ФОРМОВОЧНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ ПРИ ЛИТЬЕ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
MOULDING MIXTURE FOR PRODUCING CASTING MOULD WHEN CASTING MAGNESIUM ALLOYS

Изобретение относится к литейному производству, а именно к противопригарным добавкам для литейных песчано-смоляных и песчано-глинистых форм, используемых при литье магниевых сплавов.
Современные противопригарные защитные средства представляют собой составы (краски) для нанесения на поверхность литейных форм либо противопригарные добавки, включающие различные присадки, добавляемые в материал форм.
Противопригарные краски служат разделительным барьером между расплавом магниевых сплавов и материалом литейной формы или стержня, покрытых данными красками. Недостатками большинства современных антипригарных покрытий является невысокая термостойкость, недостаточная механическая прочность пленки. Разрушение покрытия в результате любого из факторов (термодеструкции в результате локального перегрева, растрескивания в результате из-за температурных деформаций, механического воздействия и прочих причин) влечет риск прямого контакта магния с песком и влагой материала литейных форм и стержней, которые интенсивно взаимодействуют, что в условиях дефицита кислорода приводит к выгоранию части связующего формы и покрытия, образуя пригары на поверхности отливок из магниевых сплавов, а в условиях достаточного количества кислорода - к возгоранию расплава, а также приводит к выделению водорода, который воспламеняется с взрывом. Поэтому применение красок не всегда надежно обеспечивает защиту магниевых сплавов от окисления в процессе их литья в песчаные формы, поэтому требуются специальные меры для предупреждения их окисления, что усложняет технологический процесс изготовления отливок.
Известен состав антипригарного покрытия для литейных форм и стержней, в котором используется карбид кремния и вода (см. напр. патент РФ №2170155, МПК В22С 3/00, опубл. 10.07.2001).
Состав содержит значительное количество воды (от 19 до 28%), что неприемлемо для составов, применяемых для магниевого литья, поскольку при нагреве выделяющиеся пары воды, вступая в контакт с расплавом магния, вызовут его воспламенение с возможным взрывом вследствие выделяющегося водорода. Следовательно, предлагаемый состав не может быть применен в качестве антипригарного покрытия для стержней и форм, применяемых в литье магниевых сплавов. Кроме того, органическое связующее в таком составе не стабилизировано структурообразователем, которым повысит его термостойкость до температур 800-850°С, что вызовет его термодеструкцию с возможным выгоранием или механическим разрушением, приводя к соответствующим дефектам отливки. В приведенном патенте используется карбид кремния в количестве 37-40% или 83-85 мас.%, что обеспечивает весьма интенсивную аккумуляцию тепла на границе расплав-форма (расплав-стержень), и без дальнейшего интенсивного теплоотвода в объем литейной формы или стержня это вызовет разрушение тонкой пленки.
Известны противопригарные добавки в формовочные смеси литейных форм и стержней для литья магниевых сплавов, включающие противопригарные присадки и связующие (см. напр. патент РФ №2221668, МПК В22С 1/06, опубл. 20.10.2004).
Эти добавки содержат в своем составе компоненты, вызывающие выделение нежелательных газообразных продуктов - например, аммиака (в случае использования мочевины, аминов, аммонийных солей), токсичного трехфтористого бора (в случае использования тетрафторборатов), углекислого газа, усиливающего горение магния в случае его возгорания (в случае использования карбонатов, органических солей), токсичных диоксида серы, сероводорода и др. нежелательных компонентов.
Также крайне нежелательно использование галогенидов щелочных и щелочно-земельных металлов, других галогенсодержащих присадок, которые разлагаются с выделением токсичных газов. Кроме этого, многие неорганические соли, служащие в качестве таких компонентов, содержат кристаллизационную воду, которая при нагреве выделяется и при контакте с расплавом магния может ускорить его окисление с возможностью возгорания. Вещества, которые с повышением температуры до 300-400°С могут разлагаться с выделением паров воды (например, борная кислота, ряд органических соединений), по этой же причине являются не самым удачным выбором. Кроме того, использование противопригарных композиций на водной основе или с влагосодержащими компонентами не рекомендуется по причине того, что влага может вступать в реакцию с магнием с выделением водорода, воспламеняющегося со взрывом.
По принципу действия компоненты защитных средств (противопригарных красок или добавок в формовочные смеси) во избежание окисления магния в магниевом сплаве обеспечивают создание защитной газообразной атмосферы на границе расплав-форма, либо защитной прочной пленки (глазури), либо способны обеспечить быстрое снижение температуры на межфазной поверхности расплав-форма за счет высокой теплопроводности компонентов или способности их разлагаться с поглощением тепла. Часто защитные противопригарные защитные средства задействуют несколько перечисленных способов обеспечения условий исключения или минимизации возможности окисления магния, приводящих к соответствующим поверхностным окисным дефектам или возгораниям [1].
В основу изобретения поставлена задача создания состава противопригарных добавок для повышения надежности защиты жидких магниевых сплавов от окисления, отсутствия поверхностных дефектов на отливках из этих сплавов, снижения стоимости формовочных смесей с противопригарными добавками, улучшения санитарно-гигиенических условий труда, повышения пожаро- и взрывобезопасности процесса литья.
Поставленная задача решается тем, что противопригарная добавка в формовочные смеси литейных форм и стержней для литья магниевых сплавов, включающая противопригарные присадки и связующие, в качестве основного компонента содержит карбид кремния в количестве от 4% до 36% масс. по отношению к общей массе формовочной смеси, который может представлять собой порошок или микропорошок со средним размером частиц менее среднего размера частиц песка, используемого в формовочной смеси, а в качестве дополнительного компонента может использоваться олеофильный бентонит в виде сухого порошка или в набухшем состоянии в количестве от 0,5% до 12% масс. по отношению к общей массе формовочной смеси.
Поскольку в качестве основного компонента противопригарная добавка содержит карбид кремния в количестве от 4% до 36% масс. по отношению к общей массе формовочной смеси, который может представлять собой порошок или микропорошок со средним размером частиц менее среднего размера частиц песка, используемого в формовочной смеси, а в качестве дополнительного компонента может использоваться олеофильный бентонит в виде сухого порошка или в набухшем состоянии в количестве от 0,5% до 12% масс. по отношению к общей массе формовочной смеси обеспечивается повышение надежности защиты жидких магниевых сплавов от окисления, отсутствия поверхностных дефектов на отливках из этих сплавов, снижения стоимости формовочных смесей с противопригарными добавками, улучшения санитарно-гигиенических условий труда, повышения пожаро- и взрывобезопасности процесса литья.
Формовочную смесь литейных форм и стержни для литья магниевых сплавов изготавливают в следующей последовательности.
Берут песок необходимой фракции и глину и в приготовленную песчано-глинистую смесь добавляют карбид кремния зеленый, который содержит меньше примесей, в частности железа, добавляют связующее и, при необходимости, вводят бентонит в сухом состоянии. В качестве связующего используется крепитель 4ГУ ТУ 6-10-1317-76 или барда, причем выбор может производится исходя из наличия того или иного.
В частном изготовлении формовочной смеси, песчано-смоляной, в нее добавляют смолы. Выбор смол обусловлен температурным режимом литья, при котором отвердевший литейный стержень или форма должны обладать требуемой термостойкостью, требуемыми прочностными характеристиками отвердевших литейных форм и стержней, а также стоимостными характеристиками.
Предлагаемый в настоящем изобретении состав противопригарных добавок исключает выделение воды, поскольку его компоненты не содержат кристаллизационную воду, или вещества, способные разлагаться с выделением воды. Также данные противопригарные добавки не содержат веществ, выделяющих какие-либо токсичные пары, что существенно улучшает экологическую составляющую в результате их применения.
В качестве основного компонента предлагаемого в настоящем изобретении состава противопригарной присадкой является карбид кремния, обладающий высокой температурой плавления, химической инертностью по отношению ко многим материалам, в том числе известным компонентам формовочных смесей, введение которого повышает существенно термостойкость композиций с их наличием. Его наличие способно обеспечить весьма интенсивный теплоотвод и исключить аккумуляцию тепла в зоне контакта с расплавом, что ускоряет процесс затвердения расплава с улучшением параметров его кристаллизации и снижает риск возгорания за счет ускорения выравнивания температурного градиента в поверхностном слое. Это обусловлено тем, что теплопроводность карбида кремния является одной из самых высоких среди неметаллических материалов. Кроме того, порошки и микропорошки карбида кремния широко применяются в абразивной промышленности, что обеспечивает их доступность, а их стоимость невелика.
Применение карбида кремния в целях увеличения теплопроводности различных материалов осуществляется давно, однако для формовочных смесей он ранее не применялся из-за опасений его возможной реакции с влагой при высоких температурах, а также образования карбида и силицида магния, которые могут при контакте с влагой выделять нежелательные пожароопасные продукты. Проведенные лабораторные эксперименты показали, что даже в присутствии влаги в песке формовочной смеси данные опасения беспочвенны, поскольку в смесях песка с карбидом кремния при контакте с расплавом магниевых сплавов (в том числе горящих на воздухе расплавов), обнаруживался эффект тушения магния и ингибирования его реакции с песком. Это объясняется образованием силикатов магния (тальк, форстерит, клиноэнстантин энстантит, кристобалит), связывающих влагу и способных удерживать ее до температур 800-900°С, являющихся огнеупорами, а также выжиганием большого количества кислорода за счет прямой реакции карбида кремния с кислородом. Данные подтверждены затем в условиях литейного производства изделий из магниевых сплавов.
Для целей использования в формовочных смесях целесообразно использовать порошки и микропорошки карбида кремния со средним размером частиц, равным или меньше среднего размера частиц песка, поскольку в последнем случае наблюдается уплотнение формовочных смесей, а высокая теплопроводность карбида кремния обеспечивает существенное повышение их теплопроводности за счет возможности более близкого контакта его зерен между собой и возможности размещения между зернами песка даже при их предельно плотной упаковке.
Карбид кремния в качестве противопригарной присадки по настоящему изобретению служит как в песчано-глинистых, так и песчано-смоляных формовочных смесях любого состава, поскольку он инертен к их компонентам во всем возможном температурном интервале их использования.
Минимальное количество вводимого в формовочную смесь карбида кремния в количестве 4% масс. по отношению к общей массе формовочной смеси обусловлено тем, что при меньших концентрациях не обеспечивается достаточно эффективный теплоотвод и ингибирование реакции окисления магния. Максимальное количество карбида кремния в количестве 36% масс. по отношению к общей массе формовочной смеси обусловлено тем, чтобы минимизировать удорожание формовочной смеси, при этом больших значений теплопроводности для обеспечения надежной защиты магниевых сплавов от окисления не требуется. Значение содержания карбида кремния в формовочной смеси зависит от ее состава (в значительной степени от типа используемого связующего, гранулометрического состава песка и их содержания в формовочной смеси), а также типа магниевого сплава, литье которого осуществляется с применением форм и стержней, изготовленных из таких смесей.
Дополнительным компонентом противопригарных добавок является олеофильный бентонит (органобентонит или его аналог Бентон-34), представляющий собой продукт взаимодействия естественных монтмориллонитовых глин (бентонитов) с олеофилизаторами - четвертичными аммониевыми солями, который служит в качестве универсального структурообразователя для связующего. Он повышает термостабильность связующего, повышая порог его термодеструкции до температур выше 850°С, что превышает диапазон рабочих температур литья магниевых сплавов. Количество олеофильного бентонита зависит от типа используемого связующего и его содержания в формовочной смеси. Данный дополнительный компонент подходит к органическим связующим - синтетическим смолам (фенолоформальдегидным, мочевино-формальдегидно-фурановые, мочевино-формальдегидные, мочевино-фенолоформальдегидно-фурановые, феноло-мочевино-формальдегидные, фурило-фенолоформальдегидные). Способ введения зависит от степени набухания олеофильного бентонита в связующем, поэтому в ряде случаев требуется предварительное замачивание (набухание) олеофильного бентонита в связующем. В остальных случаях он может применяться в виде сухого порошка.
В случае песчано-глинистых смесей применение олеофильного бентонита избирательно и зависит от наличия в них других гидрофобных компонентов.
Физико-химическая природа противопригарных добавок в изобретении обеспечивает повышение теплопроводности и термостойкости формовочных смесей, химически ингибирует магний во избежание его окисления, что обеспечивает отсутствие поверхностных окисных дефектов на отливках и способно будет обеспечить подавление горения в случае возгорания магния, а также способна обеспечить высокую чистоту поверхности отливки.
Все компоненты предлагаемых противопригарных добавок доступны и недороги, что дает значительное преимущество по сравнению с аналогами. Использование противопригарных добавок в формовочные смеси по изобретению существенно улучшает экологические показатели производств, связанных с литьем магниевых сплавов и обеспечивает высокий уровень пожаро- и взрывобезопасности.
Примеры применения противопригарных добавок в составы формовочных смесей литейных форм и стержней для литья магниевых сплавов приведены в таблицах №1 и №2.
Литература
[1] Дуюнова В.А. Методы защиты магниевых сплавов в отечественном литейном производстве с 1930-х гг. до настоящего времени //Литейщик России. 2010. №10. С. 35-37.