Главная » Блог » Смесеприготовление в литейном производстве

В зависимости от механизма отверждения связующего, процессы машинного отверждения стержней можно укрупнено разделить на процессы отверждения стержней в горячей оснастке и процессы с использованием газоотверждаемых холоднотвердеющих смесей («продувочные» технологии).

В данной группе технологических процессов можно выделить:
- классические технологии отверждения стержней в горячих ящиках (технологии Hot-Box);
-  метод изготовления оболочковых стержней (технология Сroning);
-  процесс отверждения стержней в теплых ящиках (технология Warm-Box).

Процессы изготовления стержней в нагреваемой оснастке в отечественном массовом и крупносерийном производстве отливок в настоящее время является основным методом получения стержней. Эти процессы были освоены в 60-е гг. на крупных литейных производствах Волжского и Камского автомобильных заводов. Большинство из нескольких тысяч эксплуатируемых в настоящее время на заводах СНГ стержневых автоматов работают именно по этой технологии. В качестве связующего материала используются синтетические смолы – продукты конденсации формальдегида с карбамидом и/или фенолом, и/или фуриловым спиртом. Ускорителями горячего отверждения служат кислые соли преимущественно латентного действия, т.е. с низкой каталитической активностью (кислотностью) при нормальной температуре и овышенной – при нагреве в условиях отверждения в горячей оснастке. Технологически процесс изготовления стержней в нагреваемой оснастке выглядит следующим образом: готовая стержневая смесь пескодувным либо пескострельным способом надувается в полость предварительно нагретого до температуры 240…320°С стержневого ящика. Нагрев стержневого ящика осуществляется либо газом, либо электрическими нагревателями. В зависимости от массы и геометрических параметров изготавливаемого стержня, происходит его выдержка в нагретой оснастке в течение 20…180 с. Такая выдержка необходима для нагрева стержня и обеспечения начальной стадии каталитического отверждения стержневого связующего. При этом связующее должно обеспечивать прочность горячему стержню, необходимую для его извлечения из нагретой оснастки в заданное время и без деформации. Для стержней сложной конфигурации «горячая прочность», как правило, должна быть не менее 0,2 МПа при растяжении. Процесс доотверждения связующего осуществляется на воздухе после извлечения стержня из нагретой оснастки (за счет аккумулированной стержнем теплоты) и сопровождается ростом прочности стержня. В зависимости от конфигурации и условий использования «холодная прочность» должна находиться в пределах 1,8…3,0 МПа при растяжении.

В настоящее время промышленностью (как российской, так и зарубежной) производится большое количество разнообразных связующих композиций. В литейном производстве Республики Беларусь наиболее широко используются связующие материалы, производимые в Российской Федерации. Смолы КФ-90 и «Фуритол-107» - основные связующие при изготовлении стержней чугунных отливок на заводах автомобильной промышленности и тракторного и сельскохозяйственного машиностроения.

Для производства ответственных отливок из алюминиевых сплавов и бронзы применяют смолы КФ-35, КФ-40.

Лучшими катализаторами являются растворы нитрата или хлорида меди. Преимущества таких катализаторов заключаются в оптимальном сочетании живучести и «горячей» прочности смеси. Прочие варианты катализаторов (на основе нитратов и хлоридов алюминия, аммония и особенно подкисленных ортофосфорных кислотой лингосульфонатов) уступают по этому показателю солям меди. На основе нитрата меди ПО «Уралхимпласт» выпускает катализаторы горячего отверждения марок КЧ-41 и КЦ-32. Водный раствор нитрата меди приобретается рядом предприятий для приготовления катализатора собственными силами.

В массовом производстве отливок помимо фурановых смол применяют фенолокарбамидоформальдегидные смолы ФПР-24 и СФ-411. Смола ФПР-24 используется как индивидуально, так и совместно со смолой КФ-90 (в массовом соотношении 1:1,5); в последнем случае добавление смолы ФПР-24 способствует повышению скорости горячего отверждения, росту «горячей» прочности и производительности стержневых автоматов.

К фенолокарбамидным (карбамидофенольным) связующим горячего отверждения относятся также композиции карбамидных смол (КФ-МТ и др.) с фенолоспиртами. Недостаток такого варианта связан со сложностью обеспечения двумя видами связующих с ограниченным сроком годности каждого при хранении. В известной мере это же относится к составной связующей композиции 20%-ного раствора карбамида в фенолоспирте, которая должна приготовляться у потребителя.

В массовом и крупносерийном производстве стальных отливок для стержневых смесей, отверждаемых в нагреваемой оснастке, используют безазотистые фенолформальдегидные связующие СФ-480, СФЖ-305 резольного типа, фенолоспирты, а также фенолофурановую смолу ФФ-1СМ.

В качестве катализатора горячего отверждения фенолоспиртов используют сильнокислые соли, например насыщенный водный раствор хлорного железа (FeCl₃ ) или сочетание FeCl₃ с отвердителем АМ.

Чисто карбамидные связующие находят ограниченное применение при производстве отливок из магниевых и алюминиевых сплавов [7].

Как видно из представленного краткого обзора связующих материалов, технология Hot-box может быть успешно использована для производства стержней любой сложности для отливок из всех видов литейных сплавов. В зависимости от требуемых технологических параметров достижим любой уровень прочности стержней. Процессы Hot-box достаточно производительны; стержни обладают низким уровнем газотворности и гидрофобности, имеют достаточную газопроницаемость и хорошую точность размеров. Широкому распространению процесса сопутствовал достаточно быстро налаженный выпуск промышленностью целой гаммы одно- и многопозиционных стержневых пескодувных машин, позволяющих изготавливать песчаные стержни весом от нескольких грамм до 100 килограмм.

Однако, как уже отмечалось выше, процесс Hot-box не является экологически чистым и имеет технологические и экономические недостатки, связанные с необходимостью нагрева стержневого ящика – высокие энергозатраты, сложность и высокая стоимость стержневой оснастки, снижение точности стержней и отливок по причине температурного коробления оснастки и стержней, высокий градиент прочности сложнопрофильных стержней по причине их неравномерного нагрева и проч. [3].

За рубежом развитие получил процесс «теплые ящики» (Warm-box-процесс), предусматривающий быстрое отверждение в оснастке смесей с фурановыми или фенолформальдегидными смолами, причем температура нагрева оснастки снижена до 150…180ºС, соответственно снижаются энергозатраты, затраты на амортизацию оснастки, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. Примером связующего является карбамидофурановая смола, содержащая 70% фурилового спирта, менее 0,5% воды, менее 2,5% азота и менее 0,4% свободного формальдегида, которую вводят в смесь в количестве 1,0…1,5 м.ч на 100 м.ч. песка. Высокая скорость отверждения стержней в условиях умеренного нагрева обеспечивается подбором специальных катализаторов, например растворов солей пара-толуолсульфокислоты (п-ТСК) с катионом двухвалентной меди. Расход катализатор составляет 20…30% массы смолы. Подобный реагент может быть получен непосредственно в процессе смесеприготовления путем перемешивания с песком водо-метанольных растворов п-ТСК или БСК или метансульфокислоты и соли, например, карбоната меди (или карбонатов NН4, Ma, К, Са, Ва, Ni, Аl). Дальнейшее повышение скорости отверждения в теплой оснастке достигается при создании разрежения в объеме стержня посредством отсоса воздуха через венты в оснастке. При этом температура оснастки может быть снижена до 80…120ºС [7].
В промышленности Республики Беларусь этот процесс не используется.

Данная технология (Croning - процесс) предусматривает использование специальных плакированных смесей. Как правило, подготовка данных плакированных смесей, имеющих весьма продолжительное время хранения (около 6 месяцев), является отдельным технологическим этапом. В процессе приготовления плакированной смеси связующий материал (новолачная фенольная смола), находящийся в виде раствора, содержащий дополнительные добавки, перемешивается с сухим обогащенным кварцевым песком. Входящий в состав жидкого связующего компонента растворитель при перемешивании испаряется, и каждая песчинка наполнителя оказывается окружена пленкой твердого связующего материала, обладающего термореакционными свойствами. В зависимости от способа получения плакированной смеси различают смеси горячего и холодного плакирования. Так как подвижность плакированной смеси соизмерима с подвижностью сухого кварцевого песка, такие смеси имеют высшую степень текучести и позволяют получить сложные стержни первого класса сложности с весьма качественной поверхностью. Вторым важным достоинством данной технологии является возможность получения облегченных стержней. Реализуется эта возможность за счет установления необходимого времени выдержки плакированной смеси в нагретой до 280…320°С оснастке, позволяющего сформировать требуемую толщину прочной оболочки (5…20 мм). Указанные преимущества данной технологии обуславливают достаточно стабильный объем ее применения (особенно в области производства ажурных стержней гидроаппаратуры и отливок моторной группы), хотя данная технология имеет достаточно низкие экологические и экономические показатели, в том числе и по причине низкой производительности процесса. Кроме того, следует отметить неизбежно образуемый градиент прочности по сечению стержня из-за неравномерного его прогревания и низкую начальную прочность стержней (начальная прочность после выемки стержней из ящика – всего 30% от суточной; для сравнения – начальная прочность стержней, изготовленных по способу Cold-box-amin в среднем составляет около 60%).

Определяющим классификационным признаком, объединяющим входящие в данную группу технологические процессы, является механизм отверждения стержневого связующего. Во всех технологиях Cold-box отверждение предварительно уплотненной в ненагреваемой («холодной») стержневой оснастке песчано-смоляной смеси происходит за счет продувки ее газообразным отвердителем (катализатором). Несмотря на то, что все способы Cold-box известны относительно недавно, именно эти технологии в настоящее время наиболее распространены в массовом производстве промышленно развитых стран.

Метод Cold-box-amin (Ashland, Isocure (США), Амин-процесс (Россия). Процесс разработан и запатентован в 1968 году фирмой Ashland Chemical Co (США). В настоящее время данный процесс является доминирующей технологией получения песчаных литейных стержней в США, странах Западной Европы, Японии и других высокотехнологичных странах. Стержневая смесь для этого процесса приготавливается из сухого песка (100 м.ч.) и связующего, состоящего из двух компонентов – раствора синтетической смолы (0,6…1,0 м.ч.) и раствора полиизоцианата (0,6…1,0 м.ч.). После уплотнения смеси в оснастке пескодувным или пескострельным способом стержень продувается парами низкокипящих третичных аминов в смеси с воздухом, углекислым газом, либо азотом. В присутствии третичных аминов гидроксильные группы фенольной смолы соединяются с радикалами полиизоцианата. В результате реакции, протекающей без образования продуктов расщепления, образуется высокоструктурированный, очень стабильный полиуретан. Реакция полимеризации связующей композиции протекает практически мгновенно, в зависимости от объема и конфигурации стержня продолжительность его продувки амином устанавливается в пределах 2…10 с, затем 10…20 с стержень продувают воздухом для очистки от паров токсичного катализатора. Расход катализатора зависит от вида используемого амина и особенностей конкретного стержня и составляет 0,2…1,0 г на 1 кг стержневой смеси. Для дозирования жидкого катализатора и подготовки каталитической амино-газовой смеси необходимы специальные газогенераторы.

В результате протекания реакции отверждения полиуретанового связующего очень быстро формируется достаточно высокая начальная прочность стержня, составляющая 50…60% от конечного ее значения. Прочность стержней на разрыв сразу после продувки составляет 1,5…1,8 МПа, в течение суток она увеличивается до 2,5…3,0 МПа.

Смесь амина с газоносителем после прохода через стержневой ящик направляется в нейтрализатор, где полностью нейтрализуется разбавленной кислотой (серной или ортофосфорной) либо поглощается специальными видами бактерий (в установках абсорбционно-биохимической очистки). Степень очистки воздуха близка к 100%, что обеспечивает безопасность процесса по показателям выбросов вредных веществ в атмосферу.

Помимо высокой прочности, стержни, изготовленные по способу Cold-box-amin, обладают самыми высокими технологическими свойствами: низкой газотворностью, хорошей выбиваемостью, длительным сроком хранения. Процесс изготовления стержней в ненагреваемой оснастке обеспечивает очень высокую точность геометрических размеров стержней и получаемых с их применение отливок. Изготовленные по способу Cold-box-amin стержни используются для получения литых заготовок из всех видов сплавов. Существенно расширяется диапазон применимости материалов для изготовления оснастки (металл, пластмасса, дерево), увеличивается срок ее эксплуатации. Отсутствие необходимости в нагреве оснастки, минимальный брак стержней и отливок, низкое содержание связующего в смеси, высокая производительность процесса, хорошая регенерируемость песка – основные параметры, определяющие превосходные экономические показатели данной технологии.

Продолжительное время отечественные заводские специалисты и руководители достаточно скептично относились к методу Cold-box-amin. Например, в лабораторных условиях УП "ИНСТИТУТ БЕЛНИИЛИТ" (в то время - Минский филиал НИИТавтопрома) еще в 70-ые гг. были проведены интенсивные работы по подбору и изысканию связующих материалов и катализаторов, отработке составов стержневых смесей и параметров технологии их отверждения. Была спроектирована и изготовлена первая отечественная однопозиционная стержневая машина мод. 4753Х для производства стержней по технологии Cold-box-amin. Несмотря на то, что данная машина после всесторонней технологической отладки и приемочных испытаний была в 1982 году смонтирована в литейном цехе Уральского автозавода, не заводе не состоялись даже производственные испытания процесса. Основная причина отказа предприятия от внедрения технологии Cold-box-amin – опасения руководства завода относительно чрезмерной токсичности компонентов связующего и взрывоопасности используемых в качестве катализатора третичных аминов. Однако, как показала многолетняя зарубежная практика эксплуатации процесса, повышенные требования безопасности достаточно легко достигаются за счет полной автоматизации процесса изготовления стержней (включая процесс очистки вентилируемого воздуха) и путем формирования высокой культуры производства. В настоящее время является общепризнанным фактом, что с экологической точки зрения метод Cold-box-amin превосходит технологии Hot-box. Объемы вредных веществ (бензол, СО, толуол и др.), выделяемых в основном на позиции заливки, как правило, не превышают установленные нормы ПДК.

Метод Cold-box-amin обладает лучшим на сегодняшний день комплексом технологических, экономических и экологическим параметров. Характеристики и технологические возможности данного процесса позволили разработчикам установить новый, очень высокий уровень автоматизации всего процесса изготовления стержней и легли в основу технологий Cosworth и Key core, без упоминания о которых обзор технологии Cold-box-amin был бы не полным.

Cosworth-процесс предусматривает изготовление форм и стержней по методу Cold-box-amin, их окраску, сушку, сборку в пакеты и заливку под низким регулируемым давлением. Благодаря высокой размерной точности рабочей полости формы, заполнения ее чистым металлом под низким давлением, гарантированного питания отливки в процессе затвердевания обеспечивается получение качественных тонкостенных отливок любой сложности. Метод литья в стержневые пакеты под низким давлением снизу вверх посредством специального металлопровода из раздаточной печи бал применен фирмой Cosworth, Ltd. в Англии в 70-х г.г., а в 1988 г. был модернизирован до современного уровня на заводе фирмы Ford Motors (г. Виндзор, Канада). для получения алюминиевых отливок блоков автомобильных двигателей. На заводе в г. Виндзор стержневые пакеты автоматически собирались роботами из отдельных стержней (до 18 стержней на пакет) и заливались при помощи магнитодинамического насоса через прибыли, расположенные в момент заливки внизу пакета. По окончании заливки пакет переворачивался на 180º прибылями вверх и направлялся в проходную печь для термообработки отливок. Одновременно при этом происходил процесс термической регенерации цирконового песка, из которого были изготовлены стержни.

Производство отливок блоков цилиндров Cosworth-процессом позволило предприятию повысить выход годного литья до 85%, за счет высокой размерной точности отливок их масса снижена на 10…12% (по сравнению с отливками, полученными другими способами). Припуск на механообработку составил 1,5…2 мм. Изготовление из единой смеси наружных и внутренних стержней, входящих в пакет, позволило не только получить высокое качество отливок, но изначительно уменьшить общие капитальные и эксплуатационные расходы по сравнению с обычными технологиями изготовления подобных отливок [8, 9].

Опыт Виндзорского завода по получению отливок в стержневые пакеты стал базой внедренного в ОАО «ГАЗ» техпроцесса производства целикового блока цилиндров лицензионного двигателя ГАЗ-560 (лицензия австрийской фирмы STEYR). После посещения канадского предприятия специалисты ОАО «ГАЗ» разработали технологию производства в стержневой пакет объединенной в одну отливку головки блока цилиндров и самого блока цилиндров. Стержневой пакет состоит из 8 наименований стержней, изготовленных по методу Cold-box-amin. Реализованный принцип литья в очень прочный и точный стержневой пакет позволил ОАО «ГАЗ» получить весьма ответственную отливку с высокими качественными и экономически более выгодными показателями [10, стр. 216-220].

Технология Key core («замковый стержень») реализована в 1995 г. фирмой Scania (г. Седертейл) на оборудовании фирмы Loramendi (Испания) для производства стержневых моноблоков отливок блоков цилиндров чугунных дизельных двигателей. Для реализации технологии, помимо стержневой машины, используются автоматические манипуляторы, зачистные установки, установки для сборки стержневых пакетов и установка для окраски стержней.

Внедрение технологии Key core позволило предприятию полностью исключить дефекты литья, связанные с зазорами между стержнями и внешними габаритами блока стержней. Заметно снизилась трудоемкость работ на участке очистки отливок, и, в конечном итоге, себестоимость конечной продукции [10, стр. 231-233].

Приведенные выше примеры высокотехничных вариантов организации получения ответственных серийных отливок свидетельствует о значительном потенциале метода Cold-box-amin. К сожалению, по ряду причин данная технология изготовления стержней длительное время не заслужено игнорировалась отечественной промышленностью. Первые стержневые машины, работающие по технологии Cold-box-amin, появились на заводах стран СНГ лишь около 10 лет назад. С тех пор отношение к процессу коренным образом изменилось, процесс считается приоритетным и достаточно широко применяется на ряде предприятий России, Беларуси и Украины.

Изготовленные по методу Cold-box-amin стержни предварительно зачищаются по принципу «точно в размер» и на установках сборки автоматически собираются в пакет за счет центрирования каждого стержня индивидуальным металлически шаблоном. Каждый из 9 отдельных стержней не имеет полного контакта с соседними, щель между ними минимальна, и пакет стержней имеет допуск на общий размер 0,0…0,5 мм. При сборке стержней в пакет между ними образуется зазор с соразмерными поперечными углублениями внутрь стержня, в который дополнительно надувается стержневая смесь того же состава, что и для изготовления самих стержней. Эта смесь, отверждаемая продувкой третичным амином, скрепляет стержни в единый пакет, имеющий высокую точность и стабильность размеров. Узкие щели между соседними стержнями полностью закрашиваются при окраске. Из-за отсутствия соединительных швов их зачистка не требуется.

Технология Эпокси-SO₂ (за рубежом для обозначения процесса используется аббревиатура FRS).

При изготовлении стержней по Эпокси-SO₂, как и в технологии Cold-box-amin, отработанные пары катализатора после продувки направляются в нейтрализатор, где SO₂ нейтрализуется щелочью с образованием водорастворимых солей – сульфата натрия и бисульфата натрия, которые затем разбавляются водой до разрешенной величины ПДК и сливаются в сточную канализацию.

Одним из достоинств Эпокси- SO₂ процесса является длительная живучесть приготовленной стержневой смеси, продолжительность которой превышает 24 ч. Прилипаемость смеси к оснастке минимальная; стержневые ящики могут быть изготовлены из различных материалов: стали, чугуна, алюминиевых сплавов, пластмассы, дерева.

Низкое содержание связующего в смеси определяет малую газотворность стержней и отсутствие газовых раковин в отливках. Отсутствие в связующем азота позволяет избежать ситовидной пористости.

Выбиваемость стержней из отливок очень хорошая. Отработанный песок достаточно легко регенерируется механическим способом, однако кислый характер отработанного песка выражен в этой технологии более ярко по сравнению с процессом Cold-box-amin. Подача больших количеств отработанного и механически регенерированного песка в поток формовочной песчано-глинистой смеси отрицательно влияет на активность бентонита.

Наиболее существенные недостатки Эпокси-SO₂ процесса связаны с наихудшими (по сравнению со всеми остальными процессами с газовой продувкой) экологическими показателями. В Германии, например, ПДК SO₂ в восемь раз ниже, чем у триэтиламина (5 и 40 мг/м3 соответственно). Кроме того, на различных стадиях технологического процесса выделяются токсичные газы: фурфуриловый спирт, СО, толуол, ксилол, комплексные органические соединения, бензол и фенол. Также существует ряд проблем, связанных с транспортированием, хранением, внутрицеховым перемещением сжижиного газа SO₂ [10, 11].

Именно с Эпокси-SO₂ процесса в 1994-1995 гг. началось освоение холодных продувочных процессов в России. Пионером в новой технологии стал Камский автомобильный завод, в чугунолитейном цеху которого при содействии АО «НИИлитмаш» (г. Москва) было освоено производство стержней блока цилиндров. Как показала практика применения Эпокси-SO₂ процесса, по сравнению с горячими методами отверждения стержней, на литейном заводе АО «КамАЗ» был значительно снижен брак стержней и отливок, заметно увеличилась массовая и размерная точность отливок при одновременном увеличении их сложности. Значительно уменьшилась трудоемкость изготовления стержневой оснастки, стержней, финишных операций, потребление энергии и материалов.

Высокий потенциал Эпокси-SO₂ процесса был неоднократно подтвержден АО «НИИлитмаш» - разработчиком отечественного варианта данной технологии при изготовлении опытной партии стержней головок блока (Мелитопольский «Автоцветлит»), корпуса трансмиссии (Каслинсий машзавод), головки автосцепки, поршня тепловозного двигателя (Люблинский ЛМЗ), корпусов промышленных швейных машин (Подольский АО «Зингер-Россия»), дробеметных лопаток (Амурлитмаш), радиаторов отопления (Завод им. Войкова и Минский завод отопительного оборудования), запорной арматуры (Тверьвагонзавод), штампов (Тверьский завод штампов) ротора якоря и ступицы для а/м «Волга» (Саранский «Центролит»), ручьев конфорок (Мосжилпромкомплект) и др. Однако, не смотря на все положительные результаты экспериментальных работ, АО «КамАЗ» до настоящего времени является единственным предприятием в СНГ, эксплуатирующим технологию Эпокси-SO₂ [2].

Процесс разработан и освоен в 1983 г. в США и ФРГ. В состав стержневой смеси сверх 100 м.ч. кварцевого песка входит 0,6…0,8 м.ч. модифицированной эпоксидной смолы, смешанной с органическим пероксидом и 0,6…0,8 м.ч. эпокси-акрилатной композиции. Стержневая смесь может приготовляться в смесителях периодического и непрерывного действия. После уплотнения смеси пескодувным или другим способом стержень продувается в стержневом ящике парами сернистого ангидрида (SO₂), смешанным с воздухом, азотом или углекислым газом. Продолжительность продувки и последующей очистки стержня воздухом, прочностные показатели смеси аналогичны процессу Cold-box-amin. Технология Эпокси-SO₂ появилась как модификация процесса Фуран-SO₂, в состав стержневой смеси которого входила смесь фурановой смолы (1,4…2,2 м.ч.) и органического пероксида (0,5…1,1 м.ч.). Существенным недостатком технологии Фуран-SO₂ было очень сильное налипание связующего на стержневую оснастку, что и привело к вытеснению указанной технологии.

Betaset-процесс (варианты названия процесса: MF, в США – Phenolic Ester Cold-Box, русскоязычные варианты – бетасет-процесс, метилформиат- процесс).

Живучесть стержневой смеси составляет 3…4 часа (при использовании отдельных марок смол - до 24 ч). Прочность стержней после продувки ниже, чем в процессах Cold-Bоx-Amin и Эпокси-SO2 (сразу после продувки прочность на разрыв составляет 0,6…1,0 МПа, в течение 24 часов возрастает до 1,2…1,5 МПа). По причине низкой прочности стержней, Betaset-процесс применяют для изготовления стержней с несложной конфигурацией и для получения стержневых форм.

Комплекс технологических и химических параметров связующей композиции процесса Betaset позволяет использовать эту технологию для получения стержней отливок, изготавливаемых из любых «высокотемпературных» сплавов, в том числе и стали. Кроме того, преимуществом данной технологии по сравнению с методом Cold-Bоx-Amin является меньшая токсичность отвердителя (ПДК для метилформиата по нормам Германии – 250 мг/м3 воздуха, а для триэтиламина – 40 мг/м3). Не требуется применение нейтрализатора. При заливке и во время охлаждения отливки выделяемая газовая смесь не содержит паров органических растворителей. Однако, фенол, формальдегид, бензол, СО в газовыделениях присутствуют, что несколько снижает экологическую чистоту данного процесса.

Щелочной характер отработанных песков при использовании стержней, изготовленных по Betaset-процессу, позволяет применять их в качестве освежителя в потоке песчано-глинистой смеси. Следует отметить, что вопросы регенерации песка являются наиболее «узким» местом данной технологии. Плохая, экономически невыгодная регенерация песков является ключевым недостатком технологии Betaset. Доля усвоения регенерата не превышает 80%, а стержни, получаемые с добавлением регенерата, несколько теряют начальную прочность [7, 10, 11].

Технология Betaset в небольших объемах используется на заводах Российской Федерации. Так, на ЗАО «Армагус» (г. Гусь-Хрустальный Владимирской области) при производстве работающих под высоким давлением и изготавливаемым из чугуна, углеродистой и коррозийно-стойких сталей отливок группы трубопроводной арматуры (клапана, задвижки, вентиля и др.). Hot-Box и Croning-процессы в сентябре 1996 г. были заменены на технологию Betaset. Переход на новый техпроцесс был проведен в течение одного месяца без остановки производства. Применение нового процесса увеличило производительность стержневой машины в 1,4 раза, стоимость стержневой смеси снизилась более чем в 1,5 раза, выход годных отливок из стали увеличился на 200 т в год (при расчетной мощности 2500 т). При переходе на новый метод изготовления стержней отмечено резкое снижение газовых раковин в отливках, отсутствие горячих трещин, ужимин и ситовидной пористости. Стержни легко выбиваются из отливок, обеспечивая превосходное качество внутренних поверхностей отливок. Стержни негигроскопичны, не требуют окраски и обеспечивают возможность их длительного хранения без снижения прочностных характеристик [12, 13, 14].

Используется Betaset-процесс и в ОАО «Оскольский завод металлургического машиностроения» [15], ОАО «Челябинский завод строительных машин» [16] и ряде других предприятий. В Республике Беларусь технология Betaset не очень продолжительное время применялась на Минском тракторном заводе (в 2000 году, на момент освоения первых продувочных машин) для производства стержней крупных чугунных отливок.

Технология разработана фирмой «Borden» в Великобритании в 1984 г. В состав стержневой смеси сверх 100 м.ч. кварцевого песка входит 1,5…2,0 м.ч.  водорастворимой щелочной фенольной (резольной) смолы. После уплотнения стержень в герметизированном стержневом ящике отверждается продувкой смеси воздуха с парами метилформиата (метилового эфира муравьиной кислоты). Метилформиат имеет низкую температуру кипения (около 31ºС), что делает его достаточно удобным в применении материалом: транспортируется и дозируется  метилформиат в жидком виде, а требуемое для продувки стержня парообразное состояние метилформиата легко достигается при нагреве его необходимого количества в испарителе газогенератора. Метилформиат не является катализатором, а представляет собой компонент протекающей в стержневой смеси реакции образования полимера, его расход составляет 15…40% от массы смолы. Продолжительность продувки зависит от массы стержня и его конфигурации и лишь незначительно превышает время продувки стержней, изготавливаемых по процессу Cold-Bоx-Amin.

Технология Сarbophen (варианты названия: Resol-CO₂, Novanol (США), Phenco (Швеция), ФС-СО₂, Карбофен (Россия)).

Процесс отличается простотой и не требует использования специального газогенератора и нейтрализатора. Готовая смесь имеет живучесть 3…6 часов, но по причине активного подсыхания верхнего, контактирующего с воздухом слоя, хранить ее желательно закрытой влажной тканью, пленкой или в закрытой емкости. Продувка углекислым газом должна проводится с невысокой скоростью, расход СО₂ составляет 5…6 л/мин при избыточном давлении 0,03…0,05 МПа. В зависимости от объема стержня, оптимальное время продувки составляет 20…40 с; необходимое условие продувки – обеспечить прохождение СО₂ по всему объему стержня. Принимая во внимание время на продувку стержня воздухом от остатков амина, считается, что общий цикл отверждения стержней по процессу Carbophen не существенно уступает циклу процесса Cold-box-amin.

Необходимо учитывать сильно щелочной характер отработанного песка, присущий технологии Carbophen. При применении стержней, изготовленных по данному методу, совместно с песчано-глинистыми смесями происходит сильная активация бентонита, что в ряде случаев может скрывать в себе опасность превышения максимума активации, что влечет за собой снижение прочности на разрыв сырой формовочной смеси.

Наряду с недостаточной экологической чистотой процесса (на этапе заливки присутствует выделения бензола, фенола, СО и др.), основным недостатком процесса Carbophen является невысокая прочность стержней в момент извлечения их из оснастки, что позволяет получать только простые, достаточно массивные стержни и существенно сдерживает распространение технологии в массовом и крупносерийном производстве [10; 11; 17 стр. 36, 41; 18].

Работы над совершенствованием процесса продолжается. Например, сообщается [17, стр. 44-48] о разработке фирмой Foseco варианта данной технологии (коммерческое наименование разработки – процесс ECOLOTEC), который обеспечивает лучшие экологические показатели и более высокие прочностные параметры смеси по сравнению с другими способами технологии Carbophen. В настоящее время процесс дорабатывается с целью снижения высокой стоимости связующего.

Несмотря на то, что по своим рабочим параметрам технология Carbophen может без особых проблем быть использована в высокопроизводительном машинном варианте (в лабораторных условиях УП "ИНСТИТУТ БЕЛНИИЛИТ", например, в свое время была полностью отработана технология изготовления стержней по данной технологии на стержневых машинах мод. 4752Б2К1 и 4749Б1К2), в настоящее время данная технология в Российской Федерации используется лишь в «ручном» варианте в мелкосерийном производстве (Литейный завод ЗАО «Петрозаводскмаш», Ленинградский металлический завод и др.) [13,19]. Вероятно, более широкое распространение процесса отчасти сдерживается отсутствием качественной и недорогой отечественной смолы [16].

Метод Carbophen обладает рядом достоинств, которые позволяют ему в отдельных случаях на равных конкурировать с другими продувочными технологиями, в первую очередь, с технологией Betaset. К основным достоинствам технологии Carbophen относятся:
- отсутствие в фенольном связующем азота, серы и фосфора;
- низкое содержание свободного фенола и формальдегида (<0,1…0,2%);
- отсутствие таких дефектов литья как блестящий углерод, ситовидная пористость, просечки, горячие трещины;
- незначительные газовыделения на этапах смесеприготовления, изготовления стержней и заливки отливок;
- отсутствуют проблемы, связанные с токсичностью отвердителя и пожароопасностью связующего;
- можно использовать как водные, так и спиртовые краски.

Процесс разработан в 1985…1987 г.г. в ФРГ и США как альтернатива классическому жидкостекольному СО₂-процессу. Помимо 100 м.ч. кварцевого песка стержневая смесь содержит 2,8…3,0 модифицированной гидроокисью калия фенольной смолы. Гидроокись калия в данном случае является инициатором отверждения, однако в щелочном растворе смолы она пассивна. При продувке смеси СО₂ формируется кислая среда, вследствие чего происходит начальная стадия конденсации олигомера по следующей схеме: водный раствор модифицированной фенольной смолы + СО₂ = отвержденная смола + гидроокись калия + карбонат калия. При продувке стержневой смеси СО₂ происходит формирование прочности смеси, достаточной для извлечения стержня из ящика. Дополнительный рост прочности достигается при последующей выдержке стержней на воздухе за счет остаточного СО₂ и СО₂ воздуха. Процесс отверждения можно ускорить подсушкой стержня в сушиле или микроволновой печи, что обеспечивает значительное поверхностное упрочнение. Однако, в любом случае, по прочностным характеристикам смеси технологии Carbophen существенно уступают прочности смеси методов Cold-box-amin и Эпокси-SO₂ – сразу после продувки прочность смеси на разрыв составляет 0,6…0,8 МПа, спустя 24 ч. – 1,0…1,4 МПа.

Поиск новых технологических вариантов изготовления стержней продолжается. Литейщики и химики совместными усилиями ведут разработки новых процессов – еще более экологически чистых, технологичных и экономичных. Ниже приводится описание лишь некоторых перспективных процессов, применение которых возможно в массовом производстве стержней. Все эти процессы в настоящее время применяются в ограниченном объеме, дальнейшее развитие этих технологий зависит от того, сумеют ли специалисты-разработчики успешно устранить (или существенно уменьшить) основные недостатки, присущие этим процессам на сегодняшний день.

Red-set-процесс (способ «красного отверждения») разработан в ФРГ достаточно давно (технология рекламировалась на выставке «Интерлитмаш» в Москве в 1988 г.). В состав стержневой смеси сверх 100 м.ч. обогащенного кварцевого песка входит 0,6…1,2 м.ч. полифенольной смолы. Отверждение стержня производят путем его продувки газообразным отвердителем – диметаксиметаном. Расход газа составляет 30…40% от массы смолы, нейтрализации не требуется. Живучесть смеси может составлять несколько дней (при длительном хранении смеси ее необходимо предохранять от высыхания). Прочность стержней достаточно высокая – при содержании в смеси всего 1,2 м.ч. смолы сразу после продувки прочность образцов на разрыв составляет 1,6…2,0 МПа, а в течение суток она возрастает до 2,5…3,0 МПа. Готовые стержни практически не гигроскопичны. В виду очень хорошей выбиваемости стержней из залитых отливок, процесс рекомендуется использовать при литье заготовок из легких сплавов.

В СНГ Red-set-процесс не используется, в мировой практике данная технология нашла применение в основном на заводах Западной Европы. Основным недостатком, препятствующим более широкому применению способа Red-set, является необходимость подогрева используемого песка (стержневой смеси) и оснастки до температуры 35…45°С. Кроме того, еще одним недостатком процесса является высокая вероятность образования газовых дефектов литья по причине сильного давления выделяемых при заливке газов [7, 20].

Технология Beach Box успешно развивается в Германии, Японии. Накоплен достаточный опыт изготовления сложных стержней для моторного литья, например рубашки водяного охлаждения головок цилиндров, коллекторов и т.п. Сообщается [21] о предполагаемом внедрении технологии Beach Box на одном из российских заводов для изготовления цельных стержней чугунных радиаторов. Основной нерешенной проблемой метода, сдерживающей его распространение, на сегодняшний день является проблема гигроскопичности стержней [22, 23].

Несмотря на то, что технология Pep-set является представителем группы маложивучих ХТС, уникальные свойства этого метода позволяют использовать его в машинном варианте изготовления стержней (так называемый АВС-процесс). Связующая композиция для этого процесса практически повторяет комплекс материалов, используемых в технологии Cold-box-amin: раствор модифицированной фенолформальдегидной смолы, раствор полиизоцианата и амин. Основное отличие заключается в способе ввода амина, являющегося катализатором процесса. В отличие от метода Cold-box-amin, порядок подготовки стержневой смеси несколько иной: сперва песок (100 м.ч.) тщательно перемешивается со смолой (0,5…1,0 м.ч.) и вводимым в жидком виде амином (5…20% от массы смолы), затем добавляется жидкий раствор полиизоцианата (0,5…1,0 м.ч.). Особенностью процесса является уникальное соотношение «живучесть смеси/время извлечения стержня», достигающее 0,9, тогда как у традиционных маложивучих ХТС оно составляет 0,2…0,3. Формирование прочности стержня начинается практически сразу после потери живучести смеси и завершается на 70-80% в течение 1…2 мин., что дает возможность используя различной активности катализаторы применять процесс в различных условиях производства при заданной производительности.

Одна из самых последних инновационных разработок – технология Beach Box предложена фирмой Laempe (Германия). Продемонстрированная на крупных международных выставках «GIFA-2003» и «CastExpo'05» American Foundry Sjciety технология Beach Box революционна как с технологической, так с экономической и экологической точек зрения. Концепция технологии основана на ассоциации с пляжем: песок – соленая вода – нагрев. Сущность и особенность технологии заключаются в свойствах нового поколения неорганического связующего Laempe KuhsBinder (LK Binder), в основе которого лежит природный минерал – соли магния, упрочняться при переходе соли из водной системы в твердую с выделением кристаллизационной воды при низкотемпературном нагреве (от теплоты нагретого стержневого ящика). Стержневая смесь, полученная на основе данного связующего, вообще не содержит экологически вредных материалов и не представляет опасности для почв, грунтовых вод и воздушной атмосферы. Отверждение стержней происходит под воздействием микроволнового устройства, являющегося частью специальной стержневой машины. Вода, содержащаяся в связующем в качестве растворителя, равномерно нагревается в оснастке и удаляется посредством вакуума либо продувкой воздухом. При этом в течение нескольких секунд происходит отверждение стержня с образованием связующих микрокристаллов минералов со специальной структурой, образующих сеть нитевидных игл. Практически мгновенно формируется окончательная прочность стержня, превышающая в 3 раза начальную и на 20…30% суточную прочность стержней, изготовленных по методу Cold-box-amin (при содержании в смеси 5,0 и 1,6 м.ч. связующего соответственно). При этом, поскольку процесс отверждения обратим, отвержденная связующая система мгновенно распадается, вступая в контакт с водой, что обеспечивает отличную выбиваемость стержней при минимальных затратах энергии. Кроме того, как подчеркивают разработчики процесса Beach Box, основными достоинствами этой технологии является:
- высокая размерная точность стержней;
- неограниченная живучесть стержневой смеси;
- возможность мокрой или сухой механической регенерации песка с полным восстановлением его свойств.

При реализации машинного АВС-процесса используют очень активный катализатор, обеспечивающий показатель «время извлечения» приблизительно равный 1…2 минутам. Стержневая смесь перемешивается в высокоскоростном смесителей, объем одного замеса автоматически устанавливается равным объему стержня, далее смесь передается в пескострельный резервуар машины и осуществляется надув стержня. Автоматы для реализации этой технологии выпускала фирма Beardsley & Piper, США; по информации 1999 г. [18] в США по этой технологии работало более 70 автоматов в цехах чугунного и стального литья.

Учитывая схожесть используемых связующих систем, рабочие (в том числе и прочностные) свойства стержней, изготовленных по методу Pep-set, аналогичны показателям процесса Cold-box-amin. Более того, замедленный по сравнению с технологией Cold-box-amin процесс каталитического отверждения связующего ведет к формированию его более мелкозернистой и плотноупакованной глобулярной структуры, что делает стержни метода Pep-set абсолютно не чувствительными к воздействию внешней влаги.

Основные достоинства метода Pep-set:
- технология пригодна для изготовления стержней при производстве отливок из чугуна, стали и цветных сплавов;
- малая чувствительность к качеству песка, температуре и влажности окружающего воздуха;
- высокая текучесть смеси, обеспечивающая хорошее уплотнение стержней при минимальных затратах энергии;
- смеси при затвердевании не выделяют побочных продуктов (влаги, токсичных веществ), затвердевание происходит одновременно по всему объему стержня, независимо от его размера;
- смеси обладают высокой термостойкостью, хорошими антипригарными свойствами;
- вследствие низкого содержания связующей композиции в 1,5…2 раза (по сравнению с классическими маложивучими ХТС) снижается объем газовыделений токсичных продуктов при заливке, охлаждении, выбивке отливок, уменьшается вероятность образования газовых дефектов в отливках [10, 11].

Основным недостатком метода Pep-set является высокая степень зависимости скорости отверждения связующего от температуры песка (смеси) и стержневой оснастки, что чрезвычайно сильно ужесточает требования по соблюдению регламента проведения процесса. В Западной Европе технология Pep-set находит ограниченное применение, в промышленном варианте в СНГ не применяется. В 2004-2005 г. в лабораторных условиях УП "ИНСТИТУТ БЕЛНИИЛИТ" технология Pep-set была опробована при изготовлении экспериментальных партий стержней различного назначения – «улиток» отливки «корпус турбины», стержней отливок вагонной группы – «балка надрессорная» и др. Результаты апробации технологии положительное, достигнутое высокое качество песчаных стержней и отливок свидетельствуют о значительном технологическом потенциале способа Pep-set [24].

1. Волкомич А.А. Проблемы и задачи развития производства отливок в разовых формах // Труды седьмого съезда литейщиков России. Том I – г. Новосибирск, 2005. С. 42-44.
2. Кукуй Д.М., Марукович Е.И., Мельников А.П. Основные тенденции развития литейного производства Республики Беларусь // Литье и металлургия. – 2000. - №3. – C. 3-12.
3. Кудин Д.А., Куракевич Б.В., Мельников А.П., Пасюк Г.И. Технологии и машины для изготовления стержней из песчано-смоляных смесей, отверждаемых продувкой газообразными отвердителями // Литье и металлургия. – 2000. - №4. – C. 88-90.
4. Буданов Е.Н. Выход из технологического тупика // Литейное производство. – 1999. - №11. – C. 5-11.
5. Буданов Е.Н. Инвестиции в стержневое производство – первый шаг в преодолении кризиса // Литейное производство. – 1997. - №3. – C. 11-15.
6. Степанов В.С. О поездке в Англию российских специалистов // Литейное производство. – 1997. - №2. – С. 33-36.
7. Формовочные материалы и технология литейной формы: Справочник/ С.С. Жуковский, Г.А. Анисович, Н.И. Давыдов и др.; Под общ. ред. С.С. Жуковского. -  М.: Машиностроение, 1993.-432 с.
8. Бобряков Г.И. Литейное производство автомобильной отрасли. Ч.III. Техперевооружение стержневых отделений // Литейное производство. – 2000. - №2. – C. 19-21.
9. Изготовление блоков цилиндров автомобильных двигателей из Al-сплавов в пакетах из песчаных стержней // Литейное производство. – 2000. - №5. – C. 52.
10. Технологические процессы и оборудование для модернизации литейного производства в машиностроении (формы и стержни): Инструктивный технический материал / ИТЦМ ”Металлург”. – М., 2002.
11. Практика применения процесса «Cold-Box» при изготовлении песчаных стержней в производстве отливок из Al-сплавов и чугуна: Инструктивный технический материал / ИТЦМ ”Металлург.” - М., 2002. – 56 с.
12. Исаев Г.А., Милов С.В., Обзина Б. Изготовление стержней в «холодных» ящиках // Литейное производство. – 1997. - №4. – C. 11.
13. Суетов О.А., Милов С.В., Исаев Г.А Новые технологии изготовления стержней // Литейное производство. – 1997. - №2. – C. 13.
14. Григорьевна Е.Н., Беляев В.М., Кураков Ю.Г. Изготовление стержней в «холодной» оснастке на базе модернизации существующего стержневого оборудования // Литейное производство. – 2002. - №3. – C. 16.
15. Семенов А.А. и др. Освоение холоднотвердеющих смесей на ОАО «Оскольский завод металлургического машиностроения» // Литейное производство. – 2004. - №5. – C. 20.
16. Исаев Г.А., Семенников Д.В., Баранов В.В. Опыт применения ХТС на заводах России // Труды седьмого съезда литейщиков России. Том II  -г. Новосибирск, 2005. – С. 16-21.
17. Литейные технологии начала XXI века: Обзор информации и коментарии / ИТЦМ ”Металлург.” - М., 2000.
18. Жуковский С.С. Современные процессы изготовления литейных стержней и форм из ХТС с синтетическими связующими. Ч.2 // Литейное производство. – 1999. - №8. – C. 13-16.
19. Жуковский С.С. Расширение применения технологии изготовления ХТС на связующем «Экофен» с последующей продувкой газообразной углекислотой (СО2) // Информационный бюллетень ИТЦМ «Металлург» - 2002. - №116. – C. 7-9.
20. Дорошенко С.П., Макаревич А.П., Кушталов В.П. Состояние и основные направления развития технологии изготовления форм и стержней из ХТС // Тезисы докладов III Всесоюзного научно-технического съезда литейщиков – г. Волгоград, 1989. – С 11-21.
21. Жуковский С.С. Развитие процессов применения смесей, отверждаемых в оснастке // Литейщик России. – 2005. - №5. – с. 42-44.
22. LAEMPE Beach Box – новый процесс изготовления стержней на неорганическом связующем // ИТЦМ «Металлург»: Высокие технологии в литейном производстве. Выпуск I. - М., 2005. – С.48.
23. Попов А. GIFA 2003: Компания LAEMPE, Германия – революционные инновации //Литейное производство. – 2003. - №4. – C. 26-27.
24. Пасюк Г.И. и др. Стержни из ХТС для высокоточных сложнопрофильных тонкостенных отливок // Литейное производство. – 2005. - №4. – C. 10-12.
25. Жуковский С.С., Пономарев И.Н., Остроброд Е.Б. Стержни и формы из холоднотвердеющих смесей в литейном производстве России // VI Съезд литейщиков России. Труды съезда. Том II. – г. Екатеринбург, 2003. – С. 3-9.