Исследование прочности холоднотвердеющих смесей с различными глинами

Язык труда и переводы:
УДК:
621.74
Дата публикации:
19 мая 2022, 11:39
Категория:
Материаловедение и новые материалы в машиностроении
Авторы
Алина Арайлым Алтынбековна
Карагандинский технический университет
Куликов Виталий Юрьевич
Карагандинский технический университет
Аннотация:
Рассмотрены связующие в виде смолы и глины. Введение в состав смесей различных глин позволяет использовать их самопроизвольные затвердевание для регулирования в широких пределах свойств (длительность индукционного периода твердения, прочность форм и стержней). Эта технология очень похожа на традиционное литье в песчано-глинистые формы, только в виде связующего вещества применяют искусственные смолы. Для отверждения смол применяется разные катализаторы. Авторами были изготовлены образцы холоднотвердеющих смесей с разными долями содержания связующих. Исследована структура образцов на микроскопе Altami. В дальнейшем планируется получения отливки на форме с использованием оптимального состава холоднотвердеющей смеси.
Ключевые слова:
холоднотвердеющая смесь, эпоксидная смола, глина, катализатор, формовочная смесь
Основной текст труда

Холоднотвердеющие смеси — это специальные смеси, которые после изготовления не требуют нагрева и других дополнительных воздействии. Благодаря связующим компонентам и отвердителям, они самозатвердевают на воздухе за короткое время. Эта технология очень похожа на традиционное литье в песчано-глинистые формы, только в виде связующего вещества применяют искусственные смолы. Для отверждения смол применяется разные катализаторы. Возможность получать отливки 7 класса точности по ГОСТ 26645–85. Холоднотвердеющие смеси крайне редко применяются в качестве общих формовочных материалов так, как компоненты смеси имеют высокую стоимость. И в данном проекте рассматривается подбор оптимального состава ХТС,  что положительно скажется на экономике нашей страны. Технология литья в ХТС позволяет обеспечить высокое качество поверхности литья, отсутствие газовых дефектов и засоров в отливке [1–3].

В состав холоднотвердеющих смесей входит песок кварцевый, смола (полимерная или органическая) и катализатор отверждения смолы. В данном исследовании применялись следующие компоненты: смола эпоксидная, в качестве катализатора азотная кислота, а также кварцевый песок.

Принципиальным отличием исследования является использование глины казахстанских месторождений, как связующий компонент в холоднотвердеющей смеси наряду со смолами, что существенно снизит себестоимость такой смеси, а, соответственно, и отливок. Стоимость такого материала будет ниже аналогов за счет низкой себестоимости. Кроме того, данный компонент на 95 % может быть регенерирован, что положительно повлияет на санитарно-гигиеническую обстановку на рабочем месте формовщиков и заливщиков на производстве и на экологическую обстановку в стране в целом [2].

Формирование прочности смесей со смолами, как и вообще формовочных смесей, представляет собой сложный процесс, в котором можно выделить два основных элемента — физический и физико-химический. Первый состоит в распределении связующего по зернам при перемешивании и последующем образовании определенного числа контактов (мостов) между зернами при принудительном уплотнении или простой засыпке смеси. Очевидно, что здесь играют роль преимущественно физические характеристики наполнителя — гранулометрия, удельная поверхность. Второй заключается в отверждении связующей композиции, формировании когезионных и адгезионных сил; здесь наполнитель выступает как участник химического взаимодействия со связующим. В этом случае имеет значение наличие в наполнителе компонентов, химически активных к связующей композиции, физико-химическая природа поверхности зерен. Магнезитохромит имеет рассредоточенную почти равномерную структуру. Соответственно эти наполнители отличаются и по удельной поверхности. Тем не менее, смеси с этими резко различными по структуре материалами имеют удовлетворительные прочностные свойства.

При выборе наполнителей следует иметь в виду, что при уменьшении среднего размера зерен можно получить более высокую прочность смесей, если при этом увеличить расход связующего пропорционально росту удельной поверхности наполнителя. Тогда расход связующего на единицу поверхности наполнителя не изменится, а вероятное число контактов между зернами на единицу объема смеси возрастает.

Однако в большинстве случаев увеличение содержания связующего по экономическим и санитарно-гигиеническим соображениям нежелательно, поэтому лучшими являются среднезернистые пески групп 016, 02, 0315. Исследования, проведенные с песками различных карьеров, показали, что содержание мелких фракций на ситах 01-005 выше на 5–10 % не желательно, так как при этом рост расхода связующей композиции опережает рост прочности.

Прочность увеличивается с повышением объемной массы наполнителя, так как объемный расход связующего на единицу поверхности и, следовательно, толщина пленок на зернах возрастает. В связи с этим, при переходе от кварцевого песка к циркону или дистен-силлиманиту содержание связующего в смесях может быть снижено с 2,0–2,5 до 1,5–1,8 м.ч. при одновременном повышении конечной прочности на 30–70 %.

Наиболее резко снижают скорость отверждения и прочность глинистые составляющие, и в частности, глина. В опытах, специально готовили наполнители, вводя в кварцевый песок 1К02А (0,4 % глинистой составляющей) огнеупорную глину. При 2 % глины прочность оказывается уже недостаточной, осыпаемость повышается с 0,2–0,4 % (у исходного песка) до 1 %. Вредное действие глины можно компенсировать введением силана или увеличением содержания связующего до 2,5–3,5 м.ч.

Содержание связующего в ХТС — основной показатель состава, определяющий уровень прочностных характеристик стержней и форм, качество отливок, санитарно-гигиенические характеристики процесса и его технико-экономическую эффективность.

Очевидно, что минимальный расход смолы с учетом получения необходимых технологических параметров позволит снизить себестоимость формы и литья в целом. Минимально возможный расход связующего определяется качеством применяемого песка. Также мы используем добавку 2–3 % глин казахстанских месторождений. Желательно применение обогащенных песков с содержанием глинистой составляющей не более 0,5 % и с зернистостью не менее зерности песка марки 1К02А.

Чем выше прочность смесей со смолами, тем шире возможности их практического применения. Высокая прочность необходима для условий массового производства; в единичном и мелкосерийном производстве при наличии большого резерва по прочности можно сократить содержание в смеси связующего и катализатора, что служит наиболее эффективным способом уменьшения вредных газовыделений в окружающую среду и снижения стоимости материалов. Смеси с более высокой прочностью могут использоваться для более крупных и массивных отливок.

Из теоретических представлений о прочности  формовочных смесей следует, что прочность обусловлена развитием двух параллельно протекающих процессов — образованием адгезионной связи на поверхности раздела наполнитель–связующее и когезионным упрочнением самого связующего.

Прежде всего, нужно установить, какая форма связи преобладает в песчано-смоляных смесях, т. к. известно, что методы повышения когезионной и адгезионной прочности принципиально  различны и во многих случаях даже не зависимы друг от друга.

Анализируя процессы формирования прочности, следует обратить внимание на явление, хорошо известное из опыта, — снижение прочности на поздних стадиях отверждения вследствие повышения скорости процесса на начальной стадии. Причина этого заключается в особенностях структуры и свойств самой связующей композиции, отверждаемой с разной скоростью. Это особенно важно для разработки процессов изготовления стержней и форм с коротким циклом холодного отверждения.

Значительные трудности представляет разработка или выбор экспериментальных методов изучения процессов формирования прочности. Если когезионную прочность полимеров можно косвенно оценивать по прочности на сжатие образцов отвержденных смол, то определение адгезии к кварцу применительно к формовочным смесям имеет принципиальные особенности. Из многих известных вариантов исследования адгезии был выбран метод определения прочности склейки кварцевого волокна со смолой холодного отверждения. К достоинствам метода относятся:

  1. Соизмеримость площади склейки с площадью поверхности кварцевого зерна.
  2. Высокое качество поверхности контакта и минимальная площадь склейки, что уменьшает возможность образования дефектов.
  3. Хорошая чувствительность и воспроизводимость результатов.

Адгезию определяют по величине усилия, необходимого для вырывания кварцевого волокна из пленки  связующего, заполимеризованного в ячейке подложки-стеклоткани.

Методику использовали традиционную [4], которая состоит в следующем: на специальное металлическое коромысло, наклеивают кусок стеклоткани. Испытуемую жидкую смолу наносят на ткань тонким слоем. При этом смола образует пленки в капиллярных ячейках стеклоткани. Кварцевое волокно, предварительно обезжиренное ацетоном, промытое дистиллированной водой и высушенное, протягивают через одну из микроячеек и через отверстие в верхней части коромысла. В опытах применяли кварцевое волокно (98 % SiO2) диаметром 30–50 мкм. Площадь склейки составляла 0,02–0,03 мм2. Исследуемую смолу перед нанесением смешивали с 35–40 % раствором катализатора при соотношении смола-катализатор 1:0,5. Концентрация была занижена, чтобы замедлить отверждение смолы на начальном этапе и обеспечить равномерность пленки смолы в микроячейке подложки. Затем добавлялась глина месторождения Белое Глинище. Образцы отверждались в течение 24 часов. Из образцов вырезали небольшой кусок стеклоткани, непосредственно прилегающий к кварцевому волокну с отвержденными в микроячейках пленками испытуемой смолы. Свободный край кварцевого волокна вклеивали в наждачную бумагу для зажима в нижнем держателе разрывной машины. Вырезанный кусочек стеклоткани с пленкой связующего укладывают в металлическую скобу, закрепленную в верхнем держателе.

Адгезионную прочность определяем из соотношения [5]:

\sigma _{adg}={F}/{S}

где F — усилие отрыва, МПа; S — площадь склейки, см2.

Структуру смесей исследовали на световом микроскопе «Альтами». Из смеси готовили образцы и уплотняли пуансоном  на ручном прессе. После выдержки в течение заданного времени затвердевший образец  выталкивали из гильзы металлическим стержнем.

Для исследования прочности и макроструктуры полимеров с высокоактивными катализаторами (при высоких скоростях отверждения) перемешивали смолу и катализатор, охлажденные до 2–4 °С, при соотношении от 10:1 до 2,5:1. При этом катализаторы имели максимальную концентрацию. Время перемешивания составляло 4–5 с. Готовую композицию выливали в 4-местный блок и получали после отверждения цилиндрические образцы диаметром 15 мм и высотой 24 мм. Прочность полимеров определяли на универсальной испытательной машине «Instron» через заданные промежутки времени. Для исследования микроструктуры образцы надпиливали в среднем сечении, разламывали, шлифовали и фотографировали излом при увеличении ×100раз.

Смолы с мочевиной обеспечивают большую прочность на средних и конечных стадиях отверждения за счет более высокой (в 1,5–2 раза) адгезии. Таким образом, для песчано-смоляных смесей общая закономерность заключается в преобладании когезионного упрочнения на начальных стадиях и адгезионного — на конечных. При повышении начальной скорости конечные прочности снижаются. Это явление связано с возникновением и с последующим развитием в структуре пленок и мостов связующего, дефектов-пузырей и трещин. Дефекты обусловлены, с одной стороны, удалением паров, образующихся при отверждении (вода, формальдегид, фуриловый спирт и пр.), с другой — возникновением термических и усадочных напряжений. Установлено, что существует прямая зависимость между структурой полимера в связующей пленке и прочностными свойствами смесей.

Таким образом, исследована прочность адгезионного взаимодействия связующих композиций с кварцем, когезионная прочность образующихся при затвердевании смолы.

Разработанный способ использования глины месторождения Белое Глинище увеличивает прочность ХТС, а также значительно снижает себестоимость таких литейных форм.

Литература
  1. Болдин А.Н., Давыдов Н.И., Жуковский С.С. и др. Литейные формовочные материалы. Формовочные, стержневые смеси и покрытия: справочник. Москва, Машиностроение, 2006, 352 с.
  2. Водолазская Н. В., Шарая О.А., Корнев О.С. Исследование процесса упрочнения поверхностного слоя элементов конструкций машин. Агроинженерия в XXI веке: проблемы и перспективы. Матер. национальной (Всерос.) науч.-практической конф. с междунар. участием. Майский, Изд-во Белгородский ГАУ, 2020, с. 108–112.
  3. Куликов В.Ю., Исагулов А.З., Еремин Е.Н., Ковалёва Т.В. Повышение равномерности плотности и увеличение прочности оболочковой формы. Литейное производство, 2018, № 3, с. 27–29.
  4. Квон С.С., Куликов В.Ю., Щербакова Е.П. Использование глин некоторых месторождений Казахстана для изготовления оболочек при ЛВМ. Литейщик России, 2020, № 2, с. 18–23.
  5. Исагулов А.З., Ибатов М.К., Куликов В.Ю., Квон С.С. Исследование прочности холоднотвердеющих смесей. Литейное производство, 2021, № 5, с. 12–16.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.