Введение

Литейное производство – одна из наиболее широко используемых для получения заготовок отраслей промышленности. В различных областях производства доля изделий, полученных с помощью литья, составляет от 30 до 90% [1]. Анализ статистических данных в журнале Modern Casting свидетельствует о том, что в 2016 г. мировой объем выпуска отливок составил 104,4 млн тонн и по сравнению с предыдущим годом практически не изменился [2]. На рис. 1 показана динамика роста объемов производства отливок, начиная со второй половины ХХ века.

Общее снижение объемов производства отливок связано с уменьшением металлоемкости промышленной продукции из-за развития менее металлоемких отраслей промышленности, улучшения свойств литого металла, повышения объема выпуска отливок из сплавов с меньшей плотностью и т. д.

Разработка новых материалов и сплавов влечет за собой образование новых и совершенствование давно известных технологических процессов производства литых заготовок и деталей.

Рис. 1. Динамика роста объемов производства отливок в странах «большой шестерки» (1), США (2), России (3) и Китае (4)

В отечественной промышленности ~70% отливок изготавливают с помощью литья в песчаные формы [3]. Этот процесс получил наибольшее распространение благодаря простоте используемого оборудования, универсальности материала отливок, возможности получения отливок различной конфигурации, доступности применяемых исходных материалов и т. д. Однако отливки, полученные литьем в песчаные формы, имеют низкую точность и обладают шероховатой поверхностью, в большинстве случаев требуется применение механической обработки.

Доля различных процессов в общей структуре производства отливок в США в 2016 г. (по данным журнала Modern Casting [4]) показана на рис. 2. Согласно этим данным, значительную долю (21%) занимает производство отливок с помощью песчаных форм, изготовленных из самотвердеющих смесей.

Рис. 2. Доля применения (%) различных процессов производства отливок в США (2016 г.)

Стержни для отливок изготавливают по различным технологическим процессам. Согласно анализу данных, в США по состоянию на 2016 г. доля отливок, отлитых в самотвердеющие песчаные формы, составляет ˃23%. Объем применения смесей, отверждаемых продувкой, на треть меньше. В таблице показаны преимущества и недостатки самотвердеющих смесей и смесей, отверждение которых происходит в результате продувки газами.

Сравнение самотвердеющих смесей и смесей, отверждаемых продувкой

Сравнение этих процессов дополнительно подтверждает, что самотвердеющие смеси – это наиболее перспективная технология изготовления форм и стержней при производстве литых заготовок.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 10.10. «Энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии изготовления деформированных полуфабрикатов и фасонных отливок из магниевых и алюминиевых сплавов» («Стрaтегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [5–7].

Материалы, используемые в технологии самотвердеющих смесей

С помощью процессов, основанных на применении отверждаемых в холодной оснастке смесей, могут быть получены различные по конфигурации литые заготовки практически из любых сплавов. Эти процессы соответствуют различным требованиям по типу производства и качеству получаемых изделий (размерной точности отливок, шероховатости поверхности, влиянию на экологию) и т. д. [8, 9].

Рассмотрим общие преимущества процессов no-bake, т. е. процессов изготовления форм с применением смесей, отверждаемых в холодной оснастке [10]:

– универсальность при изготовлении отливок различной конфигурации практически из любых сплавов;

– простота регулирования свойств изготавливаемых форм и стержней;

– доступность смол и катализаторов;

– возможность применения несложного смесеприготовительного и формовочного оборудования в составе механизированных участков и линий;

– относительно легкая выбиваемость смеси из отливок.

Самотвердеющая песчаная композиция включает наполнитель (в большинстве случаев это кварцевый песок, так как он является наиболее доступным и позволяет получать отливки практически из всех сплавов), связующее и катализатор.

Связующие вещества, применяемые в процессе формовки с использованием холоднотвердеющих смесей (ХТС), могут быть органическими, т. е. принадлежать к семейству смол, или неорганическими – т. е. на основе силикатов натрия [8].

Наиболее широко используемыми связующими веществами в ХТС являются смолы [9]. Смолы, которые применяют в технологиях no-bake, делятся на:

смолы кислотного процесса формовки с использованием ХТС

– фенольные смолы типа резола;

– фурановые смолы без азота или с азотом;

– фенол-фурановые смолы без азота или с азотом;

смолы щелочного процесса формовки с использованием ХТС

– фенольная смола типа резола с высоким содержанием гидрата щелочи;

смолы с уретановой связью

– фенольные смолы типа дибензилового эфира в различных ароматических растворителях.

Каждый тип смолы, используемый в процессах no-bake, обладает своими преимуществами, недостатками и особенностями работы с ним. Рассмотрим подробно каждый из упомянутых видов смол.

Фурановые, фенольные и фенол-фурановые смолы

Первая группа смол наиболее широко используется в процессе изготовления форм из ХТС. Основными составляющими смолы в данном случае являются фурфуриловый спирт, фенол и их смеси [11].

Фурановая смола – продукт полимеризации фурфурилового спирта, легко перемешивается с наполнителем и равномерно обволакивает его частицы. Кроме того, смесь обладает прекрасной текучестью [11], низким содержанием химически реактивной воды, хорошо сохраняет механические свойства, прекрасно поддается механической регенерации.

Фенольная смола получается в результате полиуплотнения фенола формальдегидом [11], обладает высокими теплостойкостью и механическими свойствами, ее стоимость ниже, чем фурановой смолы.

Отверждение этих смол определяется главным образом колебаниями температуры, для них трудно контролировать время схватывания. Из-за воздействия воздуха на форму поверхность формы схватывается намного быстрее, чем внутренние части. Фенольные смолы гигроскопичны, поэтому расширение смеси может привести к поверхностным трещинам.

Фенол-фурановые смолы сочетают свойства каждого компонента. Реакция полимеризации при воздействии мочевины и добавлении силана способствует выбивке смеси из формы [11].

Щелочные фенольные смолы

Отверждение смеси, основой которой является щелочная фенольная смола, наступает в результате химической реакции сложного эфира и щелочного резола, которые являются осно́вными. Резол – продукт первоначального отверждения, состоящий из изомеров и/или других веществ [12].

Осно́вные смолы меньше подвержены взаимодействию с песком щелочной или кислотной природы, в сравнении со смолами, которые катализируются с использованием кислот. Реакция происходит без использования катализатора, поэтому продолжительность отверждения зависит не от количества отвердителя, а от его качества.

Отверждение завершается только при заливке формы металлом, т. е. песчаная форма термопластична [12].

Применение щелочных смол дает следующие преимущества:

– очищение смесителей требует меньших усилий;

– меньше риск образования поверхностных трещин на форме;

– высокая эрозионная стойкость в связи с термопластичностью песчаной формы;

– при заливке не выделяются азот и сера, что уменьшает возможность возникновения дефектов в стальных и чугунных отливках.

Изоцианат-уретановые смолы

Отверждение смеси на основе этой группы смол наступает в ходе реакции полиизоцианатов с полибензилфениловым эфиром (резолом). В качестве катализатора используют пиридин или амин.

Применение отверждаемой в холодной оснастке смеси на основе изоцианат-уретановой смолы имеет следующие преимущества [13]:

– быстрое отверждение по всему объему формы;

– устойчивость к воздействию теплоты;

– форма хорошо выбивается;

– смесь устойчива к влажности, изменению температур, кислотности песка.

Для повышения текучести смеси рекомендуется применять вибростол.

С учетом вышеприведенных сведений о составе и свойствах компонентов смесей необходимо понимать их взаимосвязь при работе со смоляными смесями, отвержденными в холодной оснастке; контролировать свойства компонентов смесей; варьировать состав смеси, чтобы добиться необходимых показателей.

Дефекты отливок при применении форм из самотвердеющих смесей

При нарушении рецептуры, неверном распределении компонентов смеси, несоблюдении условий формовки в отливках, полученных формовкой с применением ХТС, могут возникнуть различные дефекты.

Несоблюдение сроков живучести (максимального времени для использования готовой смеси [12]) приводит к очень низкой текучести смеси и чрезмерному снижению механической прочности полученной формы или стержня.

Живучесть смеси зависит от применяемых компонентов, температуры и влажности в помещении, где осуществляется процесс формовки, наличия контакта смеси с окружающей средой при хранении [12].

Следует разграничивать понятия живучести и времени снятия, за которое смесь достигает манипуляторной прочности.

Разница между временем живучести и временем снятия должна быть как можно больше, она зависит от типа смолы, типа и количества катализатора, качества и температуры песка [12].

Газовые дефекты отливок, полученных в процессе формовки с использованием технологий no-bake, имеют следующее происхождение [12]:

– азотная пористость;

– водородная пористость;

– пористость вследствие совместного воздействия азота и водорода;

– газовые раковины.

Азот может образовываться из смолы, добавленной к песку последней, или из ее скоплений в регенерированном песке. Кроме того, он может образовываться в результате металлургических процессов.

Наличие пригара на поверхности отливок определяется неверным гранулометрическим составом песка, недостаточным уплотнением смеси и несоблюдением срока ее живучести.

При недостаточной термостойкости и низкой пластичности связующего могут образовываться заливы, так как в результате расширения песка при воздействии высоких температур на поверхности формы возникают трещины. Эти свойства смолы ухудшаются по мере ее старения.

При повышенной жесткости формы затрудненная усадка вызывает образование горячих трещин в отливках. Эту проблему можно решить, уменьшая количество связующего или применяя менее теплостойкие связующие.

Недостаточная прочность литейных форм и стержней может быть причиной «подутости» отливки, прорыва металла, ужимин, нарушений точности размеров [14]. На рис. 3 показаны примеры дефектов, возникших из-за повышенной осыпаемости литейной формы.

Рис. 3. Дефекты отливок – пригар (а) и ужимина (б)

Прочность определяется числом контактов между зернами наполнителя и индивидуальной прочностью связи между зернами наполнителя в зоне этих контактов. На прочность формовочной смеси влияет множество факторов [15], которые представлены на схеме (рис. 4).

Рис. 4. Факторы, влияющие на прочность смеси

Рассмотрение дефектов, возникающих в отливках при формовке с применением технологий no-bake, выявление их причин дополнительно подтверждает важность контроля свойств смесей.

Осыпаемость как свойство, влияющее на качество отливки

Осыпаемость – технологическое свойство формовочных смесей, характеризующее их поверхностную прочность. Согласно работе [12], осыпаемость – это склонность поверхностного слоя смеси к разрушению при истирании.

Поверхность песчаной формы или стержня находится в особых условиях, так как количество контактов наполнителя, от которого зависит прочность смеси, меньше, чем у зерен наполнителя внутри смеси (рис. 5) [16, 17].

Рис. 5. «Мостик» связующего между двумя соседними зернами наполнителя

Механизм образования прочности может быть адгезионным (между связующим и наполнителем) и когезионным (по пленке связующего). Для самотвердеющих смесей характерно смешанное разрушение с преобладанием адгезионного. В предыдущем разделе данной работы описаны факторы, оказывающие влияние на прочность конечного продукта.

В дополнение к описанным ранее факторам известно, что осыпаемость также зависит от гигроскопичности связующего и времени, по истечении которого смесь обладает достаточной прочностью для заливки металла и получения качественной
отливки [1].

В случае использования гигроскопичных связующих с накоплением влаги в поверхностном слое снижается прочность, а осыпаемость значительно увеличивается.

Причиной повышенных значений осыпаемости самотвердеющих смесей может служить то, что применяемая смесь частично потеряла живучесть. В условиях производства для стабильной работы осыпаемость смеси не должна превышать 0,1–0,2% [12]. Очевидно, что осыпаемость – важная характеристика смесей, значение которой зависит от состава смеси, ее компонентов и других характеристик, таких как влажность, гигроскопичность, живучесть. Для стабильности технологии необходимо
контролировать свойства компонентов смеси, характеристики условий работы с ними, понимать взаимосвязь между изменением состава и свойств.

При работе с конкретными компонентами важна информация о том, как влияет изменение концентрации компонентов смеси на ее свойства.

Заключения

В данной работе рассмотрено, какую долю в литейной промышленности занимают отливки, произведенные с помощью технологии изготовления смесей, отверждаемых в холодной оснастке. Выявлено, что самотвердеющие смеси являются наиболее перспективными для получения литых заготовок методом литья в песчаные формы [18].

Каждый вид самотвердеющих смесей обладает своими преимуществами, недостатками и особенностями, которые необходимо учитывать при работе с ними [19].

При нарушении рецептуры, неверном распределении компонентов смеси, несоблюдении условий формовки в отливках, формы для отливки которых изготавливали из ХТС, могут возникнуть различные дефекты [20, 21].

Осыпаемость – одно из основных свойств литейной формы, влияющих на качество отливок, характеризует свойство поверхностного слоя формовочной смеси разрушаться при воздействии трения.

Осыпаемость зависит от состава смеси, соотношения компонентов, влажности, гигроскопичности и живучести, поэтому целью дальнейших исследований будет поиск оптимального процентного соотношения компонентов для нескольких типов смесей. Поиск и анализ оптимального состава смесей будет производиться на основе отечественных материалов с целью дальнейшего внедрения процесса на российских заводах, использующих технологию формовки с применением самотвердеющих смесей [22].