6.3. Смеси с этилсиликатом

Увеличение точности и чистоты поверхности отливок может быть достигнуто применением неразъемных форм с мелкозернистым наполнителем. Между чистотой поверхности отливок и зернистостью формовочного материала существует прямая зависимость: чем мельче зерна формовочного материала, тем выше чистота поверхности. Однако, применение мелкозернистых материалов ограничено в связи с их плохой газопроницаемостью, которая приводит к появлению таких дефектов литья, как газовые раковины и т. д.

Рис. 12. Зависимость между чистотой поверхности отливки и зернистостью формовочного материала. Размер зерен 1 - 0. 01-0. 05 мм, 2 - 0. 05 мм, 3 - 0. 1 мм, 4 - 0. 1-0. 16 мм.

Для обеспечения необходимой прочности связующее мелкозернистого наполнителя должно обладать достаточной адгезионной и когезионной прочностью. Из практики известно, что подобному условию отвечают необратимо твердеющие связующие с параметрами кристаллической решетки, близкими к параметрам решетки формовочного материала

В случае применения пылевидного кварца (маршаллита) связующими могут быть вещества, образующие при твердении полисилоксаны (силиконы) или гели кремниевых кислот. Материал модели необходимо выбирать с учетом обеспечения хорошей смачиваемости связующим. Если адгезия связующего к зернам наполнителя превышает адгезию связующего к поверхности модели θ > 90°, то связующее под действием сил поверхностного натяжения и усадки втягивается в поры между зернами наполнителя, образуя на поверхности формы различные углубления.

Для изготовления оболочек форм используют связующие, которые в результате химических и физических процессов при сушке слоев и прокаливании оболочки превращаются в пленки огнеупорных оксидов, прочно соединяющие зерна формовочного материала.

В настоящее время в промышленной технологии литья по выплавляемым моделям применяются различные составы суспензий с разнообразными связующими —

этилсиликатом,

жидким стеклом,

кремнезолем,

металлофосфатами.

В качестве огнеупорных материалов используются кристаллический и аморфный кварц, шамот, корунд, силлиманит и др. Существуют многочисленные способы приготовления суспензий. Все эти материалы и способы приготовления связующих и суспензий рассмотрены [20]. Для художественных отливок наиболее оптимальной и чаще всего применяемой является технология с использованием этилсиликатного связующего.

В исходном состоянии все используемые связующие представляют собой жидкости, которые должны образовывать при смешивании с порошками огнеупорной основы устойчивые суспензии, хорошо смачивать поверхность моделей, не вступая во взаимодействие с модельным составом, по возможности быстро высыхать и отверждаться на поверхности модельных блоков, не претерпевая при этом значительной усадки и образуя прочные пленки с высокой степенью адгезии к поверхности зерен огнеупора.

Эти пленки не должны образовывать с материалом основы легкоплавких эвтектик и разупрочняться при прокаливании, а также заливке оболочек. Желательно, чтобы после затвердевания отливок такое разупрочнение наступало либо самопроизвольно, либо при воздействии легкодоступных средств без ущерба для качества отливок (например, под действием воды, пара, горячих растворов щелочей и вибрации). Связующие должны быть пригодны для длительного хранения, не содержать токсичных и взрывоопасных веществ, а также продуктов, способных к самовозгоранию и быть по возможности дешевыми.

Большинству этих требований отвечают гидролизованные растворы кремнийорганического продукта этилсиликата (ЭТС).

Для приготовления литейной форм с этилсиликатным связующим требуется следующие материалы: этилсиликат, органические растворители, соляная, фосфорная или серная кислота, вода, поверхностно-активные вещества, пылевидный кварц и шамот, кварцевый и шамотный песок, аммиак, жидкое стекло.

Этилсиликаты относятся к классу кремнийорганических соединений, химической природе это смесь этиловых эфиров, кремниевых кислот. Длянужд литейного производства отечественной промышленностью выпускаются:

Таблица 15

Химический состав этилсиликатов

ЭТС-40 (числами обозначено условное содержание SiO₂ в продукте). Фактически этилсиликат не содержит SiO₂, однако связующим служит неорганиче­ский полимер SiО₂. В табл. 16 приведены физико-химические показатели оте­чественных и зарубежных этилсиликатов

Различные по составу ЭТС получают при взаимодействии четыреххлористого кремния и этилового спирта:

SiCl₄+4C₂H₅OH ® (C₂H₅O)₄Si + 4HCl.

Основной продукт этой реакции этерификации — этиловый эфир ортокремниевой кислоты или тетраэтоксисилан (C₂H₅O)₄Si является мономером, который частично гидролизуется водой, содержащейся во вводимом в реакцию техническом этиловом спирте.

Продукты частичного гидролиза легко полимеризуются, образуя полимеры преимущественно линейного строения, в которых неорганические главные цепи молекул, построенные из атомов кремния и кислорода на основе очень прочных силоксановых связей (—Si—О—Si—), обрамлены органическими этоксильными группами

Общая формула таких полимеров (C₂H₅O)_2n+2 Si_nO_n-1.

Таким образом, этилсиликат (ЭТС) — сложная по составу жидкость, представляющая собой смесь тетраэтоксисилана и образующихся в результате процесса гидролитической поликонденсации полимеров, а также продуктов взаимодействия этоксисиланов с выделяющимся в процессе этерификации SiCl₄ хлористым водородом. Эти продукты в дальнейшем гидролизуются и хлор в них замещается гидроксильными группами.

Табл. 16