для литейного производства
Фосфатные материалы
В середине XIX века были описаны реакции получения отверждаемых композиций в результате взаимодействия некоторых минеральных порошков с фосфорной кислотой или другими фосфорнокислыми растворами. Начало систематического изучения фосфатных материалов относится к концу 40-х годов XX века. Были изучены реакции значительного количества различных оксидов с фосфорной кислотой, протекающих при комнатной температуре.
Самая первая исследовательская работа по изучению возможности применения фосфатов в качестве связующего материала в литейном производстве относится к 1967 году. Широкие исследования по этой теме были развернуты на рубеже 70 - 80-х годов.
Главным химическим процессом, обеспечивающим твердение большой группы фосфатных вяжущих систем, является взаимодействие оксида магния с фосфорной кислотой. Разработка и совершенствование основанного на этой системе магнийфосфатного связующего были начаты в 1972 году. В 1979 году смесь была опробована на одном из заводов, а с 1980 года началось ее постоянное использование. Освоение магнийфосфатного связующего позволило полностью отказаться от смесей на основе фенолоформальдегидной смолы.
Магнийфосфатные смеси можно применять при изготовлении стержней и форм для отливок из стали, чугуна и цветных сплавов в индивидуальном и серийном производстве массой от 0,2 кг до 60 т при массе стержня от 4 кг до 4 т. Возможно получение высококачественных отливок сложной конфигурации с толщиной стенок до 500 мм. Смеси отличаются отличной выбиваемостью, устойчивостью в условиях низких температур (до -40 ⁰ С). Затвердевшая смесь способна к разупрочнению в водной среде, что упрощает очистку смесителей от застывшей смеси водой, но исключает применение водных противопригарных красок. По степени воздействия на организм смесь относится к классу нетоксичных.
Отмечался отрицательный эффект теплового воздействия, следствием которого является недостаточная поверхностная прочность форм и стержней и связанная с ней осыпаемость. Решение проблемы осуществлялось как введением в состав связующего специальных добавок, так и воздействием на состав и структуру порошкообразного отвердителя.
Другое направление относится к взаимодействию оксидов железа с ортофосфорной кислотой. Исследованиями было установлено, что оксиды железа в железофосфатных смесях не только обеспечивают холодное твердение, но и регулируют теплопроводность, что позволяет в определенной степени управлять процессом затвердевания и кристаллизации отливки. Наличие оксидов железа повышает точность литья; снижает вероятность образования напряжений и других дефектов в отливках. С учетом сырьевой базы, смеси, в которых твердым компонентом является оксид железа, выглядели экономически привлекательными.
Железофосфатные связующие композиции были внедрены на ряде крупных заводов. Отмечались снижение газовыделения и улучшение санитарно-гигиенических условий труда, хорошая выбиваемость, высокая термостойкость, а также более рациональное использование исходных формовочных материалов. Смеси отвечали требованиям литейного производства и позволили улучшить качество станочного литья. Отливки отличались более высокой точностью и высокими физико-механическими свойствами. Металлоемкость литья снизилась в пределах 10%; брак - в два и более раз.
Осложняло использование железофосфатных смесей влияние на характер твердения дисперсности и состояния поверхности порошкообразного отвердителя. Последнее является следствием использования разнообразных железосодержащих материалов, как природных, так и отходов производства. Эти материалы не проходили дополнительной обработки: рассев или помол, а использовались как есть. В совокупности это обусловливало нестабильность свойств системы “окислы железа - ортофосфорная кислота”. Низкая (1150 ⁰ С) температура плавления железофосфатной композиции также ограничивала область их применения.
Общий недостаток всех основанных на кислотно-основном взаимодействии систем - высокая скорость отверждения на начальной стадии, следствием которой являются низкая поверхностная прочность, значительная усадка и хрупкость. Все это осложняет управление процессом. Результатом длительных исследований и производственной практики стало понимание о нежелательности применения фосфатных ХТС для отливок серийного производства, а также нестабильности процесса твердения без специальных мер, повышающих стоимость смеси. Для серийного производства решение виделось в управлении активностью отвердителей тепловым воздействием на смесь. ХТС с железоокисными порошками заменяют песчано-смоляные смеси только при устойчивом качестве материалов отвердителя. Магнийфосфатное связующее промышленностью освоено не было: оно готовилось на месте использования. Это означало появление в литейном цехе дополнительного химического передела, что противоречит принципу специализации.
Другим направлением исследований стало использование в качестве связующих готовых кислых растворов металлофосфатов.