Лако-красочные материалы — производство

Чистота поверхности

ЖСС, при соблюдении технологии, обеспечивают чистую по­верхность отливок из различных видов сплавов, удовлетворяющую требованиям производства. Вместе с тем уже обращалось внима­ние на повышенную пористость ЖСС и опасность образования металлизированного пригара, особенно в тепловых узлах отливок. Поэтому для получения требуемой чистоты поверхности отливок необходима тщательная, как правило, двухразовая окраска стерж­ней и форм.

На плотности и пористости ЖСС и их связи с чистотой поверх­ности отливки следует остановиться несколько подробнее. Пори­стость ЖСС, как отмечалось выше, в большой мере зависит от интенсивности и продолжительности перемешивания. По данным работы [10], увеличение продолжительности перемешивания смеси с 3 до 7 мин снижает плотность смеси с 1,284 до 1,194 г/см3 и, следовательно, повышает пористость на 5%. Так как жидкая смесь способна самоуплотняться, пористость ее изменяется по высоте стержня или формы. Так, разница в плотности нижних и верхних слоев смеси на высоте 1000 мм, составляет 6—7%. После кантовки залитого смесью стержневого ящика верхняя часть стержня по заливке смесью с более высокой пористостью оказывается в ниж­ней части отливки и подвержена повышенному ферростатическому давлению, что может вызвать дополнительные трудности в полу­чении чистой поверхности. С учетом всех этих обстоятельств сле­дует избегать излишне большой текучести и длительного переме­шивания смеси. Для лучшего заполнения смесью оснастки целе­сообразно применять ЖСС с умеренной, а то и пониженной текучестью в сочетании с механическим воздействием на смесь, например, вибрацией.

Применение мелкозернистых песков в составе ЖСС значительно улучшает чистоту поверхности отливок, в то время как, по дан­ным работы [10], введение в жидкую смесь мелкозернистых мате­риалов, таких, как маршаллит, циркон и др., увеличивает пори­стость и ухудшает чистоту поверхности.

Стержни и формы из ЖСС для стального литья окрашивают самовысыхающими или водными красками на основе высокоогне­упорных наполнителей (циркона, корунда, рутила и др.), а для чугунного литья — графитовыми, графито-коксовыми или таль­ковыми противопригарными красками.

Тонкостенные стальные отливки небольшой массы (примерно до 500 кг) с чистой поверхностью можно получать в формах из ЖСС на жидком стекле без окраски. По тем же данным известные составы самовысыхающих красок на органических связующих с упомянутыми наполнителями способны предотвратить пригар на сравнительно небольших по массе и толщине стенок отливках: стальных — со стенками толщиной до 50 мм и чугунных — до 100 мм. Разработанные в последнее время самовысыхающие краски на кремнийорганической смоле К-9 и КМ-9К значительно расширяют эти возможности.

Применяя водные противопригарные краски, можно получать толстостенные и массивные отливки; толщина стенок стальных отливок может достигать 120—150 мм, а чугунных 300 мм.

Применение жидких смесей при изготовлении крупных сталь­ных и чугунных отливок со стенками толщиной больше указан­ной, за редким исключением, не обеспечивает получения доста­точно хорошего качества поверхности и необходимой размерной точности.

Обычно наиболее опасными, в смысле образования пригара, участками отливки являются так называемые тепловые узлы. При использовании ЖСС трудности борьбы с пригаром в этих местах еще больше возрастают. Поэтому участки стержней и форм из ЖСС, выполняющие тепловые узлы отливок, рекомендуется по­крывать проникающими противопригарными красками, разра­ботанными в ЦНИИТмаше, с последующим нанесением обычной покровной краски. Проникающие краски готовят на основе тонко­дисперсных огнеупорных материалов, измельченных до размера частиц 10—20 мкм.

Размерная точность отливок

Длительной производственной практикой установлено, что при изготовлении с применением ЖСС отливок средней массы при от­носительно небольшой толщине стенок их размерная точность по­вышается. Поскольку затвердевание жидкой смеси происходит не­посредственно в стержневом ящике или на модели, то нет необ­ходимости в расталкивании формы при извлечении модели, исклю­чается деформация стержней и форм из-за их осадки, транспорти­ровки и длительной тепловой сушки. При изготовлении тонкостен­ных отливок больших габаритных размеров устраняется коро­бление.

При производстве изложниц традиционными способами наблю­дается волнистость стенок отливок, вызванная неравномерным уплотнением песчано-глинистой смеси. Применение ЖСС позво­ляет получить равномерную плотность по всей высоте формы и стержня, поэтому отмеченные дефекты на отливках изложниц, полученных этим способом, не встречаются. На эту особенность жидких смесей указывает, в частности, английская фирма, приме­няющаяся ЖСС по советской лицензии. Фирма отмечает [87], что наиболее примечательной особенностью отливок, полученных с применением ЖСС, является их точность. По данным предприя­тия, внедрившего жидкие смеси с синтетической смолой на алю­миниевом литье, качество поверхности и точность отливок значи­тельно повысились и приближаются к качеству и точности отли­вок, получаемых в оболочковых формах и по выплавляемым моделям; брак отливок по короблению, засорам и ужиминам сни­зился.

В то же время при изготовлении в формах и стержнях из ЖСС крупных стальных и чугунных отливок часто отмечается увели­чение массы литых изделий и нарушение их размерной точности.

Работами, выполненными в ЦНИИТмаш В. С. Андриановым и И. В. Валисовским, а в Харьковском политехническом институте В. И. Ковалевым и И. В. Рыжковым, было показано, что увели­чение массы отливок вызвано деформацией ЖСС при высоких тем­пературах. Кривая деформации ЖСС на жидком стекле при на­греве под нагрузкой, по данным первых двух авторов, приведена на рис. 106. В области температур 600—700° С наблюдается зна­чительная усадка смеси. После стабилизации деформации в интер­вале 700—900° С вследствие образования новых соединений, при нагреве до температур выше 900° С отмечается дальнейшее уве­личение усадки под нагрузкой из-за превращения и расплавления продуктов реакции. Повышенная деформация жидких смесей объясняется особенностями их структуры — более высокой, чем у обычных уплотняемых смесей, пористостью.

Исследованиями В. С. Андрианова и И. В. Валисовского уста­новлено, что существенное влияние на деформацию ЖСС оказы­вает исходная пористость смеси и металлостатическое давление. Так, при изменении первоначальной пористости смеси с 44 до 57% усадка нагруженного образца в области 600—700° С возра­стает с 1 до 23%, а изменение внешней нагрузки в пределах от 0,1 до 1,5 кгс/см2 увеличивает усадку при тех же температурах с 1 до 13%. В процессе исследований зафиксировано также уве­личение толщины стенок отливок, изготовленных в формах из ЖСС. Те же исследователи на основе результатов лабораторных
и производственных исследований пришли к следующим важным выводам. При производстве отливок массой до 5 т, высотой до 1000 мм и толщиной до 25 мм для стали (и 35 мм для чугуна) нет необходимости применять специальные меры для учета деформа­ции форм из ЖСС. Отмечающиеся при этом отклонения по разме­рам отливок находятся в пределах, допускаемых ГОСТ 2009—55.

Если деформация формы превышает допустимые значения, авторы рекомендуют вводить в жидкую смесь ряд добавок, устра­няющих или сокращающих деформацию смеси. Из числа таких добавок лучшими являются: кремнефтористый натрий в количе­стве 0,5% от массы смеси, полностью исключающий деформацию в интервале 600—700° С, глиноземсодержащие материалы (боксит, корунд) в количестве 3%, уменьшающие деформацию на 50— 55% по сравнению с исходной смесью.

Особенно эффективным средством борьбы с деформацией ЖСС является применение проникающих красок и растворов термо­стойких материалов (смол К-9, КМ-9К, этилсиликата) для про­питки поверхностного слоя формы или стержня. Проникающие краски, снижая пористость смеси, резко уменьшают ее деформа­цию при нагреве. С помощью прони­кающих красок и термостойких крем — нийорганических смол деформацию жидкой смеси можно снизить до уровня деформации уплотненной сме­си, т. е. до обычных значений. Дей­ственность некоторых из перечислен­ных рекомендаций по снижению деформации смеси иллюстрируется данными рис. 138 и 139, получен­ными в работе В. С. Андрианова и И. В. Валисовского.

В случае изготовления с приме­нением ЖСС более крупных и мас­сивных отливок может произойти подутие формы с увеличением тол­щины стенок отливки. Во избежание увеличения массы отливок необхо­димо осуществлять корректировку моделей.

П. И. Побежимовым и В. Н. Ро­машкиным проведена работа и даны соответствующие рекомен­дации по определению размеров моделей отливок изложниц при изготовлении их с применением ЖСС, обеспечивающих получение необходимой размерной точности. Для определения коэффициен­та усадки ими предложены расчетные формулы:

Для внутренних размеров модели

Еу. п^е + о. о1-^;

Для наружных размеров модели ву. п = Е—0,01—,

Где еу.„ —коэффициент усадки, учитывающий усадку металла и подутие формы; е — относительная линейная усадка отливки; L — толщина стенки отливки; Ав и Ан — внутренние и наруж­ные размеры изложницы в поперечном сечении.

Значение е зависит от свойств чугуна, конструкции изложницы и технологии изготовления отливки. На разных заводах вели­чина е колеблется в пределах 0,006—0,010.

Для приближенных расчетов приняты средние значения вели­чин е= 0,008 и L : Ав = L : Аа 0,3. Тогда для внутренних размеров

Еу. „ = 0,008 + 0,01-0,3 = 0,011;

Для наружных размеров

Еу. „ = 0,008 — 0,01 • 0,3 = 0,005.

Таким образом, при изготовлении моделей для получения форм из ЖСС рекомендуется принимать усадку по внутренним размерам ~1,1%, по наружным размерам —0,5%.

Путем сравнения фактических толщин стенок изложниц с тол­щинами стенок моделей применительно к отливкам массой от 15 до 25 т упомянутыми авторами было установлено, что подутие формы из ЖСС практически не зависит от величины ферростати — ческого напора, а величина подутия значительно меньше отклоне­ний по толщине стенок (=tl0 мм), допускаемых техническими условиями.

Деформация ЖСС зависит также от Природы Связующего. Из известных разновидностей ЖСС максимальную деформацию имеют смеси на основе жидкого стекла, минимальную — смеси на фос­фатном связующем; жидкие цементные смеси и смеси на основе СДБ с алюминатным отвердителем по величине деформации зани­мают промежуточное положение.

Деформация ЖСС под воздействием ферростатического давле­ния, помимо снижения размерной точности, может привести к воз­никновению на чугунных отливках, особенно на отливках из вы­сокопрочного чугуна, усадочных раковин или утяжин. Для их устранения иногда приходится прибегать к установке на отливках питающих выпоров или даже небольших прибылей.

Помимо снижения размерной точности деформация ЖСС под воздействием ферростатического давления, может привести к на­рушению слоя противопригарного покрытия и ухудшению каче­ства поверхности отливок.

Дефекты отливок,

Встречающиеся при применении ЖСС

Горячие трещины. Многолетней производственной практикой применения ЖСС установлено, что хорошая податливость смесей позволяет полностью предупредить образование горячих трещин на стальных отливках. Из заводского опыта известно много слу­чаев, когда склонные к образованию горячих трещин тонкостен­ные стальные отливки не удавалось получить годными до тех пор, пока не стали применять жидкие смеси. Характерным примером может служить тонкостенная отливка тройника из специальной стали массой 400 кг с толщиной стенок 20—25 мм (ДЗМО). Изго­товление стержней из всех известных на заводе стержневых сме­сей приводило к образованию на отливках тройников горячих трещин. Последние были устранены только после того, как для изготовления стержней стали применять жидкие смеси. По дан­ным этого завода [52], после освоения жидких смесей количество дефектов фасонного стального литья по трещинам снизилось на 30%.

Газовые раковины. При соблюдении технологии и высокой газопроницаемости с применением ЖСС без тепловой подсушки снижается брак и количество дефектов по газовым раковинам, в то время как при нарушении технологии и при низкой, а то и пуле­вой газопроницаемости ЖСС дефекты и брак по газовым раковинам могут резко возрасти. Опасаясь этого (а часто просто для перестра­ховки) некоторые заводы идут по пути тепловой подсушки или сравнительно длительной сушки стержней из ЖСС (в течение 4—5, а то и больше). О возможности изготовления с применением ЖСС отливок ответственного назначения хорошего качества из различ­ных видов сплавов без тепловой подсушки или сушки стержней и форм (кроме подсушки водных красок) свидетельствует длитель­ная практика работы ряда заводов СССР и зарубежных фирм.

Ужимины, песочные раковины, неметаллические включения.

Повышенная пористость смеси и однородная плотность стержней и форм из ЖСС исключают также образование ужнмин, обычно часто встречающихся на чугунном литье.

При использовании ЖСС редко обнаруживаются на отливках песочные раковины или засоры, кроме тех случаев, когда из-за нарушения рецептуры или применения некондиционных материа­лов смесь имеет низкую прочность и повышенную осыпаемость. Соприкасаясь с жидким металлом смесь слегка ошлаковывается и довольно стойко сопротивляется эрозионному воздействию ме­талла. Именно этим можно объяснить успешное использование ЖСС на жидком стекле для изготовления литниковых чаш и даже футеровки ковшей для разливки металла.

Жидкие смеси способствуют также снижению неметаллических включений в отливках.

К специфическим дефектам, иногда встречающимся на отлив­ках изложниц, изготовленных с применением жидких смесей, сле­дует отнести ужимииы или плены, возникающие из-за недоста­точно прочного сцепления относительно толстого слоя коксогра — фитовой краски с поверхностью стержня из ЖСС [59]. Как по­казали исследования, прочность связи красочного слоя со смесью и образование ужимин зависят прежде всего от способа нанесения противопригарных покрытий и режимов их сушки. По эксперимен­тальным данным, ужимины не возникают, если прочность сцепле­ния краски с ЖСС составляет более 0,13 кгс/см2. Образования та­кого рода ужимин или плен можно полностью избежать, изменяя способ окрашивания стержней и применяя промежуточные покры­тия перед нанесением краски (например, раствор жидкого стекла или СДБ), резко повышающие прочность ее сцепления со смесью.

Условия охлаждения и формирования отливок в формах из ЖСС

Специфической особенностью ЖСС является повышенная по­ристость из-за большого воздухововлечения при их приготовле­нии. Так, объемная масса ЖСС после затвердевания колеблется в пределах 1,30—1,45 г/см3, в то время как объемная масса уплот­ненных песчано-глинистых смесей составляет 1,62—1,70 г/см3. Вследствие этого теплофизические свойства песчано-глинистых и жидких самотвердеющих смесей различны и, следовательно, переход от традиционной формовки к технологии ЖСС может из­менить скорость охлаждения отливки и условия кристаллизации сплава.

По данным И. Б. Куманина [33], коэффициент теплоаккуму — лирующей способности песчано-глинистых смесей в зависи­мости от величины пористости находится в пределах 22— 25 ккал/(м2.ч1/2.°С), а по данным работы [49] он колеблется от 23,6 до 25,4 ккал/(м2.ч1/2.°С).

В. Н. Ромашкин [601 исследовал (для условий охлаждения чугуна) теплофизические свойства ЖСС, состоящей (мае. ч.) из 95 Люберецкого песка, 5 феррохромового шлака, 6,0—6,2 жидкого стекла, 0,1 ДС-РАС и 1,8—1,9 воды. По его данным, Ьф = 20 ч — ч-22 ккал/(м2.ч1/2.°С), а = 0,0015 +0,0017 м2/ч, к = 0,8ч — ч-0,9 ккал/(м. ч.°С). В той же работе [60] определялась продолжи­тельность полного затвердевания металла в изложницах массой от 3,4 до 12 т, изготовленных с применением ПГС и ЖСС (табл. 51).

Из анализа полученных данных видно, что по крайней мере для условий изготовления изложниц разница в продолжительности затвердевания отливок в формах из песчано-глинистых смесей и ЖСС незначительна и что вряд ли ЖСС могут оказать влияние на структуру металла изложниц и на их стойкость. Это и подтверж­дается опытом Орско-Халиловского металлургического комбината и «Запорожстали», применяющих ЖСС при производстве изложниц.

По данным уже упоминавшейся работы [49], разница между теплофизическими свойствами песчано-глинистых смесей и ЖСС более существенна: у ЖСС они примерно в 1,3 раза ниже, чем у песчано-глинистых смесей.

Длительная практика применения ЖСС на Коломенском за­воде тяжелых станков показала [49], что номограммы для опре­деления времени выдержки крупных станочных отливок в формах из песчано-глинистых смесей неприем­лемы для форм из ЖСС. Новая но­мограмма была построена путем обоб­щения данных по охлаждению в формах около 70 станочных огливок массой от 3 до 70 т. За эталонную принята номограмма для условий из­готовления отливок полностью с при­менением песчано-глинистых смесей.

Для определения выдержки от­ливок, полученных частично или пол­ностью по ЖСС, рекомендуется найденное по эталонной номограмме время выдержки умножить на следующие коэффициенты: для от­ливок, изготовленных полностью по ЖСС, на 1,46; для случая, если форма из песчано-глинистой смеси, а стержни из ЖСС — на 1,34.

Те же авторы отмечают, что теплофизические свойства ЖСС влияют на условия кристаллизации, образования усадочных ра­ковин и усадочной пористости.