Результат интеллектуальной деятельности: Противопригарная краска для литейных форм и стержней

Изобретение относится к литейному производству, в частности к противопригарным термостойким краскам для песчаных и других литейных форм и стержней, наносимых на внутреннюю поверхность.

Известна противопригарная краска, содержащая компоненты, мас. %: наполнитель (циркон или карбид титана или электрокорунд) 70-75, бентонит 2,5-4,5, сульфат алюминия 3,0-5,5, вода - остальное (патент РФ № 2489225, B22С 3/00).

Недостатком противопригарной краски является низкая седиментационная устойчивость, т.е. известная краска очень быстро расслаивается из-за наличия большого количества наполнителя (циркона или карбида титана или электрокорунда). Кроме того, краска не обеспечивает требуемого качества поверхности покрытия форм из-за низкой вязкости и затруднения ее равномерного нанесения на поверхность форм. Это приводит к пригару на поверхности отливок.

Известна противопригарная краска следующего состава: алюмосиликатный катализатор ИМ-2201 - 40,0-41,0%, пылевидный кварц - 4,5-5,0%, глина формовочная - 6,5-7,0%, жидкое стекло - 1,5-4,0%, вода техническая - 44,5-56% (Баранов, О.Г. Исследование и разработка противопригарных покрытий на модифицированном жидкостекольном связующем // Автореф. дисс. канд. техн. наук. Челябинск. 1997. 18 с.).

Недостатком данной противопригарной краски является невысокое содержание алюмосиликатного катализатора ИМ-2201 в составе, что снижает его противопригарный эффект. Кроме того, низкая плотность и седиментационная устойчивость, обусловленная большим количеством воды в краске, приводит к образованию подтеков, а также неравномерному нанесению на стенку формы. В процессе заливки формы расплавом происходит размывание локальных областей окрашенной поверхности.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является противопригарная краска, содержащая, мас. %: отработанный алюмосиликатный катализатор ИМ-2201 85,0-87,0; неорганическое связующее - формовочная огнеупорная глина 2,0-3,0; органическое связующее - технический лигносульфонат (ЛСТ) 4,0-5,0; вода техническая – остальное (Пат. 2689473 РФ, В22С 3/00. Противопригарное покрытие для литейных форм и стержней [Текст]/ Е.Г. Антошкина; патентообладатель Е.Г. Антошкина; заявл. 12.10.2018; опубл. 28.05.2019 Бюл. № 16.).

Недостатком этой противопригарной краски является низкая седиментационная устойчивость из-за высокой вязкости и малого количества воды и затруднения последующего качественного нанесения краски на поверхность форм и стержней. Большая толщина покрытия, связанная с высокой вязкостью, приводит к снижению точности литых заготовок и повышению норм расхода металла на механическую обработку.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении антипригарных и технологических свойств краски, позволяющих повысить качество поверхности отливок из стали.

Технический результат достигается путем создания качественной противопригарной краски для литейных форм и стержней с высокой седиментационной устойчивостью, кроющей способностью, обеспечивающей отсутствие пригара на отливках.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, достигается тем, что противопригарная краска для литейных форм и стержней, содержащая огнеупорный наполнитель в виде отработанного алюмосиликатного катализатора ИМ-2201, связующие неорганического и органического происхождения и воду, согласно изобретению, в качестве неорганического связующего она содержит бентонит, а в качестве органического связующего - декстрин при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Отработанный алюмосиликатный катализатор ИМ-2201 является отходом производства синтетического каучука и имеет следующий состав, мас.%: оксид алюминия Al₂O₃ (70-75); оксид хрома(III) Cr₂O₃ (15-22); оксид железа(III) Fe₂O₃ (0,7-0,8); оксид кальция СаО (0,3-0,4); оксид магния MgO (0,3-0,4); оксид калия K₂O (0,4-0,5); оксид натрия Na₂O (0,4-0,5); оксид кремния(IV) SiO₂ остальное. Наличие в составе катализатора тугоплавкого оксида хрома (III) обеспечивает повышение термической стойкости противопригарного покрытия.

Продукт обладает высокой огнеупорностью (около 1900°C), нерадиоактивен, не горюч, не токсичен, с неограниченным сроком хранения, прошел экологическую экспертизу и допущен к использованию в качестве огнеупорного наполнителя в противопригарных красках, не дефицитен (Пат. РФ 2689473).

Бентонит – глина, однородный сыпучий порошок от серого до светло-желтого цвета, без запаха и вкуса, слабо гигроскопичный, с водой образует гели. Плотность 2,5 - 2,76 кг/м³, температура плавления 1200°С. Бентонит (ГОСТ 28177-89) в литейном производстве является связующим материалом. Химический состав бентонита, мас. %: SiO₂ – 58,25; Al₂O₃ – 14,27; Fe₂O₃–4,37; MgO – 3,62; Na₂O – 2,25; K₂O – 1,20; CaO – 2,07, в том числе ИМПП – 14,00.

Декстрин – полисахарид, получаемый термической обработкой (200 – 250°С) картофельного или кукурузного крахмала (ГОСТ 6034-74). Молекулы крахмала построены из звеньев - (C₆H₁₀O₅), являющихся остатками молекул глюкозы, потерявших молекулу воды, поэтому состав крахмала выражают общей формулой (C₆H₁₀O₅)_х. Поставляется в твердом состоянии. Является органической составляющей краски и связующим, которое выгорает в процессе взаимодействия с заливаемым металлом и увеличивает газопроницаемость краски.

Заявляемый количественный состав противопригарной краски является оптимальным.

Снижение количества отходов алюмосиликатного катализатора ИМ-2201 ниже 64,2 % ухудшает седиментационную устойчивость краски, обусловленную увеличением количества воды в ней и снижением кроющей способности краски, что приводит к возникновению пригара. Увеличение количества отходов алюмосиликатного катализатора ИМ-2201 свыше 65,0 % снижает седиментационную устойчивость краски из-за повышения вязкости краски и как следствие – снижает кроющую способность с появлением пригара.

Бентонит в количестве менее 0,70 % не обеспечивает необходимой прочности краски, что приведет к снижению кроющей способности, смыванию ее с поверхности формы в процессе ее заливки металлом с последующим появлением пригара на отливке. Увеличение его содержания свыше 1,00 % способствует повышению вязкости краски, затруднению нанесения ее на форму или стержень, снижению седиментационной устойчивости и кроющей способности краски, что также приведет к пригару на отливке.

Декстрин при содержании менее 1,65 % не обеспечит необходимой вязкости краски и снизит седиментационную устойчивость, что приведет к расслоению ее и снизит кроющую способность краски, что приведет к пригару. При увеличении количества декстрина более чем 2,00 % существенно увеличится вязкость краски, что приведет к затруднению нанесения ее на форму или стержень, кроме того снизит кроющую способность и седиментационную устойчивость.

Готовят противопригарную краску следующим образом.

Предварительно измельченные порошкообразные отходы алюмохромового производства и бентонит (ГОСТ 28177-89) помещают в специальную мешалку, добавляют воду и порошок декстрина. Все указанные компоненты в заявленных количествах перемешивают до получения однородной массы. Измеряют вязкость полученной суспензии по отобранной из нее пробе. Она должна быть в пределах ВЗ-4 = 32,5 – 33,5 (ГОСТ 8420-74). Полученная противопригарная краска обладает высокой седиментационной устойчивостью и кроющей способностью. В последующем краска на поверхность формы или стержня наносится кистью, пульверизатором или путем окунания.

Для обоснования преимущества заявляемой противопригарной краски по сравнению с краской, взятой за прототип, были проведены опытные испытания. Опытные составы были изготовлены в лабораторных условиях ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». После приготовления составов краски их последовательно наносили на песчано-глинистые формы, в которых получали стальные отливки (плиты) размерами 250 × 150 × 3 мм. Сталь марки 35Л выплавляли в индукционной печи ИСТ 60 с основной футеровкой. После остывания отливки замеряли наличие пригара (от площади отливки) в процентах.

Было приготовлено восемь опытных составов противопригарной краски, из которых:

- составы № 1, 2 содержат компоненты в количестве, выходящем за минимальные значения заявляемой краски;

- составы № 3, 4, 5 содержат компоненты в количестве, взятом в заявляемом соотношении;

- составы № 6, 7 содержат компоненты в количестве, выходящем за максимальные заявляемые значения;

- состав № 8 – содержание компонентов в прототипе.

Опытные составы краски приведены в таблице 1. Качественные характеристики опытных составов краски приведены в таблице 2.

Седиментационную устойчивость противопригарной краски определяли по ГОСТ 10772-78. Вязкость краски определяли вискозиметром ВЗ-4 по ГОСТ 8420-74. Кроющую способность определяли по известной методике: в стакан с краской опускали 10-ти проволочную квадратную сетку с ячейками размерами 1,0 × 1,0 мм. Через 15 с сетку извлекали из стакана и подсчитывали количество заполненных отверстий краской. Отношение этого количества к общему количеству квадратов сетки в процентах позволило определить кроющую способность краски (Патент РФ 2671520).

Использовать составы № 1 и № 2 для приготовления краски нецелесообразно, так как это приводит к ухудшению кроющей способности (краска растекалась), на поверхности отливок наблюдался пригар.

У составов № 6 и № 7 наблюдалось снижение седиментационной устойчивости и резкое увеличение плотности, что ухудшило кроющую способность. На поверхности отливок наблюдали пригар, так как повысилась вязкость, что затруднило получение ровного покровного слоя.

Анализ результатов проведенных исследований показал, что антипригарные и технологические свойства краски в интервале ингредиентов заявленного состава (составы № 3,4,5), по сравнению с прототипом (состав № 8), обеспечивают отсутствие пригара на отливках за счет высокой седиментационной устойчивости (100 %) и хорошей кроющей способности. Кроме того, заявляемая противопригарная краска благодаря оптимальной условной вязкости (32,5-33,5 с.) применима для всех видов форм, в отличие от прототипа (68 с.), имеющего высокую вязкость, что приводит к снижению точности литых заготовок и повышению норм расхода металла на механическую обработку из- за большой толщины покрытия.

Анализ результатов проведенных исследований показал, что состав заявляемой противопригарной краски, по сравнению с прототипом, даёт улучшенные показатели качества, а именно высокую седиментационную устойчивость (100 %), хорошую кроющую способность. На поверхности отливок практически отсутствовал пригар.

Таблица 1

Таблица 2