ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЛИТЕЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФОРМ
PROTECTIVE COATING FOR CASTING METAL MOULDS

Изобретение относится к литейному производству, в частности к защитным покрытиям для литейных металлических форм, и может быть использовано для получения отливок из цветных сплавов, преимущественно медных.
При изготовлении отливок из медных сплавов методом литья в кокиль выбор защитного покрытия, содержащего огнеупорный наполнитель и связующее, имеет существенное значение для получения качественных литых заготовок. Это обусловлено влиянием защитного покрытия на чистоту поверхности, структуру, физико-механические свойства и наличие внутренних дефектов в отливках. Помимо этого, защитное покрытие должно положительно влиять на эксплуатационную стойкость металлических форм, иметь низкую себестоимость, обладать хорошими технологическими свойствами (седиментационной устойчивостью, кроющей способностью) и экологичностью.
Известно противопригарное покрытие для литейных форм и стержней, которые могут быть использованы для получения отливок из чугуна, стали и цветных металлов (RU 2212304, МПК В22С 3/00, опубл. 20.09.2003), включающее огнеупорный наполнитель на основе диоксида кремния, алюмохромфосфатное связующее, воду, жидкий кремнийорганический олигомер, имеющий в качестве функциональных группировок алкоксильные группы при следующих соотношениях ингредиентов, мас.%: алюмохромфосфатное связующее - 20,0-21,5; жидкий кремнийорганический олигомер, имеющий в качестве функциональных группировок алкоксильные группы, - 3,0-5,0; вода - 25,0-27,0; огнеупорный наполнитель на основе диоксида кремния - 46,5-52,0.
Результатом данного изобретения является улучшение качества отливок за счет уменьшения гигроскопичности покрытия и увеличения его прочности на истирание.
Недостатком такого противопригарного покрытия является то, что при взаимодействии диметилдиэтоксисилана с водным раствором алюмохромфосфатного связующего (в процессе гидролиза) выделяются спирты, которые играют роль поверхностно-активных веществ. При контакте покрытия с жидким металлом спирты выгорают, заполняя форму продуктами горения, что затрудняет газообмен на границе металл-форма и способствует газонасыщению отливки в процессе кристаллизации, что приводит к образованию внутренних и наружных газовых раковин в отливке.
Известно покрытие для литейных форм и стержней (SU 1397146, МПК В22С 3/00, опубл. 23.05.1988), включающее алюмохромфосфатное связующее, воду, теплоизоляционный наполнитель на основе диоксида кремния, цеолит при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюмохромфосфатное связующее 10-30; цеолит 0,1-0,2; теплоизоляционный наполнитель на основе диоксида кремния - остальное. Техническим результатом является повышение качества отливок из стали и серого чугуна за счет предотвращения образования газовых раковин.
Недостатком такого покрытия является то, что оно не обеспечивает чистой от пригара и засоров поверхности отливок. Это объясняется высокой концентрацией и фракционным составом огнеупорного наполнителя. Несмотря на хорошую кроющую способность, данный состав обладает низкими адгезионными свойствами, что при использовании на металлических формах приводит к засорам и высокой шероховатости поверхности отливок. Применение данного состава при литье медных сплавов не дает отливок, чистых от газовой пористости.
Наиболее близким по составу к предлагаемому является защитное покрытие (SU 944731, МПК В22С 3/00, опубл. 13.10.80), включающее в качестве связующего кремнезоль в количестве 35-55 вес.% и в качестве огнеупорного наполнителя кварцедистеновый продукт в количестве 45-65 вес.%. Покрытие обладает хорошей стойкостью и низкой себестоимостью.
Недостатками прототипа являются высокая шероховатость полученных отливок, наличие в отливках внутренних и наружных газовых раковин, а также наличие засоров вследствие низкой адгезионной прочности покрытия.
Задачей изобретения является создание покрытия для литейных металлических форм, обладающего высокой седиментационной устойчивостью, кроющей способностью, адгезионной прочностью и тиксотропной структурой и обеспечивающего повышение качества отливок из цветных сплавов за счет снижения количества газовых раковин, пригара и засоров.
Технический результат достигается тем, что защитное покрытие для литейных металлических форм, аналогично прототипу, включает огнеупорный наполнитель и в качестве связующего - кремнезоль. В отличие от прототипа в качестве огнеупорного наполнителя используют пылевидный алюмосиликатный цеолит преимущественно с размером частиц 4-6 мкм при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Пылевидный алюмосиликатный цеолит
57÷60
Кремнезоль
остальное
Технический результат также достигается тем, что защитное покрытие дополнительно содержит анионное поверхностно-активное вещество в количестве 0,3÷0,8 мас.% и силиконовый пеногаситель в количестве 0,2÷0,5 мас.%.
4
4
Отличительной особенностью предлагаемого состава является то, что в качестве огнеупорного наполнителя используют один из самых распространенных в природе минералов - алюмосиликатный цеолит, в основе кристаллической решетки которого находятся AlO и SiO. Цеолиты относятся к первой группе природных материалов по термо- и кислотоустойчивости (т.е. высокоустойчивы). Микропористое кристаллическое строение цеолитов обеспечивает их механическую и химическую стабильность. Такое строение позволяет цеолитам избирательно сорбировать молекулы, т.е. играть роль «молекулярных сит». Благодаря этому при литье в формы с предлагаемым покрытием избыточная влага и часть продуктов горения поглощаются, препятствуя появлению газовых раковин в отливках. Использование мелкодисперсного алюмосиликатного цеолита с размером частиц 4-6 мкм улучшает кроющую способность и создает тиксотропную структуру за счет кристаллического пористого строения минерала - это повышает адгезионные качества и защищает от наличия засоров и пригара ввиду прочного сцепления покрытия с поверхностью формы. Использование частиц фракцией менее 4 мкм делает процесс смешивания более трудоемким, ухудшает седиментационную устойчивость и прочность на истирание. Использование фракции более 6 мкм ухудшает адгезию и повышает шероховатость поверхности отливок.
Использование анионного поверхностно-активного вещества (алкилбензолсульфонаты, сульфаты и сульфоэфиры жирных кислот) в интервале 0,3÷0,8% от массы состава позволяет существенно упростить процесс изготовления состава и повысить его технологичность (седиментационную устойчивость, кроющую способность) благодаря улучшению смачиваемости огнеупорного наполнителя связующим. Увеличение концентрации ПАВ более 0,8% значительно снижает адгезионные свойства, увеличивает вязкость состава и повышает пенообразование. Это негативно отражается на шероховатости поверхности отливок, а также приводит к образованию газовой пористости. При снижении концентрации ПАВ менее 0,3% снижается кроющая способность, образуются непрокрашенные участки, что приводит к образованию пригара.
Для устранения пенообразования в составе покрытия может быть предусмотрено использование силиконового пеногасителя в интервале 0,2÷0,5 мас.%. Выбор пеногасителя обусловлен тем, что в отличие от спиртов и эфиров силикон обладает огнеупорными свойствами. Это позволяет минимизировать выделение газа на границе «жидкий металл-защитное покрытие» в процессе заливки. Использование пеногасителя позволяет повысить качество отливок из медных сплавов за счет снижения количества дефектов по газовым раковинам. Снижение концентрации пеногасителя ниже 0,2% приводит к появлению газовых раковин в отливке, увеличение выше 0,5% - ухудшает кроющую способность, что приводит к неравномерному растеканию покрытия (наличию подтеков, наплывов) на поверхности формы и, как следствие, снижает качество поверхности отливки.
В таблице 1 приведены составы предлагаемого защитного покрытия, в таблице 2 - основные свойства предлагаемого покрытия и прототипа.
Оптимальный интервал компонентов (составы 2-6) позволяет добиться высокой технологичности покрытия, высокой чистоты поверхности отливки, отсутствия газовых раковин, засоров и пригара.
Как видно из таблицы 2, уменьшение концентрации алюмосиликатного цеолита в заявленном защитном покрытии менее 57% приводит к появлению засоров, пригара и повышенной шероховатости поверхности отливки, что свидетельствует о низкой термостойкости покрытия. При увеличении концентрации огнеупорного наполнителя свыше 60% покрытие становится густым, ложится неровно, с подтеками и наплывами, в процессе эксплуатации отслаивается.
Приготовление защитного покрытия осуществляют следующим образом. В краскомешалку засыпают огнеупорный наполнитель - алюмосиликатный цеолит с размером частиц 4-6 мкм и кремнезоль, перемешивают их в течение 4-7 минут, после чего добавляют анионное поверхностно-активное вещество (алкилбензолсульфонаты, сульфаты и сульфоэфиры жирных кислот) и активный силиконовый пеногаситель (метилсиликоновые жидкости, силиконовые масла). Перемешивание производят до получения однородной сметанообразной консистенции.
Готовое защитное покрытие наносят кистью или пульверизатором на предварительно нагретую до температуры 150÷250°С металлическую форму.
Предлагаемое и известное покрытия были апробированы в условиях литейного производства СПб ОАО «Красный Октябрь» при изготовлении отливки «Ось» из сплава БрО10С10.
Пример 1
+10
-20
Отливки ∅25 мм и длинной 250 мм получали литьем в шестисекционный чугунный кокиль. Защитное покрытие готовили в лопастной краскомешалке перемешиванием 59 мас.% алюмосиликатного цеолита с размером частиц 4-6 мкм и 41 мас.% кремнезоля в течение 12 минут. Перед нанесением состав выдерживали в течение 2 минут для устранения пены. Окраску металлических форм производили вручную кистью. Заливку бронзы проводили через разовые песчаные чаши, температура заливки 1110°С.
Покрытие в процессе окраски легло равномерно, без наплывов, не имело растрескиваний и отслоений. Визуальный контроль показал отсутствие пригара и наружных газовых раковин на поверхности отливок. Выявленные в процессе механической обработки газовые раковины не превышали допустимые требования технических условий.
Пример 2
То же, что в примере 1, но готовили и наносили покрытие следующего состава, мас.%: пылевидный алюмосиликатный цеолит с размером частиц 4-6 мкм - 60, кремнезоль - 38,7; анионное поверхностно-активное вещество (лаурилсульфат натрия или линейная алкилбензолсульфокислота) - 0,8; силиконовый пеногаситель (смесь полисилоксанов и гидрофобных частиц) - 0,5. В отличие от примера 1 общее время перемешивания компонентов до получения однородной консистенции уменьшено до 7 минут. Выдержка состава перед нанесением не требовалась - состав наносился непосредственно после приготовления.
В процессе механической обработки газовых раковин, превышающих требования технических условий, не выявлено.
Пример 3
То же, что в примере 1, но использовали покрытие следующего состава, мас.%: кварцедистеновый продукт - 55; кремнезоль - 45 (прототип).
При нанесении на поверхность формы слой покрытия был неоднородным, имел наплывы и отслоения. Очищенные от покрытия заготовки имели повышенную шероховатость. В процессе механической обработки на 20% отливок вскрылись газовые раковины, превышающие требования, предъявляемые техническими условиями предприятия.
Внедрение заявленного защитного покрытия преимущественно при производстве отливок из медных сплавов литьем в металлические формы существенно повышает качество отливок за счет снижения количества пригара, засоров и газовых раковин. Использование сочетания алюмосиликатного цеолита и кремнезоля в качестве покрытия позволяет уменьшить износ технологического оборудования и улучшить санитарно-гигиенические условия труда литейного цеха.