1.6 Характеристика формувальних та стрижневих сумішей

Біля 80 % загальної кількості виливків виготовляють у піщано-глинястих формах [19]. Проте точність і чистота поверхні таких виробів у багатьох випадках не відповідають вимогам сучасного машинобудування і особливо приладобудування, де використовують дрібні литі заготовки. У зв'язку із цим в останні роки інтенсивно почали використовувати спеціальні способи лиття: за моделями, що витоплюються, в оболонкові форми, у металеві форми (кокілі), під тиском, відцентрове лиття тощо. Всі ці способи максимально наближають розміри виливків з чистою поверхнею до розмірів готових деталей, тобто, потребують мінімального обсягу їх механічного оброблення.

Аналіз технології виготовлення форм і стрижнів. Виготовлення форм і стрижнів одна із трудомістких операцій ливарного виробництва.

Частка таких робіт у загальній трудомісткості одержання виливків становить у середньому 25...30%, а для складних виливків, наприклад, у приладо- і моторобудуванні – 30...60% [19].

Серед множини рецептур сумішей різного призначення одне із провідних місць посідають холоднотвердні формувальні і стрижневі суміші. Їх можна класифікувати залежно від зв'язувального компоненту, способу тверднення, текучості й інших ознак.

За видом зв’язувального компонента розрізняють ХТС із рідким склом, технічними лігносульфонатами (ЛСТ), синтетичними смолами, фосфатами, кристалогідратами, алюмінатами, масляними й іншими зв’язувальними компонентами.

За способом тверднення ХТС їх розділяють на суміші з затверджувачем, який додають разом із зв’язувальними компонентами під час їх приготування, і суміші, що тверднуть внаслідок продування газоподібним затверджувачем під час або після заповнення ними оснастки і їх ущільнення.

За тривалістю збереження живучості розрізняють ХТС із тривалим (понад 30…45 хв) і коротким (5…180 с) циклом тверднення. Перші застосовують в одиничному й дрібносерійному виробництвах, а другі – у великосерійному і масовому виробництвах виливків.

Залежно від реологічних властивостей ХТС поділяють на пластичні, рідкорухомі й сипкі, а залежно від природи зв’язувального компонента – на суміші з органічними (ЛСТ, смоли тощо) і неорганічними (рідке скло, фосфати, кристалогідрати тощо) зв’язувальними компонентами.

На теперішній час найпоширеніше з усіх ХТС застосовують формувальні суміші з рідким склом з різними способами тверднення: за допомогою СО₂, додаванням в суміш двокальцієвих силікатів, рідких ефірів, витримуванням на повітрі тощо.

СО₂-процес. Технології виготовлення форм і стрижнів з формувальних сумішей з рідким склом з затвердженням їх вуглекислим газом набули застосування у всіх розвинених промислових країнах світу. Сутність технології полягає в наступному: у формувальну суміш під час приготування додають 5…7% рідкого скла, ущільнюють її в стрижневому ящику або опоці і продувають вуглекислим газом. Такі суміші мають високу міцність, але низьку вибиваємість, що утруднює фінішні операції і підвищує собівартість литва.

Використовують переважно в сталеливарному виробництві різного характеру, оскільки вони сприяють формуванню легко відокремлюваного пригару на виливках навіть без фарбування форм [20].

Слід зазначити, що продування форм і стрижнів через модельне оснащення дає можливість досягти більшої їхньої точності, ніж під час тверднення поза оснасткою.

За даним П.Н.Григор’єва і М.А.Матвєєва [21], під час продування СО₂ суміші з рідким склом відбувається розкладання силікатів натрію й утворення гелю кремнієвої кислоти:

Na₂O · nSi₂ + CO₂ + m₂O = nSi₂ · mН₂О + Na₂CO₃

Гель, що утворився, має тривимірну структуру зі сферичних часток полікремнієвої кислоти, зчеплених силоксановими зв’язками Si-О-Si, у результаті чого утворюється міцний кістяк формувальної суміші.

Рідке скло слід застосовувати густиною 1480…1520 кг/м³. За меншої густини збільшується вміст вологи в суміші, знижується міцність форм і стрижнів; за більшої – підвищується в’язкість рідкого скла й погіршується його розосередження в наповнювачі.

Міцність й інші властивості ХТС з рідким склом залежать від часу їхнього перемішування під час приготування суміші. Зі збільшенням тривалості перемішування (у результаті посилення гідролізу рідкого скла й утворення гелю кремнієвої кислоти) міцність ХТС у сирому стані й після продувки СО₂ підвищується. Процес дає можливість широко застосовувати зміцнення форм і стрижнів у контакті з оснасткою, в результаті чого підвищується точність форм, стрижнів, знижується брак виливків і підвищується їх точність.

ХТС із рідким склом нетоксичні, а рідке скло недефіцитне. Істотним недоліком ХТС із рідким склом є утруднена вибиваємість стрижнів і виливків із форм. Крім того, плівки рідкого скла міцно зчеплені з піщинками, ускладнюють регенерацію цих сумішей.

Форми і стрижні із ХТС із рідким склом під час витримування на повітрі в результаті випаровування вологи й під дією вуглекислого газу твердіють повільно. Для досягнення мінімально необхідної товщини затверділого шару суміші й міцності час витримування їх на повітрі має становити не менше 7…8 год, а для великих форм – понад 24 год. Такий процес через велику його тривалість застосовується рідко в одиничному і дрібносерійному виробництвах виливків.

Під час теплового сушіння форм і стрижнів в результаті випаровування вологи, полімеризації силікатів натрію утворюється щільніша міцніша структура склоподібної плівки силікатів натрію [22]. За цією технологією повніше реалізуються зв’язувальні властивості рідкого скла, при цьому оптимальна температура сушіння має бути біля 150 °С, а тривалість – 0,5…1,5 год.

Це суттєво скорочує час необхідний для тверднення сумішей у порівнянні із звичайною технологією теплового сушіння форм і стрижнів із піщано-глинястих сумішей, особливо після нанесення на них водяних протипригарних фарб.

У табл. 1.4 наведено міцність. і тривалість твердіння ХТС різними способами.

Таблиця 1.4 – Міцність і тривалість тверднення ХТС різними способами

Спосіб тверднення	Міцність при стискуванні, МПа	Тривалість твердіння, хв, для досягнення
		максимальної міцності	1,5…1,8 МПа
Продувка СО2 Сушіння при 200 °С Продувка стисненим повітрям Вакуумування Витримування на повітрі при нормальних температурах	1,6…1,8 > 10 7…8 7…8 7…8	1,0 10…15 10…15 90…120 3…4 доби	1,0 5…7 5…7 30…40 7…9 год

Для покращання вибиваємості рідкоскляних ХТС у суміш додають добавки, які поділяють на неорганічні й органічні.

Неорганічні добавки покращують вибиваємість рідкоскляних ХТС, якщо вони утворюють із лужними силікатами багатокомпонентні системи, що зміщують температуру їхнього плавлення в область більш високих температур.

Найефективнішими з цих добавок (у кількості 0,5…2,0%) є глина, оксиди й гідроксиди алюмінію, алюмінієва пудра, шамот, боксити тощо.

Більшість органічних добавок знижують міцність рідкоскляних сумішей після прогрівання до 800 °С и полегшують вибиваємість стрижнів із виливків. Найчастіше застосовують кам’яновугільний порошок, кокс, деревну тирсу, графіт, смоли, речовини, які вміщують цукор, що зв'язують ЛСТ, гідрол, лігнін, різні нафтопродукти тощо.

Рідкими затверджувачами рідкоскляних сумішей є слабо кислі речовини, які забезпечують певну швидкість твердіння й міцність ХТС. Найпридатнішими серед рідких затверджувачів є складні органічні ефіри або альдегіди. Складні ефіри одержують взаємодією органічних кислот (оцтової, вугільної) з багатоатомними спиртами (гліцерином, етиленгліколем, пропиленгліколем тощо).

Типові рецептури ХТС із рідким склом наведено в табл. 1.5.

ХТС з технічними лігносульфонатами (ЛСТ) широко використовують в ливарних цехах завдяки низькій вартості, не дефіцитності цього зв'язувального компонента, задовільної вибиваємості сумішей із виливків. Найчастіше застосовують ХТС із ЛСТ, які твердіють за допомогою хромового ангідриду.

ХТС з синтетичними смолами. За останні роки значного поширення набули ХТС із синтетичними смолами, що пояснюється насамперед їхньою високою міцністю при малій (1…2 %) витраті, можливістю регулювання міцності й швидкості твердіння у великому діапазоні. ХТС зі смолами мають високу текучість і внаслідок цього легко ущільнюються вібрацією, на піскодувних (піскострільних) машинах, пресуванням під невисоким (0,2…0,3 МПа) тиском тощо. Стрижні з цих ХТС негігроскопічні, їхня міцність під час зберігання не знижується, вони мають високі піддатливість та вибиваємість.

Під час застосування ХТС зі смолами в кілька разів скорочується цикл виготовлення стрижнів, покращується чистота поверхні виливків, знижуються їх собівартість і брак.

Всі смоли холодного тверднення можна застосовувати для виготовлення стрижнів і форм у нагрітій оснастці.

Проте не всі смоли, що використовують для нагрітої оснастки, придатні для ХТС, оскільки при нормальних температурах швидкість їх тверднення дуже повільна. ХТС зі смолами застосовують у ливарних цехах з різним характером виробництва виливків із чавуну, сталі й сплавів на основі кольорових металів, які раніше виготовляли на оливових та інших органічних зв’язувальних компонентах.

Таблиця 1.5 – Рецептури ХТС із рідким склом [23]

Номер суміші	Склад ХТС, мас. ч.								Міцність на стиск, 0,1 МПа, після тверднення
	Кварцовий пісок	Рідке скло	Відпрацьована суміш	Глина	Добавка для покра-щання вибиваємості	Ферохромовий шлак	Рідкий ефір	ПАР	СО2	Через 1 годину	З рідким ефіром через 1 годину
1	95…97	5…6	–	3…5	1…3	–	–	–	12…18	–	–
2	50…70	5…6	30	–	1…3	–	–	–	8…18	–	–
3	95…97	5…6	–	–	1…2	3…5	–	–	–	2,0…5,0	–
4	95…97	5…7	–	–	1…2	4…5	–	0,1…0,2	–	1,5…3,5	–
5	96…97	3…4	–	–	–	–	0,3…0,4	–	–	–	3…7

ХТС частіше застосовують для виготовлення стрижнів, ніж для виготовлення форм. Вважають, що економічно виправданим є застосування ХТС для виготовлення форм, якщо відношення маси форми до маси залитого в неї металу не перевищує трьох.

Аналізом стану цього питання установлено, що з усіх зв’язувальних компонентів, застосовуваних у теперішній час у ливарному виробництві, найбільшу міцність при мінімальній витраті можуть забезпечити синтетичні олігомірні зв’язувальні матеріали, якими є синтетичні смоли, які забезпечують на поверхні ливарної форми таку структуру, яка не руйнується тривалий час при високих температурах. До таких смол відносять фенолоформальдегідні й сечовино-формальдегідні з великою добавкою фурилового спирту, а також поліефірні смоли, при затвердінні яких утворюються поліуретани.

Для приготування сумішей з максимальною міцністю при мінімальному вмісті смоли необхідно застосовувати смоли з оптимальним ступенем полімеризації їхніх молекул, точніше смоли типу олігомерів, що мають молекулярну масу середню між мономером і полімером. Необхідними умовами для мінімальних витрат зв’язувального компонента є висока якість піску, мінімальний вміст глини й інших домішок, які знижують адгезію полімеру до наповнювача. Для цього використовують збагачені піски, що не мають домішок, із вмістом глинястої складової < 0,1%. Додаткові витрати на таку підготовку піску повністю виправдані, тому що такий процес суттєво знижує витрати смоли, зменшує газотвірність сумішей, покращує якість виливків й умови праці в цеху.

Дешевшим і доступнішим для ливарного виробництва є модифікування смол етилсилікатом у процесі синтезу [24]. Ефект модифікування при цьому вищий, ніж після введення силану в ХТС.

Недоліком ХТС із синтетичними смолами є їх висока вартість, хоча в результаті застосування таких сумішей собівартість литва в цілому суттєво знижується. Іншим недоліком сумішей є виокремлення токсичних речовин (формальдегіду, фенолу тощо), тому необхідно строго дотримуватися правил безпеки.

Практикою установлено, що тривалість тверднення стрижня або форми із ХТС зі смолами залежить від реакційної здатності смоли та від виду й кількості затверджувача, співвідношення цих компонентів, а також температури й становить від декількох секунд до 1…3 год.

У виробництві литих заготовок використовують декілька способів тверднення ХТС зі смолами:

– додавання в суміш 65…85 % водних розчинів кислот: ортофосфорної бензолсульфокислоти, пара-толуолсульфонової, пара-хлорбензол-сульфонової тощо. Тривалість тверднення становить 20…60 хв;

– додавання амінів до ХТС із алкідними смолами, модифікованими оливою і фенолоформальдегідними смолами;

– продування суміші сухим повітрям або іншим нетоксичним газом. Після продування холодним повітрям із смоли видаляються розчинник і низькомолекулярні продукти, що виокремлюються під час її поліконденсації. Це прискорює тверднення суміші: чим леткіший розчинник, тим швидше відбувається тверднення ХТС;

– вакуумування або витримування форми в умовах зниженого тиску. Під час вакуумування відбувається відсмоктування продуктів, що утворюються внаслідок поліконденсації смоли. Це прискорює реакцію поліконденсації й попереджає потрапляння шкідливих продуктів в атмосферу цеху.

Стрижневі суміші на основі алюмінатних розчинів. Перспективним напрямком розвитку й застосування ХТС є [25] використання як зв’язувального компонента розчину алюмінату натрію. ХТС із алюмінатними розчинами продувають СО₂ або піддають тепловому сушінню, при цьому можливо створення замкнутого циклу виробництва з відновленням алюмінату натрію і регенерацією піску. Такі ХТС поєднують переваги органічних і неорганічних зв’язувальних компонентів, їх готують з використанням коткових змішувачів періодичної або безперервної дії.

Нові технології виготовлення стрижнів. Фірма Laempe розробила Beach Box-процес [26], при якому застосовується стрижнева суміш із неорганічним зв’язувальним компонентом (сульфат магнію). Таку суміш зволожують, а під час видалення з фіксованого стрижня вологи (наприклад, при вакуумуванні) сульфат магнію кристалізується. Такі кристали у вигляді ниток цементують стрижень. Після зволоження стрижня (виливок занурюють у бак з водою) відбувається його саморуйнування.

Beach Box-процес здійснюють на піскострільній машині, в яку вмонтований змішувач. На досвіді виробництва стрижнів для головок блоку циліндрів показано, що тверднення стрижнів відбувається протягом 20..30 с, а операція вибивання займає 10 с.

Одним з основних напрямків розвитку сучасного ливарного виробництва, є підвищення геометричної точності виливків і експлуатаційної надійності литих деталей з використанням водорозчинних стрижнів для тонкопорожнинних виливків. Розроблення і впровадження такої технології має першорядне значення, тому що витрати на фінішні операції в ливарних цехах для звичайних технологій становлять 40…50% всіх витрат на виготовлення виливків, а в механічних цехах під час оброблення литих заготовок в стружку перетворюється біля 20% їх маси.

У вузлах різних приладів, машин і механізмів значне місце посідають точні виливки з тонкими й складними за своєю конфігурацією порожнинами. Прикладами таких виливків можуть слугувати порожнисті лопатки турбін, охолоджувані поршні і багато інших. При цьому розміри порожнин у світлі становлять іноді десяті частки мм, при довжині порожнин до декількох десятків мм, товщина стінок виливків при цьому часто досягає від 0,6 – 1,0 мм [27].

Виготовлення таких виливків ускладнюється не тільки необхідністю високих ливарних й механічних властивостей сплавів, але і труднощами одержання тонких порожнин литтям. Тому донедавна такі порожнини одержували складними методами механічного оброблення.

Виготовлення тонкопорожнинних виливків зі сталі й тугоплавких сплавів

стало можливим при використанні керамічних стрижнів, що спікаються з різних оксидів. Такі стрижні мають високі механічні властивості та низьку газотвірну здатність. Ці вимоги можуть бути забезпечені спіканням окислів Аl₂О₃, SiO₂, ZrO₂ як у чистому вигляді, так і в різних комбінаціях. Проте технологія видалення цих стрижнів досить складна. Стрижні з виливків видаляють в концентрованих розплавах і розчинах лугів, кислот, фтористих сполук тривалий час.

До керамічних стрижнів з оксидів або їх композицій пред’являють такі вимоги:

– висока точність і стабільність геометрії як після випалу, так і під час заповнення форм рідким металом: навіть невелике жолоблення стрижня призводить до неприпустимої зміни товщин стінок виливка;

– високі механічні властивості в широкому температурному інтервалі, що забезпечують міцність складних за геометрією стрижнів як у процесі виготовлення ливарної форми, так і під час заливання;

– відсутність хімічної взаємодії між стрижнем і рідким металом;

– обмеження в хімічному складі вогнетривкої маси щодо вмісту оксидів заліза та лужних домішок для стабільності технологічного процесу;

– висока термостійкість, що гарантує відсутність руйнування стрижнів під час термічного удару, який проявляється внаслідок контакту металу і стрижня;

– низька шорсткість поверхні стрижнів (не більше 20 мкм) для одержання гладкої поверхні виливка;

– мінімальна газотвірна здатність стрижнів, що забезпечує виготовлення виливків без газових раковин;

– здатність стрижнів видалятися з виливків за мінімально короткий час у неагресивному середовищі.

Отже важливим напрямком у пошуку вогнетривів для стрижнів тонкопорожнинних виливків має бути застосування матеріалів, які б відповідали цим вимогам. Такими матеріалами є солі, розчиненням яких у воді можна видаляти стрижні із виливків складної геометрії. Стрижні на основі солей, виготовлені методом спікання, на відміну від оксидної кераміки, одержали назву солекераміки.

Оскільки солекераміка видаляється розчиненням у воді за короткий час, відпадає необхідність у створенні складного очисного устатковання. Крім того виливок не піддається впливу агресивного середовища і зберігає високу якість поверхні.

Застосування солей для стрижнів є новим напрямком у технології ливарного виробництва, що дає можливість вирішити проблему виготовлення тонкопорожнинних виливків з одночасним підвищенням геометричної точності й експлуатаційної надійності литих деталей відповідального і особливо відповідального призначення.

З урахуванням наведених вимог стрижні необхідно виготовляти способами керамічного виробництва [28…30]:

– литтям з водних суспензій у гіпсові форми (шлікерне лиття);

– холодне пресування порошкоподібних мас;

– пресування за високих температур у графітових формах (гаряче пресування);

– протягування пластифікованих мас;

– Шоу-процес;

– пресування пластифікованих суспензій з наступним випалом (лиття термопластичних шлікерів).

На основі аналізу наведених способів для визначення можливості їхнього застосування в розробленні технологічних процесів виготовлення стрижнів, що легко видаляються із виливків, зроблено такі висновки:

– шлікерне лиття з використанням водорозчинних вогнетривких матеріалів неможливо, тому що водні розчини солей, що утворяться, не можуть бути сформовані в необхідний об’єм;

– холодним пресуванням порошкоподібних мас можна виготовити стрижні нескладної форми, при цьому необхідні великі зусилля пресування (250 МПа), внаслідок чого має місце високе абразивне зношування оснастки;

– аналогічні недоліки має й спосіб протягування пластифікованих мас.

Крім того цей спосіб дає можливість виготовляти стрижні тільки сталого перерізу, а не фасонного;

– пресування за високих температурах обмежує можливості виготовлення стрижнів різноманітної форми;

– недоліком стрижнів, що виготовляють Шоу-процесом для тонкопорожнинних виливків, є їхнє жолоблення уже під час виготовлення, теплового обробленні, заливання металом внаслідок низької механічної міцності. Видалення стрижнів із виливків утруднене через наявність на зернах вогнетриву тонкої плівки кремнезему;

– метод лиття термопластичних шлікерів має ще й іншу назву – метод виготовлення керамічних стрижнів пресуванням термопластичних суспензій з наступним випалом. Саме при цьому відбувається одержання цілих зв’язків твердих тіл об’єднанням структурних елементів, що входять до їхнього складу. Цей метод дає можливість виготовляти стрижні складної конфігурації при низькому тиску пресування. Службові властивості стрижнів визначаються параметрами технологічного процесу, що піддаються контролю й регулюванню. Якісне формування стрижнів при використанні цього методу може бути досягнуто тільки за умови високих текучості суспензії, її седиментаційної й агрегативної стійкості та заповнюваності прес-форм, вмісту твердої фази [31, 32]. Проте ці рекомендації потребують додаткових досліджень, оскільки в літературі відсутні відомості щодо будови термопластичних суспензій на основі соляних наповнювачів, оскільки для кожного матеріалу необхідно вибирати термопластичну зв’язку, режими технологічного процесу, а також враховувати фізико-хімічні явища, що відбуваються в суспензії.

Швидкотвердні зв’язувальні компоненти. У машинобудуванні нашої країни для виготовлення стрижнів у нагрітій оснастці поряд зі смолами використовують швидкотвердні зв’язувальні компоненти – ЛСТ, КЛС, ЛСВ, гідрол тощо. Усі швидкотвердні зв’язувальні компоненти відносять до водних матеріалів, а отже, механізм тверднення їх пов’язаний переважно з видаленням води.

У порівнянні із синтетичними смолами швидкотвердні зв’язувальні компоненти мають уповільнене тверднення, низьку зв’язувальну здатність й гірші технологічні властивості. Проте зв’язувальні компоненти цього класу мають задовільні санітарно-гігієнічні властивості, а являючись побічними продуктами основних виробництв, мають низьку вартість і недефіцитні.

Серед цього класу зв’язувальних компонентів на увагу заслуговують лігносульфонати технічні (ЛСТ). Вони нетоксичні у вихідному стані й менше токсичні, ніж смоли під час теплового оброблення [33].

За останні роки, в зв’язку із суттєвими змінами в технологіях варіння целюлози й біохімічного перероблення сульфітних лугів, відбулися значні зміни в складі й властивостях зв’язувального компонента. Перехід на розчинні (Na⁺, NH₄⁺) основи варильної кислоти, утилізація пентозних і гексозних цукрів на спирт і кормові білкові дріжджі, а також хімічна (введення нейтралізаторів, піногасників, і живильних солей ) і багаторазове термічне оброблення призвели до зниження зв’язувальних властивостей лігносульфонатів. Недостатня швидкість їх тверднення і знижена зв’язувальна здатність утруднюють технології виготовлення стрижнів у нагрітій оснастці.

У серійному й масовому виробництвах виливків найпоширенішим є процес виготовлення стрижнів з твердненням у нагрітій оснастці. Початок застосуванню нагрітої оснастки поклав Croning-процес – процес виготовлення оболонкових стрижнів із сухих піщано-смоляних сумішей [34].

Як зв’язувальні компоненти в сумішах для Croning-процесу використовують феноло-формальдегідні наволочні (термопластичні) смоли. Оболонкове лиття забезпечує одержання складних фасонних виливків при високій точності й майже повній відсутності браку [35]. Готові піщано-смоляні суміші, отримані механічним перемішуванням або плакуванням, не мають міцності і можуть зберігатися тривалий час. Суміші на пульвербакеліті готують без підігрівання, а при використанні рідкого бакеліту або смоли суміш підігрівають до 40...50°С, а потім висушують на повітрі. Перед використанням суміш рекомендують просівати з метою видалення грудок. Суміші, приготовлені механічним перемішуванням, за якістю поступаються плакованим, тому що під час їх зберігання й транспортування відбувається відокремлення зв’язувального компонента від зерен наповнювача, а під час надування суміші в оснастку має місце нерівномірний розподіл зв’язувального компонента по об’єму стрижня.

При холодному способі плакування суху термореактивну смолу розчиняють в ацетоні або етиловому спирті безпосередньо в змішувачі при перемішуванні з піском, або заздалегідь. Для видалення розчинника суміш продувають холодним повітрям. Остаточне висушування суміші й дроблення грудок відбувається в спеціальних пристроях.

При гарячому способі плакування смола розплавляється в результаті перемішування з попередньо нагрітим до 140…150 °С піском, рівномірно покриваючи окремі піщинки. Як вихідні матеріали використовують пісок і наволочну смолу в сухому порошкоподібному стані або бакелітовий лак з наступним введенням у суміш уротропіну для переведення термопластичної смоли в термореактивну. Уротропін видаляють за температур суміші не вище 60°С, щоб попередити можливість початку полімеризації смоли до використання суміші. Потім суміш висушують на повітрі під вентилятором. Просушена суміш просіюється й зберігається в герметичній тарі. Спосіб гарячого плакування дає можливість широко варіювати міцність і швидкість твердіння суміші.

Як наповнювач стрижневих сумішей рекомендують застосовувати кварцові піски з концентрацією SiО₂ не менше 98%, вміст глинястої складової – не більше 0,5% і лужних домішок (К₂О + Na₂O) – не більше 0,1%.

Зв’язувальні матеріали для виготовлення стрижнів у нагрітій оснастці слід розглядати у двох аспектах: технологічному й екологічному.

Відповідно до технологічного аспекту зв’язувальний компонент повинен мати високу реакційну здатність. При цьому суміші повинні мати необхідні за умовами виробництва механічні властивості й термостійкість, що дає можливість тверднути стрижням порівняно при високій температурі без зниження поверхневої міцності й істотного газовиділення. Комплекс відзначених параметрів зв’язувальних матеріалів умовно можна віднести до первинних технологічних властивостей, необхідних для одержання з високою продуктивністю якісних стрижнів. Однак для одержання якісних виливків вони недостатні. Важливо, щоб зв’язувальний компонент мав ще комплекс вторинних технологічних властивостей, які проявляються під час формування виливка у формі: висока термостійкість, знижена газотвірна здатність, концентрація азоту в газоподібних продуктах деструкції не має бути вище певної межі.

Відповідно до екологічного аспекту зв’язувальні компоненти і спеціальні добавки повинні мати мінімальну токсичність у вихідному стані й під час теплового оброблення в процесі тверднення стрижнів, заливання та вибивання форми.

У наш час для виготовлення стрижнів застосовують понад 40 видів зв’язувальних матеріалів [33] і кількість їх безупинно зростає. Це пояснюється тим, що жоден із зв’язувальних компонентів не є універсальним і не відповідає основним вимогам (висока реакційна й зв’язувальна здатність, недефіцитність і низька вартість).

Зв’язувальні компоненти, які використовують для виготовлення стрижнів у нагрітій оснастці, поділяють на два класи: синтетичні смоли і швидкотвердні зв’язувальні компоненти [23].

Усі синтетичні смоли належать до числа високомолекулярних сполук – полімерів, одержуваних реакцією поліконденсації, або полімеризації [33]. Смоли, застосовувані для приготування стрижневих сумішей, одержують реакцією поліконденсації, що являє собою процес утворення молекул із сполук однакового або різного складу, що супроводжується виокремленням найпростіших низькомолекулярних речовин (води, аміаку, хлористого водню). Поліконденсація йде в тому випадку, коли молекули вихідних речовин містять не менше двох функціональних груп, здатних до взаємодії між собою [36]. Такими групами є, наприклад, гідроксильна (-ОН), карбоксильна, альдегідна, амінна (-NH₂), ізоцианатна (-NCO), а також активний водень, зв’язаний безпосередньо з вуглецем у різних положеннях молекул.

Термореактивні смоли під час нагрівання або під дією каталізаторів, а також самостійно при тривалому зберіганні переходять у неплавкий стан. Швидкість тверднення суміші (швидкість поліконденсації) залежить від того, наскільки швидко відбувається видалення з реакційної зони побічних продуктів реакції. Так як нагрівання суміші в оснастці пов’язане з нерівномірним розподілом температури по перерізу стрижня, то реакція поліконденсації зв’язувального компонента відбувається з різним ступенем завершеності. Наслідком цього явища можуть бути дефекти стрижнів (руйнування, підвищена газотвірна здатність тощо).

Найважливішими в технологічному відношенні характеристиками суміші є в’язкість, стабільність властивостей під час зберігання, вміст вільних летких мономерів.

За класифікацією А.М. Лясса [22] смоли, які широко використовують у ливарному виробництві, мають такі назви:

– фенолоформальдегідні (фенолоспирт, ВР-1, СФ-480);

– сечовино-формальдегідні (УКС, М-3, МФ-17);

– сечовино-формальдегідно-фенольні (СФ-411);

– феноло-формальдегідно-фуранові (ФФ-1С, ФФ-1Ф);

– сечовино-формальдегідно-фуранові (КФ-40, КФ-90).

Фенолоформальдегідні смоли – продукт спільної поліконденсації фенолу (С₆Н₅ОН) з формальдегідом (СН₂О). Смоли цього класу не вмістять азоту й рекомендуються до застосування під час виробництва сталевого лиття. За термостійкістю (коксове число (КЧ) = 30...45) вони поступаються тільки фенолоформальдегідно-фурановим смолам (КЧ = 45...50).

Недоліками фенолоформальдегідних смол є низька реакційна здатність і підвищений вміст токсичних компонентів.

Сечовино-формальдегідні (карбамідні) смоли одержують спільною конденсацією сечовини (СО(NH₂)₂) з формальдегідом. Карбамідні смоли легко набухають у воді, спирті й гліцерині, що є ознакою малої кількості поперечних зв’язків. Це підтверджується низькою стійкістю затверділих смол у гарячій воді й легкістю деструкції під час нагрівання з малим виходом коксу (КЧ = 12...20). Карбамідні смоли мають високу реакційну здатність, але через гігроскопічність, низьку термостійкість й високий вмісту азоту (до 18%) їх застосовують для виробництва виливків з легких сплавів, де зазначені недоліки не мають вирішального значення.

Фенолоформальдегідно-фуранові й сечовино-формальдегідно-фуранові (фуранові) смоли одержують модифікуванням вище зазначених смол фуриловим спиртом (С₅Н₆О₂) [36]. Термостійкість смол підвищується зі збільшенням вмісту фурилового спирту внаслідок карбонізації його під час горіння. Вуглецевий шар на зернах піску є зв’язкою, що зберігає міцність ппід час заливання форм металом. Фуранові смоли застосовують для виготовлення всіх видів литва. Основними недоліками фуранових смол є підвищений вміст токсичних речовин і досить висока вартість.

Сечовино-формальдегідно-фенольні смоли одержують спільною поліконденсацією сечовини, формальдегіду і фенолу. Смоли цього класу за реакційною здатністю практично не поступаються карбамідним смолам, а низький вміст азоту й досить висока термостійкість дають можливість застосовувати їх для виробництва чавунного лиття. Характеристику смол наведено в табл. 1.6.

Таблиця 1.6 – Характеристики смол

Клас смол	Марка	Вміст вільного формальдегіду, %, не більше	Вміст азоту, %	Строк зберігання, місяці	Область застосування (вид литва)
Фенолоформаль-дегідні	Феноло-спирт	4,0	–	2	Сталеве, чавунне
	СФ-480	2,0	–	3	Сталеве
Сечовино-фор-мальдегідні	УКС	1,2	17,9	2	Кольорове
	М-3	0,5	15,8	4	Кольорове
Фенолоформаль-дегідно-фуранові	ФФ-1С	–	–	6	Сталеве, чавунне
Сечовино-фор-мальдегідно-фура-нові	КФ-90	2,5	8,0	6	Чавунне
	КФ-40	2,7	14,0	6	Кольорове, чавунне
Сечовино-формальдегидно-фенольні	СФ-411	8,0	8,0	2	Чавунне

Більші труднощі виникають при впровадженні прогресивної технології з використанням смол у діючі цехи, тому що на всіх стадіях технологічного процесу виготовлення виливків (готування сумішей, твердіння стрижнів, заливання і вибивання форм) спостерігаються виділення токсичних компонентів зв'язуючих і продуктів їх твердіння. Нейтралізація токсичних речовин або їхнє видалення з атмосфери цеху за допомогою проточно-витяжної вентиляції не завжди дає позитивний результат, але значно збільшує капітальні витрати і знижує ефективність впровадження технології.

Під час використання деяких смол у виливках можуть з’являтися дефекти як внутрішні, так і поверхневі, у вигляді підкіркових пор (ситоподібної пористості), підвищеної шорсткості поверхні, пригару тощо. Зазначені недоліки різко обмежують область застосування смол і роблять їх непридатними для виробництві виливків із сталей, особливо із спеціальними властивостями.

Відсутність безглинястих пісків потребує підвищеного вмісту смол у сумішах, що негативно позначається на санітарно-гігієнічних умовах праці.

Таким чином, під час використання смол завдання задовільно вирішується лише в технологічному аспекті, а в екологічному аспекті проблема застосування смол залишається актуальною.