СОСТАВ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПРОТИВОПРИГАРНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ И ПРОТИВОПРИГАРНОЕ ПОКРЫТИЕ НА ЕГО ОСНОВЕ
COMPOSITION FOR PREPARATION OF NON-STICK COATING FOR CASTING MOLDS AND RODS AND NON-STICK COATING ON ITS BASIS

Область техники
Изобретение относится к области литейного производства, в частности к составам для приготовления противопригарных покрытий при изготовлении отливок из чугуна, стали, цветных металлов и сплавов, а также различным покрытиям, выполненным на основе составов. Заявляемое противопригарное покрытие может быть использовано для покрытия моделей в литье и покрытия литейных форм по газифицируемым моделям, холоднотвердеющим смесям, вакуумно-пленочного литья, литья в кокиль и центробежного литья, а также для покраски и ремонта кокилей, в качестве пасты для ремонта воротников печей и ковшей.
Уровень техники
Качество литой поверхности во многом определяет качество и свойства отливок. При улучшении качества поверхности повышается точность отливок, сокращается трудоемкость очистных работ, улучшается обрабатываемость, уменьшаются припуски на механическую обработку. Качество поверхности отливки оценивается по шероховатости, наличию поверхностных дефектов в виде пригара, наростов, плен, ужимин и т. д. Пригар представляет собой слой формовочной или стержневой смеси, прочно удерживаемый на поверхности отливки и резко ухудшающий качество поверхности отливки.
Для предотвращения появления пригара на чугунных отливках в формовочную смесь вводят каменноугольную пыль, мазут и другие углеродистые добавки. Противопригарное действие каменного угля и других углеродистых добавок (например, графитсодержащих добавок) связывают с созданием в полости формы восстановительной атмосферы и образованием пиролитического («блестящего») углерода при температуре 600°С. Восстановительная атмосфера препятствует протеканию окислительных реакций, пиролитический углерод оседает в виде прочной пленки на зернах кварца, которая не смачивается ни металлом, ни его оксидами и затрудняет внедрение металла в поры формовочной смеси (https://extxe.com/383/protivoprigarnye-dobavki-i-pokrytija-litejnyh-form/).
Для предотвращения пригара на поверхности отливок также используют припылы, различные пасты и краски. В качестве припылов для стального литья применяют: маршалит, дистенсиллиманит; для чугунного литья - графит; для цветного литья - тальк. Для покрытия поверхностей крупных литейных форм используют пасты, изготовленные на основе припылов.
Наибольшее распространение получили краски, которые представляют собой суспензии - дисперсные структуры, включающие огнеупорный наполнитель (основу), связующее, специальные добавки и растворитель. В качестве огнеупорной составляющей как основы красок используют по видам сплавов те же минералы, что и в припылах. В качестве связующих в красках широко используются неорганические и органические материалы. В качестве неорганических связующих используются, например, глина и жидкое стекло. Различают три класса органических связующих в зависимости от температуры их термодеструкции. При разработке термостойких покрытий предпочтение отдают связующим с температурой термодеструкции 180…250°С и кремнийорганическим смолам с температурой термодеструкции 250…500°С (полифенилсиликсоновая - Ф-1, полиметилсиликсоновая - КМ-9к).
Многолетняя практика производства литых металлических изделий с использованием форм выработала основные требования к противопригарным покрытиям, наносимым на поверхность форм или стрежней. Противопригарные покрытия, в общем случае, представляют собой суспензию, состоящую из порошкообразного огнеупорного наполнителя, связующего компонента и стабилизатора, равномерно распределенных в дисперсионной среде (воде или иных растворителях). Основные требования к таким покрытиям: достаточная огнеупорность, высокая седиментационная устойчивость, хорошая кроющая способность и тиксотропия при высокой прочности сцепления с поверхностью форм и стержней. С учетом указанных требований создано множественное количество составов противопригарных красок под конкретные составы формовочных смесей и вид литья (стального, чугунного и цветного) (Справочник по чугунному литью. /Под ред. д-ра техн. наук Н. Г. Гиршовича. - 3-е изд. Перераб и доп.- Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1978. - 758 с., ил.).
Основной недостаток известных покрытий - ограниченная область назначения (применения), нормирование только отдельных качественных характеристик под выбранный состав формовочной смеси и марки сплава отливаемого изделия, дороговизна и сложность приготовления.
Так, из уровня техники известна противопригарная краска для литейных форм и стержней (патент РФ № 2574615), содержащая, мас. %: цирконовый концентрат 60-67, бентонит 1-3, лигносульфонат технический 2-5, мыло хозяйственное 0,5-2 и воду остальное.
Известна также противопригарная краска (патент РФ №2000867), содержащая, мас. %: коксовый шлам 10-55, серебристый графит 5-15, глиносодержащий материал 2-5, органическое водорастворимое связующее 3-4, вода - остальное.
Указанные краски отличаются хорошей кроющей способностью, достаточно высокой степенью гомогенности, отсутствием пригара на отливках, однако обладают недостаточной степенью термостойкости и прочности формируемого покрытия.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой задачи к предлагаемому составу противопригарного покрытия является состав противопригарной пасты, с учетом материала формовочной смеси для литья ГП- 2 (ГОСТ 10772-78 Покрытия литейные. Противопригарные водные. Общие технические условия; стр. 386-387 табл. V.13 Справочник по чугунному литью. /Под ред. д-ра техн. наук Н. Г. Гиршовича. - 3-е изд. Перераб и доп.- Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1978. - 758 с., ил.), включающий следующие сухие компоненты, масс.%: графит скрытокристаллический - 84,0, бентонит в качестве огнеупорной глины - 5,0, патока в качестве органического водорастворимого связующего - 5,5, крепитель литейный КВ (ГОСТ 9006-62, https://www.chem21.info/info/80971/) - 5,5. Сухая смесь доведена до пастообразного состояния добавлением воды в количестве не более 35 масс.% от массы смеси сухих компонентов.
Данный состав обладает характеристиками нанесения ровного слоя без включений и трещин при седиментационной устойчивости пасты 95%, однако характеризуется низким уровнем прочности слоя покрытия к истиранию - около 1 кг/мм.
Общим недостатком известных противопригарных красок или паст является их назначение только для определенных, конкретных составов формовочных, стержневых смесей. Использование известных покрытий при расширении сортамента литых изделий не гарантирует стабильной седиментационной устойчивости краски, ее тиксотропности и, что особенно важно, прочности сцепления покрытия с поверхностью формы и стержня при резких изменениях температурного поля в процессе заливки металла в форму. Низкие показатели отмеченных выше технологических характеристик краски или пасты - причина образования дефектов на поверхности металлических изделий таких, как пригар, ужимы, засоры, плены и др.
Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих аналогам и прототипу за счет создания универсального противопригарного покрытия, обладающего широкими возможностями применения, в том числе, и в виде различных фазовых состояний, в частности, покрытия, пригодного для различных условий литейного производства (для отливок, получаемых в песчано-глинистых смесях (ПГС), в песчано-смоляных холоднотвердеющих смесях (ХТС), жидкостекольных смесях (СЖС) или жидкостекольных самотвердеющих смесях (ЖСС), литья в кокиль и центробежного литья, а так же для покраски и ремонта кокилей, и в качестве мастики для ремонта воротников печей и ковшей), с высоким комплексом технологических свойств: седиментационной устойчивостью, высокой тиксотропностью и прочностью сцепления с поверхностью материала форм и стержней.
Краткое раскрытие сущности изобретения
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого состава и противопригарного покрытия на его основе заключается в увеличении седиментационной устойчивости покрытия на основе заявляемого состава при повышении прочности слоя покрытия к истиранию, что, в свою очередь, способствует получению отливок без пригара.
Заявленный технический результат достигается тем, что состав для приготовления противопригарного покрытия, представляющий собой сухую смесь, включающую графит скрытокристаллический, органическое водорастворимое связующее и огнеупорную глину, согласно техническому решению, в качестве огнеупорной глины содержит шамотную глину, а в качестве органического водорастворимого связующего - сахар, при этом указанные компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%: графит скрытокристаллический - 20-28, шамотная глина - 45-55, сахар - 22-30. В качестве сахара могут быть использованы сахароза или глюкоза, или фруктоза, или столовый сахар. Заявляемый технический результат достигается также в результате использования противопригарного покрытия, включающего состав, выполненный по п.1 формулы изобретения и воду в количестве от 50 до 500 мас. % от массы сухой смеси. Покрытие может представлять собой пасту или жидкую краску в зависимости от количества жидкого компонента. Дополнительно пастообразное или жидкое покрытие может содержать растворитель, в качестве которого могут быть использованы ацетиленовые спирты или бензины в количестве до 5-10 мас. % от массы сухой смеси.
Заявляемый состав характеризуется простотой приготовления, доступностью и невысокой стоимостью компонентов, а также возможностью длительного хранения без потери свойств.
Были подобраны интервалы концентраций, в которых полученное покрытие на основе заявляемого состава обладает наиболее высокими показателями седиментационной устойчивости и прочности.
Применение скрытокристаллического графита обусловлено повышением огнеупорности, пластичности, устойчивости к механическим повреждениям, регулируется хрупкость высохшей краски. Установлено, что существенное снижение количества графита в составе (по сравнению с прототипом) не только не ухудшает свойств покрытия, но и способствует формированию более однородного слоя покрытия за счет равномерного распределения частиц графита в составе. Вместе с тем снижение количества графита ниже 20 мас. % сухой смеси ведет к появлению на отливках незначительных песочных раковин. Установлено опытным путем, что при увеличении графита выше заявленных пределов краска становится более хрупкой, менее пластичной, неустойчива к механических повреждениям, осыпается при высыхании.
Использование шамотной глины в качестве огнеупорного материала само по себе известно. Однако, в составы для противопригарных покрытий преимущественно включают в незначительном количестве бентониты, монтмориллониты и т. д. Между тем, использование именно шамотной глины способствует повышению адгезии, прочности покрытия, газопроницаемости и огнеупорности, после применения легко отходит от изделия. Установлено, что при увеличении количества шамотной глины выше заявленных пределов ухудшается газопроницаемость покрытия, при высыхании покрытия появляются трещины, ухудшается адгезия.
Добавление сахара способствует сохранению текучести краски, газопроницаемости покрытия и улучшению адгезии. При увеличении количества сахара выше заявленных пределов способствует снижению текучести краски, скорость высыхания краски увеличивается, что повышает риск ее преждевременного высыхания, до окончания нанесения, теряются антипригарные свойства краски. Снижение количества сахара ниже заявленных пределов нивелирует все преимущества добавления сахаров.
Количество воды, добавляемой в состав при приготовлении покрытия, определено визуальным путем с обеспечением сохранения адгезии состава, антипригарных свойств покрытия, равномерности нанесения. При увеличении количества воды текучесть краски повышается, однако теряется равномерность ее нанесения. Краска становится неустойчивой к механическим повреждениям, осыпается при высыхании.
Таким образом, заявляемый состав и противопригарное покрытие на его основе представляют собой сбалансированное количественное и качественное сочетание доступных выбранных компонентов.
Осуществление изобретения
Заявляемое изобретение представляет собой противопригарное покрытие, характеризующееся высокой прочностью нанесенного слоя к истиранию. При этом покрытие может храниться и реализовываться как в виде сухой смеси, так в виде пастообразной или жидкой композиции. Для изготовления и использования новых составов противопригарной краски используются стандартное оборудование литейных цехов и доступные природные материалы и продукция химической отрасли.
Основной состав для приготовления противопригарного покрытия включает графит скрытокристаллический, шамотную глину и сахар.
Графит скрытокристаллический литейный широко применяется в литейном производстве в качестве наполнителя противопригарных красок, для покрытия форм и стержней при чугунном и цветном литье, при изготовлении шлакообразующих смесей и теплоизоляторов, в огнеупорном производстве для изготовления изделий (http://moskva.regtorg.ru/goods/t403512-grafit_litejnyj_skrytokristallicheskij_gls1_gost_542007.htm#:~:text=Графит%20скрытокристаллический%20литейный%20применяется%20 в,огнеупорном%20производстве%20для%20изготовления%20изделий).
Шамотная глина (https://ru.wikipedia.org/wiki/Шамот) используется в составе в качестве огнеупорного компонента. Глину предварительно измельчают до порошкообразного состояния с размером зерен не более 5 мм.
Сахар используется в составе в качестве водорастворимого органического связующего. В качестве сахаров могут быть использованы сахароза, фруктоза или глюкоза. Хорошие результаты покрытие показывает также при использовании столового сахара. Сахар также может быть измельчен (в случае использования кускового сахара) или использован в стандартном рассыпном виде. Все вышеперечисленные компоненты для состава легко доступны, достаточно дешевы и являются экологически чистыми.
Указанные компоненты в количествах, ограниченных приведенными выше диапазонами, добавляют в одну емкость и перемешивают ручным или механическим способом до равномерного смешивания. Длительность перемешивания не влияет на результат, и готовность состава определяют визуально.
После перемешивания получают состав для приготовления противопригарного покрытие, который может храниться в сухом виде длительное время.
При необходимости получения пастообразного покрытия, пригодного для ремонта воротников печей, трещин футеровки печей, футеровки ковшей, футеровки тиглей и изложниц, к полученному сухому составу добавляют воду в количестве 50-200 мас. % от массы сухой смеси, и также механически или вручную перемешивают до растворения сахара. Для ускорения процесса получения пасты можно использовать теплую воду. При необходимости получения противопригарного покрытия в виде краски - количество воды увеличивают до 200-500 мас. % от массы сухой смеси, что позволяет регулировать текучесть краски в зависимости от предполагаемого типа ее нанесения. Таким образом, количеством добавляемой воды регулируют фазовое состояние противопригарного покрытия - от пастообразного состояния разной степени густоты до жидкой композиции, используемой в качестве краски. Вода при добавлении может быть смешана со спиртом, ацетоном или другим растворителем для ускорения высыхания противопригарного покрытия.
Противопригарная краска или паста, полученные в результате добавления воды к составу сухой смеси обладают высокой седиментационной устойчивостью, что обеспечивает длительность ее хранения (даже в жидком или пастообразном виде) в закрытой таре более 2-х месяцев, а в случае ее высыхания достаточно добавить воды или воды с растворителями. В таком случае покрытие своих свойств не теряет.
На поверхность формы жидкое или пастообразное покрытие наносится шпателем, кистью, пульверизатором или окунанием формы в краску ровным слоем без подтеков, обеспечивая прочное сцепления краски с поверхностью после сушки, и при заливке в форму жидкого металла.
Противопригарное покрытие обладает высокой тиксотропией, кроющей способностью и адгезией с поверхностью, что существенно сокращает брак поверхности отливки (пригар, ужимины, засор) и увеличивает срок службы печи и ковша. Из-за хорошей адгезии полученное покрытие отлично наносится, при высыхании не дает трещин, достаточно одного-двух слоев для достижения результата, обладает высокой газопроницаемостью. Отличная износостойкость и ударопрочность, устойчива к механическим повреждениям. Возможно ускорить процесс сушки окрашенной поверхности путем нагревания газовой горелкой, без потери свойств краски (покрытие не расслаивается, не трескается). Имеет длительный срок хранения как в форме сухой смеси, так и в пастообразном или жидком виде. При высыхании пасты или краски в состав достаточно добавить воды или воды с небольшим количеством растворителя, перемешать до однородности и покрытие может быть использовано без потери своих свойств.
Ниже приведены экспериментальные данные, в результате анализа которых установлены диапазоны значений массовых процентов компонентов, формирующих заявляемое покрытие (Таблица 1). Изучение технологических и эксплуатационных свойств противопригарного покрытия в виде сухой смеси, пасты и краски в заявленных интервалах значений компонентов подтверждает его универсальность и пригодность для использования покрытия форм различного назначения и содержания смеси.
Таблица 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Состав
Графит, мас. %
22
24
20
18
30
25
28
28
26
30
Глина шамотная, мас. %
52
50
50
70
45
30
55
47
50
55
Сахар, мас. %
Сахароза 26
Сахароза 26
Глюкоза 30
Столовый сахар 12
Фруктоза 25
Столовый сахар 45
Фруктоза 17
Сахароза 25
Фруктоза 24
Глюкоза 15
Вода, (сверх 100% массы сухой смеси) не более, мас. %
400
200
100
100
300
100
500
250
100
50
Растворитель (сверх 100% массы сухой смеси) не более, мас. %
-
-
Ацетон10
-
Растворитель-6465
10
-
Бензин А-925
Ацетон5
Свойства
Внешний вид
Жидкая композиция
Однородная паста
Однородная паста
Однородная паста
Жидкая композиция
Однородная густая паста
Жидкая композиция
Жидкая композиция
Однородная паста
Однородная паста
Условная вязкость разведенного покрытия по вискозиметру ВЗ-4, с, не более
13
27
48
49
15
50
12
20
47
49
Седиментационная устойчивость разведенного покрытия, %, не менее
100
100
100
95
100
99
99
100
100
95
Внешний вид нанесенного, высушенного и охлажденного слоя
Ровный слой без включений и трещин
Ровный слой без включений и трещин
Неоднородный, со следами включений воздушных пузырей (пена)
Слой растрескался после высыхания
Ровный слой без включений и трещин
Неоднородный, хрупкий
Наличие отдельных трещин после высыхания в результате чрезмерной текучести краски и получения тонкого слоя
Ровный слой без включений и трещин
Неоднородный, со следами вкраплений частиц до 0,3 мм
Неоднородный, хрупкий
Прочность слоя покрытия к истиранию, кг/мм, не менее
14
25
15
4
15
2
15
24
35
19