СВЯЗУЮЩЕЕ ТЕПЛОВОГО ОТВЕРЖДЕНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ
HEAT CURING BINDER FOR MAKING MOULD CORES AND MOULDINGS

Предлагаемое изобретение относится к области литейного производства, а именно к связующим материалам, используемым для изготовления литейных стержней и форм, отверждающихся при тепловой обработке. Изобретение может быть использовано в машиностроении, производстве отопительных радиаторов и в других отраслях промышленности.
2
2
К связующим теплового отверждения для изготовления литейных стержней и форм любой сложности предъявляются достаточно жесткие требования. В частности, они должны обеспечивать высокую прочность: на сжатие в «сыром» состоянии (σ сж.) 0,045-0,055 кг/см, достигаемую при перемешивании песчаной или песчано-глинистой смеси в течение не более 3 мин, а на растяжение в «сухом» состоянии (σ сж.) - не ниже 15-18 кг/см. Кроме того, стержневая или формовочная смесь не должна прилипать к технологической оснастке в процессе изготовления.
Известны литейные связующие теплового отверждения, представляющие собой растворы в нефтяных растворителях кубовых остатков от дистилляции жирных кислот, например, УСК-1, КО, СКТ и другие. (Формовочные материалы и технология литейной формы. Справочник / С.С.Жуковский, А.Г.Анисович, Н.И.Давыдов и др.: Под общ. ред. С.С.Жуковского, М.: Машиностроение, 1993, 432 с.). Эти водонерастворимые связующие обладают рядом недостатков, главными из которых являются трудная достижимость требуемых прочностных показателей как в «сыром», так и в «сухом» состоянии, а также прилипаемость песчаной или песчано-глинистой смеси к оснастке. Поэтому при использовании подобных связующих необходимо дополнительное введение в смеси чаще всего водных растворов лигносульфонатов - побочных продуктов сульфитной варки целлюлозы. Эти обстоятельства вызывают снижение производительности процесса и трудности при его ведении.
Известны также связующие для формовочных и стержневых смесей, в которых в качестве крепителя (вяжущего материала) используется талловый пек - кубовой остаток от ректификации таллового масла, побочного продукта получения целлюлозы сульфатным способом.
В частности, известный состав (Патент ФРГ №1263224, кл. 3113 1/24, 1968) представляет собой раствор таллового пека (55%) в скипидаре (15%) с добавкой абиетиновой смолы (30%), модифицированной солями железа. Главным недостатком этого связующего является то, что в качестве растворителя используется скипидар, пары которого оказывают сильное раздражающее влияние на кожу, вызывая экзему у работающих. Пары скипидара обладают также аллергическими свойствами и поражают легкие. Кроме того, абиетиновая смола в настоящее время не производится ни в РФ, ни в мире.
Известно также связующее на основе таллового пека (Авт. св-во СССР №6876759, кл.2 B22C 1/24, 1977), представляющее собой растворы таллового пека (50-90%) в органических растворителях (10-50%): нефрас, или спирт, или кетоны, или эфир уксусной кислоты, или их смеси. Эти связующие получили название «ТОП», и они обеспечивают получение стержней и форм, близких по прочностным показателям к требуемым. Из указанных растворителей только нефрасы, в состав которых не входят фенильные конденсированные ядра, отвечают экологическим требованиям. Главным же недостатком связующих «ТОП» является прилипаемость к используемой технологической оснастке, что вызывает значительные технологические трудности и делает практически невозможным их применение для изготовления стержней и форм, особенно на полуавтоматических линиях.
Известны также так называемые эмульсионные связующие теплового отверждения для изготовления литейных стержней и форм. Они содержат органический растворитель, чаще всего - нефрас (нефтяной растворитель, ранее - уайт-спирит), водный раствор лигносульфанатов и связующее (крепитель). В качестве связующего используется либо окисленный петролатум (В.А.Соколов. Быстросохнущие эмульсии сульфатной барды как связующего материала. /В сб. Формовочные материалы. - М.: Машгиз, 1954. - с.94-103/, либо талловый пек (А.с. СССР. №700995, кл. В22, 1977). Эти известные связующие при достаточно высоком содержании - не ниже 45-50% - водного 48-50%-ного раствора лигносульфанатов в крепителе - обеспечивают получение требуемых прочностных показателей формовочно-стержневых смесей и не вызывают их прилипаемость к технологической оснастке. Однако и эти составы не лишены недостатков, главным из которых является нестабильность состава и связанная с этим неоднородность связующего.
Причиной этого является расслаивание как при хранении и транспортировании, так и при использовании эмульсии. Последнее обстоятельство приводит к невозможности практического использования этих известных эмульсионных составов в производстве.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является эмульсионное связующее теплового отверждения для изготовления литейных стержней и форм (Патент РФ №2227080, С1, 7 B22C 1/24, 2002 г., опубл. 20.04.2004, бюл. №11; прототип) следующего состава, мас.%:
Талловый пек
25-28
Растворитель углеводородный
0-17
Лигносульфонаты (в пересчете на сухое вещество)
20-21
Неионогенное ПАВ
8-10,5
Вода
остальное.
Состав связующего по прототипу в целом обеспечивает получение формовочно-стержневых смесей требуемого по прочностным показателям качества как в «сухом», так и в «сыром» состоянии и не вызывает прилипаемости смесей к технологической оснастке.
Однако для стабилизации эмульсии требуется повышенный расход стабилизаторов (эмульгаторов) - 8-10,5%. Главным же недостатком связующего по прототипу является то, что для достижения необходимых прочностных показателей требуется значительный его расход для изготовления литейных стержней и форм (6-12%). Все это приводит к технической и экономической нецелесообразности практического использования связующего по прототипу.
Целью предлагаемого изобретения является снижение расхода связующего (крепителя) при изготовлении литейных стержней и форм и повышение их технико-экономических свойств при сохранении высоких прочностных показателей.
Для достижения поставленных целей предлагается эмульсионное связующее теплового отверждения для изготовления стержней и форм любой сложности, включающее талловый пек, органический растворитель, водный раствор лигносульфонатов и поверхностно-активные вещества, отличающееся тем, что оно содержит водный раствор модифицированных жидким стеклом лигносульфонатов, органический растворитель нефрас и поверхностно-активные вещества - водорастворимый эмульгатор ОС-20 и маслорастворимый эмульгатор Т-2 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Пек талловый
40-46
Нефрас
13-16
Водный раствор модифицированных жидким стеклом
лигносульфонатов (в пересчете на сухое вещество)
20-23
Эмульгатор Т-2
0,68-0,75
Эмульгатор ОС-20
0,68-0,75
Вода
Остальное.
Для получения предлагаемого связующего теплового отверждения для изготовления литейных стержней и форм в реактор, снабженный рубашкой для обогрева, перемешивающим устройством и обратным холодильником-конденсатором, загружают в определенной последовательности и постоянном перемешивании указанные ингредиенты. При этом сначала готовят органическую фазу, а именно раствор таллового пека в органическом растворителе и стабилизаторов эмульсии (эмульгаторов), а затем порциями вводят туда же водный раствор модифицированных лигносульфонатов. Смеси перемешивают при температуре 35-45°С в течение 1-1,5 часов. Изготовленное связующее сливают в транспортную тару.
Литейное связующее заявляемого состава представляет собой однородную, вязкую при температуре окружающей среды массу темно-коричневого цвета. Продукт стабилен при хранении и не расслаивается на составляющие его фазы как при транспортировании, так и при использовании. В предлагаемом эмульсионном связующем содержится 64-65% действующего вещества (остальное - вода и органический растворитель), что обусловлено массовой долей сухих веществ, содержащихся в используемых водных растворах лигносульфонатов. Условная вязкость связующего зависит от способа приготовления и находятся в пределах 130-250 сек по ВЗ-6.
Для определения эффективности связующего общепринятым способом смешивают в специальных «бегунах» песок или песчано-глинистую смесь с задаваемым количеством связующего, формируют изделие в виде «восьмерок», сушат при температуре (245±5)°С в течение 60-90 мин и определяют прочностные характеристики (σ сж. и σ растяж.).
Пример 1. Для получения связующего в реактор, снабженный рубашкой для обогрева, обратным холодильником-конденсатором и перемешивающим устройством, помещают 72 г нагретого до температуры 50-60°С таллового пека, туда же при постоянном перемешивании вводят 24 г органического растворителя нефрас, 1,2 г эмульгатора Т-2 и 1,2 г эмульгатора ОС-20. После этого при постоянном перемешивании порциями загружают 80 г модифицированного жидким стеклом 51%-ного раствора лигносульфонатов в воде. Смесь перемешивают при температуре окружающей среды до полной гомогенизации и сливают.
Полученное связующее представляет собой стабильную эмульсию с условной вязкостью 150 сек (по ВЗ-6) и массовой долей связующих веществ 64,2%.
2
2
2000 г песка смешивают в «бегунах» с 80 г полученного связующего (4% от массы песка), на пресс-формах изготавливают формы в виде «восьмерок» и сушат в течение 80 мин при температуре 240°С. Прочностные характеристики формы: σ сж. (в «сыром» состоянии) - 0,050 кг/см достигается за 0,5 мин; σ растяж. (в «сухом» состоянии) - 17,6 кг/см. Прилипаемость к оснастке не выявлена. Расход связующего составляет 2,58% в пересчете на действующие вещества.
Пример 2. То же, что в примере 1, но для изготовления связующего использовали 60 г модифицированного жидким стеклом 58%-ного раствора лигносульфонатов в воде. Получено связующее с условной вязкостью 120 сек (по ВЗ-6) при содержании действующих веществ - 68,9%
2000 г песка смешивают в «бегунах» с 80 г связующего (4% от массы песка), а сформированные «восьмерки» сушат в течение 90 мин температуре 240°С.
2
2
Прочностные характеристики формы: σ сж. - 0,050 кг/см (достигается за 2 мин), а σ растяж. - 19,5 кг/см. Прилипаемость смеси к технологической оснастке не выявлена. Расход связующего составил 2,7% в пересчете на действующее вещество.
Пример 3. Все, как в примере 1, но для формирования «восьмерки» на 2000 г песка вводили 90 г связующего (4,5% от массы песка).
2
2
Прочностные характеристики формы: σ сж. 0,055 кг/см (достигается за 1,5 мин); σ растяж - 15,2 кг/см; прилипаемость к оснастке не выявлена. Расход связующего составил 2,55%.
Пример 4. Все, как примере 1, но для изготовления связующего использовали 70 г модифицированного жидким стеклом 50%-ного раствора лигносульфонатов в воде, а для формирования «восьмерок» 2000 г песка смешивали с 70 г связующего (3,5% от массы песка), содержащего 64,9% действующих веществ.
2
2
Прочностные характеристики формы: σ сж. 0,048 кг/см достигается за 2,5 мин, σ растяж. 16,3 кг/см. Прилипаемость к оснастке также не выявлена. Расход связующего составил 3,1% в пересчете на действующие вещества.
Полученные результаты обобщены в таблице.
Предлагаемое связующее обеспечивает получение требуемой прочности формовочных смесей как в сыром, так и в сухом состоянии. Связующее является однородным, стабильным и при его применении практически полностью отсутствует прилипаемость к технической оснастке. Главным преимуществом перед прототипом является существенное снижение расхода связующего (в 1,5-3 раза). Продукт готов к употреблению и не требует дополнительного введения других ингредиентов. Все это обеспечивает снижение трудовых и энергетических затрат при производстве литьевых изделий.
В предлагаемых пределах достигается получение литейного связующего требуемого качества, а его применение обеспечивает достижение необходимых характеристик стержней и форм. Снижение доли таллового пека, модифицированных лигносульфонатов и стабилизаторов эмульсий (эмульгаторов) приводит к повышению расхода связующего и неблагоприятно сказывается на стабильности и других свойствах связующего. Повышение доли компонентов, входящих в состав предлагаемого связующего, нецелесообразно из экономических соображений.
Изготовление предлагаемого связующего, а также его применение в литейном производстве не требует специального оборудования и полностью вписывается в имеющееся на предприятиях изготовителей и потребителей литейного связующего действующие технологические линии. Важно также, что использование предлагаемого литейного связующего не требует введения каких-либо дополнительных ингредиентов. Заявленное связующее полностью готово к употреблению.