Процессы для мелкосерийного производства

Традиционные процессы изготовления стержней в серийном и единичном про­изводстве из смесей с синтетическими связующими, применяемые в отечественной промышленности, основаны на использовании карбамидных, фенольных и фурановых смол и их комбинаций.

Carbophen (ФС-СО₂). Процесс разработан в 1985...1987 гг. в ФРГ и США. Стержневая смесь состоит из кварцевого песка и 2,8...3,0 % модифицированной гидро­окисью калия фенольной смолы. При продувке смеси СО₂ формируется кислая среда, в которой активно проходит отверждение. Расход СО₂ составляет 5...6 л/мин при избыточном давлении 0,3...0,5 атм. Процесс упрочнения завершается при выдержке на воздухе за счет СО₂ воздуха.

Процесс создан как альтернатива СО₂-процессу, поскольку решает проблему выбиваемости и при этом не требует токсичного отвердителя. Однако из-за относи­тельно невысокой прочности его применяют, в основном, для стержней несложной конфигурации.

Процесс отверждения проходит по схеме: модифицированная фенольная смола (водный раствор) + СО₂ отвержденная смола + гидроокись калия + карбонат калия.

Модифицированная смола содержит инициатор – гидроокись калия, которая при высоком значении рН инактивна. Углекислый газ в этом водном растворе создает кис­лую среду, вследствие чего проходит начальная стадия конденсации олигомера и фор­мирование прочности смеси, достаточной для извлечения стержня из ящика. Дополни­тельный рост прочности достигается при последующей выдержке на воздухе за счет остаточного СО₂.

Полное отверждение можно ускорить подсушкой стержня в сушиле или микро­волновой печи, что обеспечивает значительное поверхностное упрочнение.

Считается, что общий цикл отверждения примерно равен циклу процесса Cold-Box-Amin, принимая во внимание время на продувку стержня воздухом от остатков амина. Однако на практике процесс с СО₂ в массовом и крупносерийном производстве не используется, в том числе из-за невысокой прочности в момент извлечения стержня.

Опыт литейных цехов, применяющих этот процесс, показывает, что он может конкурировать с Cold-Box-Amin и MF-процессами при изготовлении компактных не­сложных стержней, а также взамен ЖС-СО₂ процесса и процессов с сушкой. При этом следует принять во внимание ряд аргументов:

- фенольное связующее не содержит азота, серы, фосфора;

- содержание свободного фенола и формальдегида менее 0,1...0,2 %;
отсутствуют такие дефекты, как блестящий углерод, ситовидная пористость, просечки, горячие трещины;

- газовыделения при изготовлении стержней, заливке, выбивке незначительны;

- запах при смесеприготовлении отсутствует, условия на стержневом участке приемлемы;

- нет проблем, связанных с токсичностью отвердителя;

- можно использовать как водные, так и спиртовые краски;

- трудоемкость очистных операций снижается;

- взрывоопасные и легковоспламеняющиеся материалы не используются.

Alphaset (a-set). Связующая система Alphaset состоит из двух компонентов – водорастворимого щелочного фенолформальдегидного олигомера и отвердителя – композиции на основе сложного эфира.Применяют отвердителинескольких типов, ка­ждый из которых дает различное соотношение параметров «живучесть/время до извлечения». Обычно живучесть составляет 20...30 % от времени до извлечения. Смесь содержит 1,3…1,8 % связующей композиции и 20...30 % (от массысвязующей композиции) отвердителя.

Прииспользовании смесителя периодического действия очередность ввода жидких компонентов не имеет большого значения. В быстроходных смесителях непрерывного действия прочность на разрыв получается выше, чем в периодических смеси­телях.Отвердитель вводят в камеру сразу после ввода песка, смолу через 20...30 см по ходу шнека. Рекомендуемая влажность песка – до 3 %. Можно увеличить расход отвер­дителя, чтобы ускорить затвердевание; для замедления затвердевания и, соответствен­но, увеличения живучести, не рекомендуется использовать менее 15 % отвердителя,лучше использовать соответствующиймедленный отвердитель.

Основные преимущества смеси, изготовленной Alphaset-процессом:

- слабый запах при смесеприготовлении;

- малая токсичность на всех стадиях техпроцесса;

- достаточная прочность стержней и форм;

- возможность применения песков различной химической природы;

- весьма низкая прилипаемость к оснастке;

- возможность очистки оснастки и смесителя водой.

При использовании смеси Alphaset заметно снижается вероятность образования дефектов, связанных с терморасширением песка, таких как просечки и механическийпригар; предполагается, что усадка связующегопри нагреве позволяет частично ком­пенсироватьначальное расширение песка. Низкое содержание азота и отсутствие серыминимизируют дефекты отливок, и поэтому во многих случаях удается отказаться от введения оксидов железа.

Pep-set. Связующая композиция состоит из трех компонентов: раствора мо­дифицированной фенолформальдегидной смолы, раствора полиизоцианата и амина.

Суммарное содержание в смеси первого и второго компонентов составляет 1,0...1,4 %, их со­отношение зависит от вида сплава; для чугуна рекомендуется 55/45, стали 60/40. Для алюминиевых сплавов 50/50, в соответствии с требованиями к термостойкости смеси.

Уникальная особенность процесса – соотношение «живучесть/время извлечения» близкое к 0,8...0,9, тогда как у традиционных ХТС оно составляет 0,2...0,3. Формирование прочности стержня начинается практически сразу после потери живучести смеси и за­вершается на 70...80 % в течение 1...2 мин, что дает возможность применять процесс в различных условиях производства при заданных производительности и требованиях к обороту оснастки.

Для предотвращения некоторых литейных дефектов в смесь вводят добавки черного (Fе₃O₄) или красного (Fe₂О₃) оксида железа.

По сравнению с традиционно применяемыми в России смесями кислотного от­верждения (с карбамидными, фурановыми и другими смолами) преимущество Pep-set смесей заключается в отсутствии на стадии изготовления стержней выделений в окружающую сре­ду токсичных компонентов: фенола, формальдегида, фурилового спирта и др. Валовые газовыделения как при изготовлении стержней и форм из Pep-set смесей, так и при за­ливке, охлаждении и выбивке отливок в 1/5...1/7 раза ниже, чем при использовании кислотоотверждаемых ХТС в связи с меньшим содержанием связующей композиции.

Pep-set процесс обладает следующими преимущест­вами:

- пригоден для изготовления стержней при производстве отливок из чугуна, стали и цветных сплавов. Применительно к конкретным видам сплавов производится соответствующая корректировка состава смеси;

- позволяет в широком диапазоне регулировать параметры процесса изготовле­ния стержней;

- менее чувствителен к качеству песка, температуре и влажности окружающего воздуха;

- смеси обладают повышенной текучестью, вследствие чего обеспечивается высокая степень уплотнения стержней и форм при минимальных затратах энергии;

- позволяет использовать в качестве наполнителей не только кварцевый песок, но и хромит, циркон, дистенсиллиманит;

- смеси при затвердевании не выделяют побочных продуктов (влаги, токсичных веществ), затвердевание идет одновременно по всему объему стержня или формы, не­ зависимо от их размера;

- смеси обладают высокой термостойкостью, хорошими антипригарными свой­ствами;

- вследствие низкого содержания связующей композиции в 1,5…2 раза снижа­ется объем газовыделений токсичных продуктов при заливке, охлаждении, выбивке от­ливок, уменьшается вероятность образования газовых дефектов в отливках;

- по данным отечественных исследований и материалам западных фирм про­цесс в экологическом отношении существенно превосходит другие варианты ХТС.