С.А.Никифоров (Южно-Уральский гос.университет), К.И.Гилевич (АО «Курганмашзавод»), А.В.Обрезков (Урал ВИМ, г.Челябинск)
При использовании силикатных связующих в технологиях литья по выплавляемым моделям обычно стремятся снизить содержание SiO2 в готовых растворах: в гидролизованном этилсиликате до 12-15 %, в жидком стекле до 20-25% путем их разбавления избыточным количеством растворителей. Однако уменьшение содержания кремнезема в связующих растворах приводит к снижению потенциально возможной исходной прочности оболочек и термостойкости силикатной керамики, так как основной структурной составляющей связующего при его отверждении является скоагулированный (полимеризованный) кремнезем.
Вместе с тем, повышение содержания SiO2 в силикатных связующих при его подготовке нецелесообразно, так как приводит к увеличению расхода исходного связующего, имеющего обычно высокую стоимость и ухудшает процесс формообразования оболочек при воздушной сушке или химической упрочняющей обработке.
В связи с этим на производстве для повышения прочности оболочек и улучшения процесса формообразования часто в составе суспензий применяют различные технологические добавки. Так, широко известны рекомендации по применению в составе суспензий добавок фосфорной кислоты, алюмо - хром фосфатной связки, алюмометилсиликаната, а также кремнеземосодержащих порошкообразных материалов в виде аэросила, твердой кремниевой кислоты, диаспора, диатомита и других.
Исследования показали, что эффективность от применения порошкообразных материалов зависит от их физико-химических свойств, в частности, от химического состава, размера частиц, степени активности материала к используемым растворителям и конденсированной кремнекислоте в связующем.
Для повышения прочности и термостойкости оболочковых форм исследован и разработан состав суспензии на основе гидролизованного этилсиликата с добавкой нового кремнеземосодержащего материала – микрокремнезема с торговой маркой «МК-85».
Микрокремнезем получают при высокотемпературной обработке кремнеземосодержащих исходных материалов, связанной с процессом возгонки оксидов кремния. При конденсации возгона в процессе охлаждения образуется мелкодисперсный коллоидообразный, большей частью аморфный материал. Преобладающий размер частиц микрокремнезема от 1 до 0,01 мкм и менее. Рентгеноструктурным анализом установлено наличие в микрокремнеземе оксида кремния в виде коусита – SiO, что придает ему высокую химическую активность в водных средах.
Микрокремнезем поставляет Челябинская фирма «Урал ВИМ» в полиэтиленовых мешках с малой расфасовкой около 25-30 кг и большой расфасовкой до одной тонны.
Особенность применения микрокремнезема в огнеупорных суспензиях состоит в его предварительной подготовке и порядке введения в растворы при раздельном и совмещенном гидролизе этилсиликата. Разработаны два варианта приготовления высок-кремнеземного гидролизованного этилсиликатного связующего ВКГРЭТС. По первому варианту микрокремнезем вводится в суспензию после завершения гидролиза этилсиликата по расчетному времени или непосредственно при его отдельном гидролизе. При этом расчет соотношения расхода этилсиликата и воды берется на минимально возможное значение 8-12 % SiO2. Общее же содержание SiO2 в готовом растворе при добавлении микрокремнезема может достигать 22-26 %. Однако не смотря на это коагуляционная устойчивость раствора остается высокой. Этот вариант предпочтителен при раздельном гидролизе этилсиликата и приготовлении суспензии.
По второму варианту микрокремнезем вводят в суспензию отдельной порцией после введения основного огнеупорного наполнителя непосредственно при совмещенном гидролизе этилсиликата. При этом наиболее эффективно применение микрокремнезема достигается при гидролизе этилсиликата без органических растворителей. Это объясняется тем, что коллоидный микрокремнезем способствует замедлению интенсивной конденсации кремнекислоты на первой стадии гидролиза – стадии замещения этоксильных групп этилсиликата и тем самым устраняет опасность перегидролиза при нарушении химического, температурного или скоростного режима перемешивания. Вместе с тем, введенный коллоидный микрокремнезем способствует эффективной и глубокой полимеризации кремнекислоты в связующем растворе на второй стадии – стадии завершения гидролиза этилсиликата при воздушной сушке или химической упрочняющей обработке суспензии, нанесенной на модельные блоки при формировании оболочек.
Опыт работы на Курганском машиностроительном заводе показал, что добавка микрокремнезема в суспензию на основе этилсиликата до 10 мас.% позволяет повысить исходную прочность оболочек на 25% , а термостойкость на 30%. При этом отмечено значительное улучшение чистоты поверхности отливок из углеродистой стали и жаростойких сплавов. Микрокремнезем применяют, как добавку к любому известному огнеупорному наполнителю. Но особенно эффективен микрокремнезем при использовании широко известного огнеупорного материала - пылевидного кварца, маршалита, так как на этих материалах обычно получать отливки высокого качества затруднительно.
Добавки микрокремнезема применяют также для приготовления высоко-кремнеземного жидкостекольного силикатного связующего (ВКЖС) в технологиях литья по выплавляемым моделям при изготовлении комбинированных оболочковых форм по двум схемам: 2 лицевых слоя - из суспензии на гидролизованном этилсиликате и 2 последующих опорных слоев - из суспензий на ВКЖС; 2 лицевых слоя - на кремнезоле «Сиалит 20» и 2 последующих опорных слоев - на ВКЖС. В производственных условиях опробован также вариант изготовления единых 4-х слойных оболочек, выполняемых полностью из суспензий на основе ВКЖС.
Для указанных технологий используется высоко-кремнеземное жидкостекольное связующее, которое приготавливается из сухого концентрата марок НСК (натриевый сухой концентрат) или КСК (калиевый сухой концентрат) для быстрого приготовления соответствующих марок жидкого стекла. При использовании НСК для быстрого приготовления жидкого стекла по технологии, разработанной Челябинской фирмой ЗАО «Урал ВИМ», можно получать высоко-кремнеземные связующие с силикатным модулем до 30 ед. для применения в литье по выплавляемым моделям.
Процесс приготовления суспензии на основе ВКЖС для единых и комбинированных оболочковых форм существенно не отличается от известных на производстве серийных процессов. Суспензии отличаются хорошей смачивающей способностью по отношению к выплавляемым моделям, имеют высокую седиментационную устойчивость и живучесть.
При изготовлении крупногабаритных, с большой массой отливок используют единые и комбинированные оболочки, получаемые из суспензий на основе ВКЖС с добавкой ВГДП (высоко глиноземный дисперсный порошок), который производится и поставляется фирмой ЗАО «Урал ВИМ» в полиэтиленовых мешках или контейнерах. ВГДП характеризуется высокой огнеупорностью и химической инертностью, что придает ему особые свойства, полезные для жидкостекольных суспензий. Он способствует при прочих равных условиях снижению вязкости суспензии, что позволяет вводить в суспензию большее количество основного огнеупорного наполнителя и тем самым увеличивать огнеупорность жидкостекольной керамики. Вместе с тем, в связи с более высоким зерновым размером (60-80 мкм) по сравнению, например с зерновым размером пылевидного кварца (от 40 мкм), ВГДП способствует повышению газопроницаемости жидкостекольной керамики.
