Жидкая самотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней
LIQUID SELF-HARDENING MIXTURE FOR THE MANUFACTURE OF MOLDS AND CORES

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления литейных форм и стержней из жидких самотвердеющих смесей применительно к условиям индивидуального и мелкосерийного производства отливок из черных и цветных металлов и сплавов.
Известна жидкая самотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая огнеупорный наполнитель, феррохромовый шлак, жидкое стекло, пенообразователь, которая с целью увеличения живучести смеси при сохранении оптимальных прочностных свойств, в качестве пенообразователя содержит скрубберную пасту-отход, получаемую при сушке моющих порошков, и воду [1].
Она имеет ряд недостатков. В составе феррохромового шлака присутствует токсичный шестивалентный хром, способствующий развитию онкологических заболеваний у человека, а в скрубберной пасте, применяемой  в качестве пенообразователя, содержится всего 3-5% активной части (анионо-активные поверхностно-активные вещества).
Известна жидкая самотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая огнеупорный наполнитель на основе диоксида кремния, жидкое стекло, отвердитель на основе двухкальциевого силиката, воду и поверхностно-активное вещество из класса алкиларилсульфонатов, которая с целью повышения газопроницаемости смеси и улучшения ее выбиваемости при сохранении высокой скорости твердения и оптимальной живучести в качестве поверхностно-активного вещества содержит смесь солей алкилсерной и алкилароматической сульфокислоты в соотношении 1:3 [2].
Ее основные недостатки – дефицитность солей алкилсерной и алкилароматической сульфокислоты, а также сложность и трудоемкость подготовки их смеси в указанном соотношении.
Известна жидкая самотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней, содержащая регенерат собственного производства, жидкое стекло, порошкообразный отвердитель и пенообразователь анионактивного класса, которая с целью повышения текучести смеси, ее газопроницаемости и выбиваемости, а также улучшения санитарно-гигиенических условий труда в качестве регенерата собственного производства содержит гранулированный в воздушной среде шлак конвертерного производства, а в качестве порошкообразного отвердителя – шлак феррованадиевого производства [3].
Смесь не свободна от недостатков. В качестве пенообразователя анионо-активного класса в составе смеси принимается дефицитная паста рафинированного алкиларилсульфоната (РАС), характеризующаяся низкой степенью биоразлагаемости, при производстве которой объем образующихся отходов в 6 раз превышает объем полезного продукта. В составе смеси отсутствует стабилизатор пены, необходимый для регулирования живучести. Воздушная грануляция шлака конвертерного сталеплавильного производства требует применения специального оборудования, а шлак феррованадиевого производства обладает ограниченной доступностью.
8
10
12
14
Наиболее близкой к изобретению является жидкая самотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая огнеупорный наполнитель, связующее, отвердитель, пенообразователь и воду, которая в качестве пенообразователя содержит поверхностно-активное вещество на основе смеси триэтаноламиновых солей сульфоэфиров высших жирных спиртов фракций C-С и C-C, взятых в соотношении 9-3:1, и стабилизатор пены на основе кремнийорганических жидкостей – антивспениватель ПК-3 или этилсиликат-32, или этилсиликат-40, или этилсиликат-50 [4].
8
10
12
14
3
Смесь имеет ряд недостатков. Использование в составе смеси поверхностно-активного вещества на основе композиции триэтаноламиновых солей сульфоэфиров высших жирных спиртов фракций C-С и C-C(пенообразователь торговой марки «Пенолит-ЖСС» ТУ 2481-202-05744685-2003) осложняется тем, что производство указанной композиции сульфированием смеси названных спиртов газообразным SO, хлорсульфоновой кислотой и т.д. с последующей нейтрализацией сульфамассы водным раствором триэтаноломина характеризуется высокой трудоемкостью  и требует применения специального оборудования. Антивспениватель ПК-3 имеет низкую седиментационную устойчивость, что создает дополнительные проблемы при его длительном хранении, а этилсиликат-32, этилсиликат-40 и этилсиликат-50 полностью или частично гидролизуются в присутствии воды, снижая управляемость процесса смесеприготовления, тем самым ограничивая технологичность, а именно – возможности стабильного получения требуемого уровня остаточных прочности при сжатии и газопроницаемости, а также текучести и живучести смеси.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решается задача  улучшения технологичности жидкой самотвердеющей смеси.
Технический результат – повышение прочности при сжатии, текучести и живучести в сравнении с прототипом без уменьшения газопроницаемости смеси.
Технический результат достигается тем, что согласно изобретению жидкая самотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая огнеупорный наполнитель, связующее, отвердитель, пенообразователь, стабилизатор пены и воду, в качестве отвердителя содержит ацетат этиленгликоля, в качестве пенообразователя – синтетическое моющее средство из группы алкилсульфатов, а в качестве стабилизатора пены – готовое кремнийорганическое связующее, при следующем соотношении компонентов, % масс.:
Отвердитель
0,4-0,6
Связующее
3,0-7,0
Пенообразователь
0,5-1,0
Стабилизатор пены
0,05-0,10
Вода
1,0-2,0
Огнеупорный наполнитель
остальное
Ацетат этиленгликоля (АЦЭГ), присутствующий в составе смеси в качестве отвердителя, известен как один из наиболее эффективных, доступных и широко применяемых жидких отвердителей жидкого стекла и представляет собой сложный эфир, который получают путем взаимодействия органической (уксусная) кислоты с многоатомными спиртами (этиленгликоль). Активными компонентами АЦЭГ являются диацетат этиленгликоля (ДАЭГ) и моноацетат этиленгликоля (МАЭГ). Варьирование в составе АЦЭГ соотношением более активного МАЭГ и менее активного ДАЭГ, позволяет получать комплексы реагентов более медленного или быстрого действия и реально влиять на продолжительность затвердевания и технологические свойства смеси, такие как текучесть и живучесть, управляя процессом смесеприготовления.
Содержание в составе смеси отвердителя в количестве, меньшем нижнего предела, снижает ее остаточную прочность и повышает осыпаемость. Превышение содержания отвердителя над верхним пределом рабочего интервала чревато снижением газопроницаемости и выбиваемости смеси.
Синтетическое моющее средство из группы алкилсульфатов, введенное в состав смеси как пенообразователь и представляющее собой смесь натриевых солей сернокислых эфиров вторичных спиртов, относится к анионоактивным поверхностно-активным веществам (ПАВ) и обеспечивает высокую пенообразующую способность смеси и устойчивость пены. Типичным представителем группы алкилсульфатов является синтетическое моющее средство «Прогресс», которое выпускается отечественной промышленностью и широко используется предприятиями для мытья, дезинфекции и удаления жира с самых загрязненных поверхностей.
Недостаток пенообразователя в составе смеси ведет к потере смесью таких технологических свойств, как текучесть и живучесть. Превышение верхней границы содержания пенообразователя в смеси повышает текучесть, но при этом способствует увеличению времени отверждения смеси при уменьшении ее остаточной прочности на сжатие.
Готовое кремнийорганическое связующее, выполняющее в смеси целевую функцию стабилизатора пены, представляет собой недорогой (в сравнении с этилсиликатом) и доступный продукт частичного гидролиза и конденсации этилсиликата с целевыми добавками в органическом растворителе, который успешно применяется для изготовления оболочковых форм и стержней в производствах точного литья по выплавляемым моделям, керамических форм по постоянным моделям (Шоу-процесс), металл-силикатных покрытий, а также в качестве модифицирующей добавки для лакокрасочных композиций и улучшающей добавки в кирпич и бетоны. Его отличает способность достаточно быстро гасить пену, образующуюся в результате применения ПАВ, сокращая время ее опадания, обеспечивая воздухововлечение при смесеприготовлении и необходимую скорость восстановления газопроницаемости смеси. В дополнение к этому оно выполняет функцию связующего, дополнительного к основному в составе смеси, повышая ее прочность на сжатие в сравнении с прототипом.
Нижний предел содержания стабилизатора пены определяется минимально необходимой скоростью восстановления газопроницаемости и минимально допустимой остаточной прочностью смеси. Недостаток содержания стабилизатора пены в смеси ведет к неоправданному увеличению продолжительности производственного цикла.
Верхний предел содержания стабилизатора пены определяется минимально допустимой текучестью и живучестью смеси. Избыток стабилизатора пены увеличивает риски затрудненного заполнения смесью технологической оснастки с установленным в нее модельным комплектом и, как следствие, искажения геометрии рабочей полости литейной формы.
Для оценки эффективности предлагаемого решения по сравнению с прототипом проводилась опытно-экспериментальная работа.
3
1
1
В качестве отвердителя в предлагаемой смеси выбрали АЦЭГ марки 3СМ (среднемедленный) производства ЗАО «Химсорбент» (г. Дзержинск); пенообразователя – универсальное моющее средство «Прогресс» ТУ 2383-018-52662802-2002; стабилизатора пены – готовое кремнийорганическое связующее марки ГС-20И производства ООО «Новомосковские полиэфиры» (г. Новомосковск) – продукт частичного гидролиза и конденсации этилсиликата с целевыми добавками в изопропиловом спирте; связующего  – натриевое жидкое стекло ГОСТ 13078 с силикатным модулем 2,5 и плотностью 1,52 г/см; наполнителя – кварцевый песок марки 1КО03 ГОСТ 2138.
Смесь приготавливали следующим образом. Вначале в емкость-приемник засыпали кварцевый песок, в который добавляли жидкую композицию из пенообразователя с водой, предварительно подготовленную перемешиванием с помощью двухшпиндельного миксер-смесителя Felisatti MKF1200/VE2, и перемешивали в течение 2 мин. После этого добавляли жидкое стекло и продолжали перемешивание в течение 5 мин. Затем вводили отвердитель и стабилизатор пены и проводили завершающее перемешивание в течение 2 мин, после чего смесь заливали в рабочую полость технологической оснастки для затвердевания.
Содержание связующего и воды в составе предлагаемой смеси принимали согласно прототипу. Содержание и оптимальное соотношение отвердителя, пенообразователя и стабилизатора пены определяли экспериментально с использованием математического планирования. Интервалы экспериментальных измерений выбрали равными: для отвердителя – от 0,2 до 1,0 с шагом 0,2% масс.; для пенообразователя – от 0,2 до 1,2 с шагом 0,1% масс.; для стабилизатора пены – от 0 до 0,15 с шагом 0,05% масс.
В предлагаемой смеси контролировали прочность при сжатии и газопроницаемость через 1 ч, 3 ч и 24 ч, а также текучесть, живучесть и осыпаемость смеси.
Прочность при сжатии измеряли на цилиндрических образцах диаметром 50 мм и высотой 50 мм с помощью прибора для определения механических испытаний формовочных и стержневых смесей марки LRu-2 фирмы CENTROZAP (Польша) по методике ГОСТ 23409.7. Измерение газопроницаемости проводили на аппарате для измерения газопроницаемости формовочных и стержневых смесей марки LPiR1 фирмы MULTISERW-Morek (Польша) с применением измерительного сопла диаметром 1,5 мм. Результаты измерений переводили в единицы газопроницаемости по ГОСТ 29234.11. Текучесть смеси определяли с помощью прибора LC-C фирмы MULTISERW-Morek (Польша) по диаметру «расплыва» при вытекании смеси из стакана прибора и дополнительно (для обеспечения сравнимости измерений с прототипом) по погружению в смесь плоского ножа (методика ОСТ 24.903.01). Живучесть измеряли в минутах и оценивали по времени, в течение которого смесь сохраняла подвижность до затвердевания. Осыпаемость определяли на приборе для определения осыпаемости формовочных масс марки LS-1 фирмы MULTISERW-Morek (Польша) по методике ГОСТ 23409.9.
Значения прочности при сжатии через 1 ч, 3 ч и 24 ч, газопроницаемости, текучести и живучести у смеси-прототипа, необходимые для сравнения с предлагаемой смесью, брали по [4].
Состав предлагаемой смеси и результаты измерений ее свойств в сравнении с прототипом представлены в таблице 1.
Из таблицы видно, что смесь предлагаемого состава характеризуется повышенным уровнем остаточной прочности на сжатие, а также текучести и живучести при высокой газопроницаемости и низкой осыпаемости, что позволяет констатировать улучшение технологичности предлагаемой смеси в сравнении с прототипом.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №837551, B22 C1/18, 1981.
2. Авторское свидетельство СССР №1289580, B22 C1/00, B22 C1/02, 1987.
3. Авторское свидетельство СССР №1671396, B22 C1/00, B22 C1/16, 1989.
4. Патент на изобретение РФ №2262409, кл. В22 С1/00, 2005 – прототип.
Таблица 1
Состав смеси, %. масс
Прочность при сжатии, МПа
Газопроницаемость, ед.
Текучесть,
Живучесть, мин
Осыпаемость, %
через 1 ч
через 3 ч
через 24 ч
через 1 ч
через 3 ч
через 24 ч
см
дин/см<sup>2</sup>
согласно прототипу
0,30
0,50
0,70
120
300
600
нет данных
1400
30
нет данных
предлагаемая смесь:отвердитель -0,4-0,6;связующее -3,0-7,0;пенообразователь - 0,5-1,0;стабилизатор пены - 0,05-0,10;вода1,0-2,0;огнеупорный наполнитель - остальное
0,45
0,70
1,15
98
240
590
23
1450
35
менее 1,0