литейщик России. 2009. №8. C. 20-34.
4. Рыжков И.В., Толстой В.С. Физико-химические основы формирования свойств смесей с жидким стеклом. Харьков: Вища школа, 1975. 140 с
5. Пат. 3478191, МКИ В 22 С 5/08 Способ гидрогенерации песков из отработанных смесей литейных цехов / А.А. Шпектор, В.А. Сафронов, В.Н. Скорняков и др. 15.06.84.
Рис. 2.Зависимость прочности ХТС от содержания отработанной смеси
Сведения об авторах
Вдовин Константин Николаевич - д-р техн. наук, проф., зав. кафедры литейного производства и материаловедения, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: vdovin@magtu.ru.
Феоктистов Николай Александрович - канд. техн. наук, ст. преп. кафедры литейного производства и металловедения, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. Email: fina87@mail.ru.
Дерябин Даниил Андреевич - студент кафедры литейного производства и металловедения, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия.
Хренов Иван Борисович - студент кафедры литейного производства и металловедения, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
THE STUDY OF THE PROPERTIES OF REFRACTORY FILLER COLD-MIXES
Vdovin Konstantin Nikolaevich - D.Sc. (Eng.), Professor, Head of the department of Materials Science and foundry, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: vdovin@magtu.ru.
Feoktistov Nikolai Aleksandrovich - Ph.D. (Eng.), Assistent Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: fina87@mail.ru.
Deryabin Daniil Andreevich - student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Hrenov Ivan Borisovich - student Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Abstract. The properties of molds and cores obtained by cold-hardening mixtures (XTC) AlpHaset (alpha set) process. The factors affecting the strength and quality of the forms. While Zana the need for regeneration of the used mixtures and its influence on the quality of the castings. Given the recommendation of two foundries for the application of mold material for making molds and cores.
Keywords: sand, resin, hardener. a core mixture, molding the mixture, regeneration, cold notogawa mixture.
♦ ♦ ♦
УДК 669
Давыдов Н.Г., Лямзин В.А.
СТАЛЬ 75Г13Л ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ГОРНОГО И ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Аннотация. Основным видом брака отливок из стали 110Г13Лявляются горячие и холодные трещины, на долю которых приходится от 40 до 70% общего количества брака. Предложено для деталей горного оборудования отливать детали из стали 75Г13Л вместо 110Г13Л. Установлено, что стойкость деталей, отлитых из стали 75Г13Л, выше по сравнению с аналогичными деталями, изготовленными из обычной высокомарганцевой стали 110Г13Л. Ключевые слова: отливка, сталь, брак отливок.
Высокомарганцевая сталь 75Г13Л, разработанная в Норильском индустриальном институте совместно с Норильским горно-металлургическим комбинатом (НГМК), имеет следующий химический состав, %: 0,70-0,80 С; 12,5-14,5 Мп; < 0,5 Si; <0,085 Р, при соотношении Мп:С >15 и Mn:(C+Si) > 9,5. Соблюдение соотношений Мп:С > 15 и Mn:(C+Si) > 9,5 является обязательным. При несоблюдении этих соотношений в структуре стали появляются (образуются) карбиды, и в этом случае детали из такой стали надо будет подвергать термической обработке (закалке) для растворения образовавшихся карбидов. В литом состоянии, т.е. без термической обработки, эта сталь имеет чисто аустенитную структуру и, следовательно, отливки из неё не требуют закалки. Прочность этой стали составляет 500-580 МПа, а твёрдость 180-200 НВ. Склонность стали 75Г13Л к поверхност-
© Давыдов Н.Г., Лямзин В.А., 2016
ному упрочнению (наклёпу) в «сыром» состоянии практически такая же, как и у закаленной стали 110Г13Л. Обладая высокой ударной вязкостью как при положительной, так и при отрицательных температурах (1,8-2,8 МДж/м2 при +20°С и 0,8-1,36 МДж/м2 при
-40°С) и чисто аустенитной структурой, эта сталь характеризуется практически полным отсутствием склонности к трещинообразованию. Условная температура хладноломкости этой стали (т.е. температура, при которой её ударная вязкость составляет примерно 50% от её величины при +20°С) находится в пределах от -35 до -45°С.
Как известно из практики литейного производства, основным видом брака отливок из стали 110Г13Л являются горячие и холодные трещины, на долю которых приходится от 40 до 70% от общего количества брака [1-4].
Механическим заводом НГМК было отлито из
