Одним из наиболее эффективных методов, позволяющих управлять скоростью затвердевания и охлаждения отливок и снизить вероятность образования характерных поверхностных дефектов, является введение в состав формовочных и стержневых смесей различных специальных добавок. В перечне таких материалов значительное место занимают добавки, содержащие металлы и их соединения, в том числе оксиды железа, алюминия, хрома и др.
Так, согласно исследованиям, проведенным компанией Ashland (США) в начале 2000-х гг., на территории Великобритании добавку гранулированного оксида железа использовали 70% литейных предприятий, а в США – около половины всех литейных цехов [1]. Достаточно широкое распространение получили добавки, содержащие гематит (Fe2O3) и магнетит (Fe3O4), и в Республике Беларусь. Так, Fe2O3 в виде порошка железного сурика использует ОАО «Минский тракторный завод» для исключения «просечки» на отливках головка блока цилиндров и корпус турбины [2].
Ряд предприятий Российской Федерации (АО «ТВСЗ», ООО «ВКМ-Сталь», АО «АлтайВагон») при производстве стержней для железнодорожных отливок применяет Fe3O4 в виде гранул со средним размером частиц 0,125…0,315 мм. Однако помимо изменения теплофизических характеристик эти добавки могут оказывать значительное влияние на физико-механические и технологические свойства смесей, в частности, приводить к снижению прочности, повышению осыпаемости и снижению газопроницаемости. Иногда эти изменения становятся критическими и вызывают появление новых литейных дефектов.
Попытки компенсировать снижение прочности смеси увеличением расхода связующего приводят к повышению себе стоимости отливок. Кроме того, увеличение удельного количества связующего влечет за собой повышение газотворности и снижение газопроницаемости смеси [3, 4]. Не только количество и состав добавок, но и другие их характеристики оказывают существенное влияние на качество смеси. Для эффективного применения специальных добавок необходима всесторонняя оценка их влияния на основные свойства формовочных и стержневых смесей, определение оптимального гранулометрического состава и удельного количества добавок.
Методика испытаний
Для проведения испытаний изготовляли стержневую смесь на основе кварцевого песка 1К1О203 (ГОСТ 23409.24-78) и двухкомпонентного смоляного связующего, широко применяемого в Беларуси и состоящего из традиционной фенолформальдегидной смолы и полиизоционата. Количество связующей композиции и соотношение ее компонентов оставалось неизменным во всех исследованных образцах: 0,7% + 0,7% (компонент А + компонент Б) от массы песка. Все образцы продували диметилэтиламином (ДМЭА) с расходом 1,2 г/кг. Добавки в смесь вводили при перемешивании в количестве 0,5…5% (сверх массы песка).
В качестве добавок использовали:
- сурик железный Fe2O3; (ГОСТ 8135-74), средний размер фракции 0,063 мм;
- магнетит (Fe3O4) торговой марки FerroSAND, средний размер фракции 0,125…0,315 мм;
- пудру алюминиевую; ПАП-1 (ГОСТ 5495-2022), средний размер фракции 0,063 мм;
- порошок алюминиевый; ПА-4 (ГОСТ 6058-2022), средний размер фракции 0,1…0,16 мм.
Смесь готовили в лопастном вертикальном смесителе, образцы для испытаний – в соответствии с требованиями ГОСТ 23409-78. Изготовленные образцы продували ДМЭА. Для исключения влияния остатков газообразного катализатора на результаты, образцы испытывали спустя сутки после изготовления. Смесь для проверки на газотворность по ГОСТ 23409.12 отбирали из образцов, прошедших испытания на прочность при разрыве по ГОСТ 23409.7 после их разрушения. Газопроницаемость определяли в соответствии с ГОСТ 23409.6. За результат испытания принимали среднее арифметическое трех измерений.
Количество добавок в смесь, содержащую 100% кварцевого песка и по 0,7% компонентов А и В, и продуваемую газообразным катализатором ДМЭА (1,2 г/кг), приведено в таблице. Результаты испытаний Эталонные образцы, изготовленные из смеси без добавок, имели следующие свойства: прочность при разрыве – 1,52 МПа, газопроницаемость – 244 ед., газотворность – 2,89 мл/г и осыпаемость ~ 1%.
Сравнение результатов испытаний образцов с добавками с эталонными образцами представлено на рисунках 1…4. Видно, что все добавки в той или иной степени снижают конечную прочность смеси, и чем больше их количество, тем меньше прочность. Наименьшее снижение прочности наблюдалось в образцах, содержащих FerroSAND, что, по-видимому, объясняется большим размером частиц этих материалов по сравнению с другими добавками. Их дисперсность сопоставима с размерами кварцевого песка в стержневой смеси, в то время как дисперсность железного сурика и алюминиевой пудры на порядок меньше.
Наибольшую газопроницаемость показали образцы с добавкой FerroSAND и порошка ПА-4. Причем увеличение количества добавки магнетита практически не вызывало снижения газопроницаемости: даже при 5% газопроницаемость оставалась практически на исходном уровне – 243 ед. Наименьшую газопроницаемость имели смеси с добавками железного сурика и алюминиевой пудры: 220 и 217 ед., соответственно, при их содержании на уровне 1% (рис. 2). Введение всех добавок сопровождалось увеличением газотворности. Наименьшую удельную газотворность имели смеси с FerroSAND: при добавлении 5% гранулированного магнетита газотворность стержневой смеси составила ~5,75 мл/г, при газотворности исходной смеси~3 мл/г. В то же время, добавки железного сурика в количестве 0,5 и 1% увеличили газотворность смеси до 7,62 и 7,94 мл/г, соответственно.
В целом газовыделения при использовании всех перечисленных добавок находились на довольно низком уровне – не более 8 мл/г (рис. 3). Результаты исследования влияния добавок на осыпаемость образцов показали, что приемлемый уровень (£ 1,5%) обеспечивается только при использовании гранулированного магнетита. Наибольшие значения осыпаемости (8,2 и 8,3%) показали образцы из смеси с добавкой железного сурика и алюминиевой пудры (рис. 4). Это объясняется и оптимальной дисперсностью гранул магнетита FerroSAND, и его нейтральностью по отношению к используемым в составе смеси связующему и отвердителю.
Выводы
- Добавки с большой дисперсностью вызывают значительное снижение прочности стержневой смеси и увеличивают осыпаемость образцов. Их применение неизбежно потребует увеличения количества связующей композиции, что, в свою очередь, приведет к увеличению газотворности смеси и росту вероятности появления газовых дефектов в отливках. Это относится и к часто применяемому в Беларуси в качестве добавки для исключения просечек железному сурику.
- Лучший результат показала добавка магнетита FerroSAND для литейного производства. Ее введение для изменения теплофизических характеристик (для повышения теплопроводности) практически не снижает прочностные характеристики, газопроницаемость и осыпаемость смеси.
Список литературы
- Busby A. An assessment of the control of finning(veining) defects in iron castings produced with phenolic-Urethane cold-box bonded cores // Foundry. 2001. №94. P. 13–21.
- Комаров О.С., Розенберг Е.В., Карась А.Н. и др. Просечки на поверхности чугунных отливок // Литье и металлургия. 2018. №2. С. 37–42.
- Bašistová M., Radkovský F., Kroupová I., Lichý P. Dilatation of New Progressive Hybrid Sand and Its Effect on Surface Structure, Roughness, and Veining Creation within Grey Cast Iron // Materials. 2022. №16. P. 2–15.
- Hrubovčáková M., Vaskova I., Conev M. et al. Influence the Composition of the Core Mixture to the Occurrence of Veining on Castings of Cores Produced by Cold-Box-Amine Technology // Manufacturing Technology. 2017. №17 Р. 39–44.
Сведения об авторах
- Коренюгин С.В. – Белорусский национальный технический университет, Беларусь, Минск.
- Ровин С.Л. – Белорусский национальный технический университет, Беларусь, Минск.
- Кузенков П.П. – Группа компаний СФР, С.-Петербург, Колпино. Тел.: +7 (812) 244-40-05. E-mail: info@phlogopite-rus.com;
