СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЯЗУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
METHOD OF PRODUCING BINDING MATERIAL FOR FABRICATION OF MOULDING ASSEMBLIES AND CORES

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к изготовлению литейных форм и стержней, отверждаемых тепловой сушкой.
Основными компонентами смеси для получения разовых литейных форм и стержней являются огнеупорный наполнитель - кварцевый песок и связующие (бентонитовые и каолиновые глины, жидкое стекло, органические водные и не водные материалы). Связующие материалы применяют для придания прочностных и технологических свойств (пластичности, текучести и др.). Важнейшим преимуществом органических связующих является их способность отверждаться с образованием прочных структур. При этом достигается легкая выбивка смесей из отливок, их облегченная регенерация и во многом компенсируются недостатки, связанные с повышенной газотворностью, ухудшенными саннитарно-гигиеническими условиями труда.
В технологических условиях применяемых в литейных цехах целесообразно выделить связующие теплового отверждения как наиболее простые для внедрения в производство. Наиболее распространенное связующие этой группы - лигносульфонат технический, побочный продукт целлюлозно-бумажной промышленности. Известна формовочная смесь для изготовления литейных форм и стержней, содержащая в своем составе: лигносульфонат технический, формовочную глину, огнеупорный наполнитель (Формовочные материалы и технология литейной формы: Справочник. /С.С.Жуковский, Г.Л.Анисимович, Н.И.Давыдов и др./ Под общей ред. С.С.Жуковского. - Машиностроение, 1993, с.222). Данная смесь обладает высокой текучестью в сыром состоянии и достаточной прочностью в сухом состоянии (0,6-1,2 МПа).
Однако у данной смеси имеются существенные недостатки: низкие санитарно-гигиенические показатели, из-за присутствия серы в выделяемых при сушке и заливке металлом форм газах, а также связанные с использованием глины трудности при перемешивании смеси и нестабильность прочностных показателей органических соединений, играющих роль связующих.
3
Известно связующее для изготовления литейных форм и стержней, содержащее раствор битума в керосине плотностью 0.8-1 г/см (пат. RU 2292981, B22C 1/16, опубл. 10.02.2007), образующее связи физической природы с наполнителем в формовочной смеси и обеспечивающее целостность форм в сыром и отвержденном состоянии.
Однако физические (адсорбционные) связи являются недостаточно прочными, кроме того, использование битумного раствора в керосине отрицательно влияет на санитарно-гигиенические условия труда и создает опасность присутствия в воздухе рабочих помещений канцерогенных веществ.
2
5
Наиболее близким является способ получения связующего материала на основе гидроксохлоридов алюминия (пат. RU 2102180, B22C 1/16 опубл. 20.01.1998). Гидроксохлорид алюминия стехиометрического состава Al(OH)Cl получают при кислотной обработке отходов цветной металлургии и плавке алюминиевых сплавов. Образующуюся суспензию используют в качестве связующего при изготовлении формовочной смеси для литейных форм.
Недостатком данного связующего является невысокие механические показатели полученной на его основе отвержденной литейной формы. Предел прочности ее составляет 0,8 МПа.
Задачей данного изобретения является улучшение технологических характеристик формовочной смеси в высушенном состоянии.
Техническим результатом является повышение прочностных характеристик отвержденных форм и стержней, а также улучшение экологической безопасности процесса приготовления сырой смеси и ее тепловой сушки, улучшение санитарно-гигиенических показателей процесса.
Поставленный технический результат достигается в способе получения связующего материала для изготовления литейных форм и стержней использованием в качестве гидроксохлорида алюминия пентагидроксохлорида алюминия в виде водной дисперсии, и осуществляют его взаимодействие с сополимером акриламида с акриловой кислотой, содержание звеньев которой в сополимере равно 0,2-0,8% мольных, взятым в виде 2%-ного водного раствора путем их смешения при массовом отношении 2,3:1 соответственно.
Заявляемый способ обеспечивает получение эффективного связующего при изготовления литейных форм и стержней за счет прочных связей с частицами кремнезема, входящих в состав кварцевого песка. Причина этого эффекта состоит в том, что при смешении водной дисперсии пентагидроксохлорида алюминия с водным раствором сополимера акриламида с акриловой кислотой возникает полимер-коллоидный комплекс электростатической природы, в котором положительно заряженные алюмоксановые частицы образуют солевые связи с отрицательно заряженными карбоксильными группами звеньев акриловой кислоты в составе сополимера полиакриламида. При малом содержании звеньев акриловой кислоты в сополимере и, следовательно, при редком расположении карбоксильных групп в макромолекуле сополимера, последние не препятствуют конформационным превращениям макромолекул, которые в результате этого обладают высокой гибкостью, обеспечивая контакт с частицами кремнезема на наноразмерном уровне. В связи с тем, что зерна кремнезема несут на своей поверхности отрицательный заряд, возникает электростатическое притяжение к положительно заряженным алюмоксановым частицам в полимер-коллоидном комплексе. В результате возникает сетка межмолекулярных связей в тройной системе: макромолекула сополимера - алюмоксановые частицы - частицы кремнезема, имеющей в своем составе гидрофильные фрагменты полимерной цепи и положительно заряженные алюмоксановые наночастицы. В силу этого связующее обладает повышенной смачивающей способностью и адгезией к поверхности частиц кремнезема, входящего в состав кварцевого песка-наполнителя, что в итоге приводит к повышению прочностных характеристик отвержденных форм и стержней. В качестве компонента для получения связующего используют доступное сырье, дисперсию пентагидроксохлорида алюминия, используемого в процессах водоподготовки хоз-питьевой воды и производимого в промышленности под торговым наименованием «БОЛАК-Е». Водорастворимый сополимер и дисперсия пентагидроксохлорида алюминия представляют собой безвредные вещества (4-й класс опасности) обеспечивающие экологическую безопасность полученного связующего и сырой формовочной смеси и улучшение санитарно-гигиенических условий труда.
Поскольку электростатические взаимодействия относятся к наиболее сильным и дальнодействующим среди нековалентных взаимодействий, то они обеспечивают высокую прочность возникающей дисперсной системы. Однако содержание отрицательно заряженных карбоксильных групп в сополимере не должно превышать определенного значения, при превышении которого возникает обратный эффект - отталкивание одноименно заряженных групп - карбоксильных анионов в составе связующего и отрицательно заряженных силаномных групп на поверхности кремнезема. В связи с этим оптимальное содержание звеньев акриловой кислоты в сополимере составляет 0,2-0,8 мол.%. Также следует отметить что повышение содержания звеньев акриловой кислоты в сополимере более 0,8 мол.% приводит к снижению показателей прочности и осыпаемости отвержденной формовочной смеси.
Изобретение иллюстрируется следующим примером.
Al3+
Пример. В колбу загружают 430 г 2%-ного водного раствора сополимера акриламида с акриловой кислотой при содержании звеньев последней в сополимере 0,2 мол.% (СП-0,2) и добавляют при перемешивании 20 г водной дисперсии пентагидроксохлорида алюминия (C=1,2 мас.%). Смесь перемешивают и оставляют в покое в течение 2 часов.
Полученное связующее добавляют к кварцевому песку при соотношении мас.%:
- песок кварцевый - 86,5,
- связующее - 13,5.
Полученную формовочную смесь перемешивают в бегунах 8 минут и заполняют формы. Сырые образцы в виде цилиндров извлекают из форм и подвергают сушке в обычной атмосфере при температуре 80-90°C с дальнейшим охлаждением в сушильном шкафу до принятия температуры окружающей среды. Образцы испытывают на прочность на сжатие, осыпаемость и газопроницаемость. Аналогично проводят эксперимент с образцами сополимеров акриламида с 0,4; 0,6; 0,8 мол.% акриловой кислоты (соответственно СП-0,4; СП-0,6; СП-0,8). Результаты испытаний отвержденных формовочных смесей представлены в таблице.
Характеристики образцов в отвержденном состоянии.
Характеристики
Тип связующего
Гидроксохлориды алюминия (прототип)
Связующее на основе сополимеров
СП-0,2
СП-0,4
СП-0,6
СП-0,8
СП-1,0
Предел прочности на сжатие, МПа
0,80
1,63
1,91
1,82
1,82
0,9
Осыпаемость, %
-
0,19
0,16
0,09
0,15
0,35
Газопроницаемость, ед.
230
220
230
230
250
Как следует из данных таблицы, отвержденные формовочные смеси на основе предлагаемых связующих по механической прочности значительно превосходят смеси с гидроксохлоридами алюминия(прототип) и имеют необходимые характеристики по осыпаемости и газопроницаемости, кроме того, отверждение смесей на основе предлагаемых связующих протекает при температуре 80-90°C без выделения газов и паров вредных веществ, в отличие от гидроксохлоридов алюминия(прототип), смеси с которым спекаются при температуре 900°C.