Статьи
Рассмотрены противопригарные защитные покрытия, предотвращающие налипание материала формы на металлическую поверхность отливки, что обеспечивает ее легкое извлечение. Основной задачей противопригарного покрытия является снижение пригара формы или стержня к отливкам. Для этого используют материалы на водной или спиртовой основе. Краски для форм и стержней из холодно-твердеющих смесей содержат склеивающие добавки и огнеупорные компоненты, что позволяет увеличить прочность рабочей поверхности и снизить осыпаемость форм и стержней. Наносятся покрытия с помощью кисти или пульверизатора, стержни окрашиваются в один слой, а формы в зависимости от массы отливки – в несколько слоев.
Введение
В связи с повышением требований к отливкам из литейных магниевых сплавов, применяемых в изделиях авиационной, космической, военной и других отраслях, большое внимание стали уделять не только прочностным характеристикам, но и качеству поверхности изготавливаемых отливок. Поскольку в настоящее время проявляется большой интерес к магниевым сплавам, предприятия на территории России, стран СНГ и за рубежом начали активно оснащать свои производственные цеха современным оборудованием для литья отливок из магниевых сплавов традиционным методом, литья под низким давлением и изготовления форм и стержней из холодно-твердеющих смесей (ХТС).
Одним из основных недостатков отливок, получаемых литьем в ХТС, является пригар, который появляется из-за сильного нагрева поверхности формы, в результате чего смола, входящая в состав формы, выгорает и происходит разупрочнение формы. Металл, смачивая форму, частично проникает в поры и тем самым разрушает ее. Противопригарные покрытия играют важную роль при изготовлении отливок из литейных магниевых сплавов. Они применяются при формовке для уменьшения пригара формы и стержней к отливке. Эти покрытия содержат склеивающие вещества и огнеупорные добавки, увеличивая поверхностную прочность.
Противопригарные покрытия в основном представляют собой суспензию – дисперсные структуры, которые включают: огнеупорный наполнитель (основа), связующее, суспензирующее вещество, растворитель (вода или органическая жидкость) и вспомогательные компоненты, обеспечивающие получение систем с заданными технологическими свойствами. После нанесения покрытий процесс формирования защитного слоя заключается в переходе жидкообразной системы в твердое состояние.
Покрытия образуют на формах и стержнях покровный слой, который проникает в смесь и обеспечивает поверхностное упрочнение формы, уменьшая тем самым ее поверхностную деформацию и газопроницаемость.
При изготовлении толстостенных отливок применяют противопригарные покрытия в виде паст или натирок, которые создают защитный слой толщиной до 5 мм.
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 10.10. «Энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии изготовления деформированных полуфабрикатов и фасонных отливок из магниевых и алюминиевых сплавов («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1–5].
Характеристика и основные технологические свойства
противопригарных покрытий
В зависимости от типа отверждения, противопригарные покрытия можно разделить на три группы.
1. Затвердевающие при сушке с повышенной температурой (как правило, в таких покрытиях растворителем является вода).
2. Самовысыхающие покрытия, содержащие в своем составе летучий растворитель, – в результате испарения образуется пленка.
3. Самотвердеющие водные системы – затвердевание и упрочнение таких покрытий происходит в естественных условиях путем химических реакций.
Для защиты отливок из магниевых сплавов при литье в ХТС чаще всего используют второй тип покрытий.
Основными технологическими свойствами покрытий являются плотность и вязкость – от этих свойств зависит качество, равномерность нанесения и толщина покрытия [6].
Объемная концентрация наполнителя зависит от плотности отдельных компонентов и их соотношения. Наименьшее значение плотности покрытия обусловлено его способностью создавать на формах и стержнях сплошной противопригарный слой минимальной толщины, при максимальном значении плотности покрытие приобретает консистенцию пасты [7]. Рабочую плотность для каждого покрытия устанавливают в производственных условиях с учетом способа окраски и требований к защитному слою, создаваемому на формах (стержнях).
Вязкость характеризует способность суспензий к деформации в процессе окраски. От показателя вязкости в значительной степени зависят кроющая способность покрытий, равномерность и толщина создаваемого защитного слоя [8].
Основные наполнители и связующие компоненты
противопригарных покрытий
Наполнители являются противопригарной основой покрытий. Как правило, они представляют собой порошкообразные полидисперсные материалы. От дисперсности и гранулометрического состава наполнителей зависят свойства покрытий. В качестве наполнителей для приготовления покрытий используют: графит, тальк, цирконовый концентрат и дистенсиллиманитовый концентрат. Поскольку наполнители способны к накапливанию влаги, которая снижает их сыпучую способность, иногда определяют удельную поверхность наполнителей, которая позволяет определить воздухопроницаемость порошкового наполнителя [9].
При изготовлении противопригарного покрытия также применяют такие наполнители, как цирконовый и дистенсиллиманитовый концентраты. Цирконовый концентрат обладает высокой огнеупорностью и имеет хорошую теплопроводность, что способствует более быстрому охлаждению металла и кристаллизации отливок в форме. Концентрат получают путем перемола цирконовых песков. Дистенсиллиманитовый концентрат относится к алюмосиликатным минералам. При изготовлении противопригарных покрытий для литья магниевых сплавов используют наполнитель марки КДСП, который получают при переработке рутила и циркона. Дистенсиллиманитовый концентрат обладает хорошей огнеупорностью при повышенных температурах – свыше 1500°С [10].
Связующие компоненты, используемые в покрытиях, также играют важную роль в образовании противопригарных покрытий. Связующие при переходе из жидкого состояния в твердое образуют поверхностную пленку, которая твердеет в результате: химической реакции, при тепловом воздействии или в результате естественного испарения. В табл. 1 представлены основные связующие, используемые при изготовлении противопригарных покрытий для форм и стержней из ХТС, используемых при литье магниевых сплавов [11].
Таблица 1
Связующие компоненты противопригарных покрытий
Связующее |
Характеристика связующего |
Свойства |
Поливинилбутираль – ПВБ (ГОСТ 9439–85) |
Продукт взаимодействия поливинилового спирта и масляного альдегида |
Порошок белого цвета с влажностью не более 3%, применяется для самовысыхающих покрытий |
Смолы фенолформальдегидные (ГОСТ 18694–80) |
Продукт поликонденсации фенолов и формальдегида |
Порошок или крошка от светло-желтого до темно-коричневого цвета, применяется в самотвердеющих покрытиях |
Натриевое жидкое стекло (ГОСТ 13078–81) |
Водный раствор силикатов натрия |
Вязкая жидкость желтого или серого цвета, применяется в самотвердеющих покрытиях |
Использование связующих в покрытиях не на водной основе без растворителей невозможно, в качестве растворителей используют спирт, ацетон и др. Основным параметром растворителей является скорость растворения наполнителей и связующих. Для получения однородного состава противопригарного покрытия требуется длительное время, при этом используют различные мешалки для интенсивного перемешивания. Наименее вредным из растворителей является этиловый спирт, который широко применяется для связующих [12].
Не менее важными компонентами являются поверхностно-активные вещества, которые вводят в композицию для улучшения смачиваемости наполнителя. Введение этих компонентов способствует получению однородной суспензии и увеличивает проникающую способность покрытия в смесь, что делает поверхность формы более прочной. Очень важно соблюсти дозировку этих поверхностно-активных компонентов, так как иначе будет образовываться большое количество пены, что негативно скажется на процессе нанесения противопригарного покрытия [13].
Виды противопригарных покрытий для форм из ХТС,
применяемых при литье магниевых сплавов
Основными составляющими при выборе состава противопригарного покрытия являются марка литейного сплава, масса изготавливаемых отливок и особенности формовочных смесей. В зависимости от оснащения технологическим оборудованием и производственных условий цехов выбирают противопригарное покрытие и технологию его нанесения. В настоящее время многие предприятия еще используют песчано-глинистые формы, для которых подходят покрытия на водной основе и сушка которых происходит при термическом воздействии на них [14].
Водные покрытия выпускают в больших объемах и поставляют на предприятия в виде порошкообразных композиций, содержащих в своем составе все необходимые компоненты (наполнитель, связующее, различные суспензирующие вещества и различные технологические добавки), которые в дальнейшем разводят водой до определенной плотности. В табл. 2 представлены самые распространенные водные покрытия, которые поставляют централизованно и используют при окраске форм из песчано-глинистых смесей.
Водные покрытия также имеют недостаток – при термическом воздействии образуются поверхностные пленки, которые в некоторых случаях отверждаются не полностью, что в дальнейшем может привести к образованию в отливках газовых раковин и незаливов. При формировании защитного слоя вода частично остается в слое, поэтому такой способ отверждения очень длительный. Время удаления влаги из покрытия в значительной степени зависит от температуры и влажности в помещении цеха. Несмотря на недостаток при оптимальных условиях нанесения (время отверждения и выстаивания, качество поверхности форм) покрытия обеспечивают свои защитные противопригарные свойства [15].
Таблица 2
Противопригарные покрытия для окраски форм
Марка покрытия |
Наполнитель |
Форма поставляемого покрытия |
Рекомендуемая плотность при разведении, кг/м3 |
|
форма выпуска |
влажность, % (не более) |
|||
ГКС-1М |
Графит, кварц пылевидный |
Порошок |
9,0 |
1300–1320 |
ДСК-1 |
Дистенсиллиманитовый концентрат |
Порошок |
4,0 |
1670–1680 |
ЦС-1М |
Цирконовый концентрат |
Порошок |
4,0 |
1900–2100 |
Самовысыхающие покрытия изготавливают в виде уже готовых к использованию суспензий с различными наполнителями, покрытия используют для нанесения на формы и стержни из ХТС. Покрытия этого типа не нуждаются в длительном термическом высушивании и долгом выстаивании. Поскольку в составе этих противопригарных покрытий находятся растворители, время высыхания и выстаивания значительно снижается. В табл. 3 представлены составы самовысыхающих покрытий, применяемых при литье отливок из цветных металлов. При использовании в составе покрытий поливинилбутираля, для повышения термостойкости иногда добавляют кремнийорганические смолы.
Помимо противопригарных покрытий на водной основе и самовысыхающих покрытий изготавливают пасты (затирки). Пасты применяют при изготовлении форм и стержней, их наносят, как правило, вручную. Используют пасты на несложных поверхностях, в местах, наболее подверженных разрушающему действию жидкого металла, и на стыках форм из ХТС, чтобы предотвратить протекание металла. Для защиты форм и стержней из ХТС для литья магниевых сплавов в составе покрытий используют огнеупорную глину, тальк, графит и цирконовый концентрат [16].
Таблица 3
Основные компоненты покрытий
Компонент |
Содержание компонентов, % (по массе), в смеси |
||
1 |
2 |
3 |
|
Графит |
45,0 |
– |
– |
Дистенсиллиманитовый концентрат |
– |
52 |
– |
Тальк |
– |
– |
42,0 |
Поливинилбутираль |
2,5 |
2,0 |
2,5 |
Растворитель АПК и этиловый спирт |
52,5 |
46,0 |
55,5 |
Плотность покрытия, кг/м3 |
1100–1200 |
1350–1450 |
1080–1150 |
Изготовление и нанесение покрытий на формы и стержни из ХТС
для литья магниевых сплавов
Противопригарные свойства покрытий зависят не только от состава, но и от технологии их изготовления. При изготовлении покрытий очень важно использовать максимально измельченные сухие компоненты, чтобы в дальнейшем избежать комкования и неоднородности наполнителя, так как у исходных компонентов наблюдается склонность к впитыванию влаги. Очень важна интенсивность смешения компонентов. При изготовлении самовысыхающих покрытий сыпучие вещества изначально смешивают с незначительным количеством растворителя, затем добавляют наполнитель и разбавляют оставшимся растворителем. Покрытия на водной основе можно готовить в два этапа: сначала смешивают сухие компоненты с небольшим количеством воды и перемешивают до образования пасты, затем разводят водой до получения необходимой плотности. На предприятиях-изготовителях и в литейных цехах при изготовлении применяют лопастные мешалки с частотой вращения до 200 оборотов в минуту. Использование таких мешалок существенно снижает время изготовления противопригарных покрытий [17].
Способ нанесения противопригарных покрытий очень важен для их формирования, так как от этого зависит качество получаемых отливок. В производственных цехах для нанесения покрытий используют пульверизаторы и кисти, а также наносят их с помощью окунания. Покрытия на формы и стержни для тонкостенных отливок массой до 400 кг обычно наносят в один слой, для более габаритных отливок – в 2–3 слоя. Как правило, плотность первого слоя должна быть ниже последующих слоев. В случае мелкосерийного производства покрытия наносят кистью, не рекомендуется проводить кистью по одному и тому же месту при нанесении нескольких слоев покрытий – каждый слой нужно просушить, прежде чем наносить последующий. При нанесении покрытий с помощью пульверизатора необходимо подобрать нужную плотность напыляемой краски, так как слишком густые покрытия не будут напыляться на поверхность форм и стержней. Очень важно равномерное распыление противопригарного покрытия – особенно качественно необходимо прокрашивать не только рабочую поверхность форм, но также и литниковую часть. Недостатком данного метода является повышенный расход противопригарной краски за счет потерь при окрашивании. На рисунке показана форма из ХТС до нанесения покрытия и с нанесенным с помощью пульверизатора противопригарным покрытием (3 слоя).
Форма из холодно-твердеющей смеси без покрытия (а) и с противопригарным покрытием (б)
Для получения отливок, отвечающих повышенным требованиям к качеству поверхности, в европейских странах также используют цирконовые и графитовые покрытия на водной или спиртовой основе. В России в связи с поставленной задачей, направленной на импортозамещение и повышение конкурентоспособности отечественной литейной продукции, на первое место выходит выпуск отливок не только с повышенными механическими свойствами, но и с качественной поверхностью, поэтому особое внимание уделяют изготовлению и нанесению отечественных противопригарных покрытий.
При контроле состояния поверхности и внешнего вида, отливки из магниевых сплавов оценивают на соответствие чертежу, проверяют наличие внешних дефектов – газовых раковин, пригара. Контроль отливок в производстве разделяют на группы. Первая группа – отливки без особых видимых дефектов, т. е. годные после внешнего осмотра. Ко второй группе относятся отливки с незначительными дефектами, которые легко исправить подручными инструментами в цехах. Третья группа – оливки с дефектами, требующими доработки и исправлений по указанию технолога цеха. Четвертая группа – отливки с явными дефектами, требующими подварки и исправления брака, ремонт таких отливок производится только на усмотрение технолога цеха. Пятая группа – это неисправимый брак [18].
Заключения
Использование защитных покрытий для форм и стержней из ХТС является важной составляющей при изготовлении отливок из магниевых сплавов. Поскольку в производственных цехах в настоящее время активно используют краски, которые наносят с помощью пульверизатора, можно выделить этот метод нанесения как основной. В современном литейном производстве происходит переход от изготовления песчано-глинистых форм к формам и стержням из ХТС, для которых подходят самовысыхающие противопригарные покрытия на спиртовой основе, поэтому эту группу покрытий можно считать основной. Преимущество самовысыхающих покрытий перед остальными группами покрытий в том, что значительно меньше времени требуется для полного высыхания, что увеличивает производительность отливок.
Недостатки противопригарных покрытий практически отсутствуют, но некачественное покрытие может получится при несоблюдении процентного состава краски и технологии нанесения краски на форму.
Способ нанесения противопригарных покрытий очень важен для получения качественной поверхности на отливке, что значительно снизит трудозатраты и время на устранение дефектов, а также скажется на повышении производительности.
2. Каблов Е.Н. ВИАМ: продолжение пути // Наука в России. 2012. №3. С. 36–44.
3. Каблов Е.Н. Современные материалы – основа инновационной модернизации России // Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10–15.
4. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2–14.
5. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI:10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
6. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные элементы – материалы современных и будущих высоких технологий // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №2. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 16.10.2017).
7. Дуюнова В.А., Гончаренко Н.С., Мухина И.Ю., Уридия З.П., Волкова Е.Ф. Научное наследие академика И.Н. Фридляндера. Современные исследования магниевых и литейных алюминиевых сплавов в ВИАМ // Цветные металлы. 2013. №9. С. 71–78.
8. 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.
9. Дуюнова В.А., Уридия З.П. Исследование воспламеняемости литейных магниевых сплавов системы Mg–Zn–Zr // Литейщик России. 2012. №11. С. 21–23.
10. Каблов Е.Н., Мухина И.Ю., Корчагина В.А. Присадочные материалы для формовочных смесей при литье магниевых сплавов // Литейное производство. 2007. №5. С. 15–18.
11. Дуюнова В.А., Мухина И.Ю., Уридия З.П. Новые противопригарные присадочные материалы для литейных форм магниевых отливок // Литейное производство. 2009. №9. С. 18–21.
12. Дуюнова В.А., Козлов И.А. Холоднотвердеющие формовочные смеси: перспективы использования при литье магниевых сплавов // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. №1. С. 41–43.
13. Мухина И.Ю., Дуюнова В.А., Уридия З.П. Перспективные литейные магниевые сплавы // Литейное производство. 2013. №5. С. 2–5.
14. Леонов А.А., Дуюнова В.А., Ступак Е.В., Трофимов Н.В. Литье магниевых сплавов в разовые формы, полученные новыми методами // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №12. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 20.10.2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-12-1-1.
15. Трофимов Н.В., Леонов А.А., Дуюнова В.А., Уридия З.П. Литейные магниевые сплавы (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2016. №12. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 20.10.2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-12-1-1.
16. Мухина И.Ю., Уридия З.П. Магний – основа сверхлегких материалов // Металлургия машиностроения. 2005. №6. С. 29–31.
17. Мухина И.Ю. Бобрышев Б.Л., Антипов В.В., Кошелев А.О., Бобрышев Д.Б. Структура и свойства сплавов системы Mg–Al–Zr при литье в кокиль и формы из ХТС // Литейное производство. 2014. №8. С. 6–10.
18. Волкова Е.Ф., Мухина И.Ю. Новые материалы на магниевой основе и высокоресурсные технологии их производства // Технология легких сплавов. 2007. №2. С. 28–34.
2. Kablov E.N. VIAM: prodolzhenie puti [VIAM: way continuation] // Nauka v Rossii. 2012. №3. S. 36–44.
3. Kablov E.N. Sovremennye materialy – osnova innovacionnoj modernizacii Rossii [Modern materials are the base of innovative modernization of Russia] // Metally Evrazii. 2012. №3. S. 10–15.
4. Kablov E.N. Aviakosmicheskoe materialovedenie [Aerospace materials science] // Vse materialy. Enciklopedicheskij spravochnik. 2008. №3. S. 2–14.
5. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
6. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Vershkov A.V. Redkie metally i redkozemelnye elementy – materialy sovremennyh i budushhih vysokih tehnologij [Rare metals and rare earth elements – materials of modern and future high technologies] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2013. №2. St. 01. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: October 16, 2017).
7. Duyunova V.A., Goncharenko N.S., Muhina I.Yu., Uridiya Z.P., Volkova E.F. Nauchnoe nasledie akademika I.N. Fridlyandera. Sovremennye issledovaniya magnievyh i litejnyh alyuminievyh splavov v VIAM [Scientific heritage of academician I.N.Fridlyander. Modern researches of magnesium and cast aluminum alloys in VIAM] // Tsvetnye metally. 2013. №9. S. 71–78.
8. Duyunova V.A. Metody zashhity magnievyh splavov v otechestvennom litejnom proizvodstve s 1930-h gg. do nastoyashhego vremeni [Methods of protection of magnesium alloys in domestic foundry production since the 1930th till nowadays] // Litejshhik Rossii. 2010. №10. S. 35–37.
9. Duyunova V.A., Uridiya Z.P. Issledovanie vosplamenyaemosti litejnyh magnievyh splavov sistemy Mg–Zn–Zr [Research of inflammability of cast magnesium alloys of Mg–Zn–Zr system] // Litejshhik Rossii. 2012. №11. S. 21–23.
10. Kablov E.N., Muhina I.Yu., Korchagina V.A. Prisadochnye materialy dlya formovochnyh smesej pri lite magnievyh splavov [Additive materials for forming mixes when molding magnesium alloys] // Litejnoe proizvodstvo. 2007. №5. S. 15–18.
11. Duyunova V.A., Muhina I.Yu., Uridiya Z.P. Novye protivoprigarnye prisadochnye materialy dlya litejnyh form magnievyh otlivok [New antiburn additive materials for molding molds of magnesian cast] // Litejnoe proizvodstvo. 2009. №9. S. 18–21.
12. Duyunova V.A., Kozlov I.A. Holodnotverdeyushhie formovochnye smesi: perspektivy ispolzovaniya pri lite magnievyh splavov [Cold hardening forming mixes: use perspectives when molding magnesium alloys] // Vse materialy. Enciklopedicheskij spravochnik. 2011. №1. S. 41–43.
13. Muhina I.Yu., Duyunova V.A., Uridiya Z.P. Perspektivnye litejnye magnievye splavy [Perspective cast magnesium alloys] // Litejnoe proizvodstvo. 2013. №5. S. 2–5.
14. Leonov A.A., Duyunova V.A., Stupak E.V., Trofimov N.V. Lite magnievyh splavov v razovye formy, poluchennye novymi metodami [Casting of magnesium alloys in disposable moulds produced by new methods] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2014. №12. St. 01. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: October 20, 2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-12-1-1.
15. Trofimov N.V., Leonov A.A., Duyunova V.A., Uridiya Z.P. Litejnye magnievye splavy (obzor) [Cast magnesium alloys (review)] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2016. №12. St. 01. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: October 20, 2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-12-1-1.
16. Muhina I.Yu., Uridiya Z.P. Magnij – osnova sverhlegkih materialov [Magnesium is the base of extralight materials] // Metallurgiya mashinostroeniya. 2005. №6. S. 29–31.
17. Muhina I.Yu. Bobryshev B.L., Antipov V.V., Koshelev A.O., Bobryshev D.B. Struktura i svojstva splavov sistemy Mg–Al–Zr pri lite v kokil i formy iz HTS [Structure and properties of alloys of Mg–Al–Zr system at chill casting and forms from HTS] // Litejnoe proizvodstvo. 2014. №8. S. 6–10.
18. Volkova E.F., Muhina I.Yu. Novye materialy na magnievoj osnove i vysokoresursnye tehnologii ih proizvodstva [New materials on magnesian basis and high-resource technologies of their production] // Tehnologiya legkih splavov. 2007. №2. S. 28–34.