Порядок выполнения работы. Рассчитать составляющие на 0,7 кг смеси и приготовить смесь на приборе 4740
Рассчитать составляющие на 0,7 кг смеси и приготовить смесь на приборе 4740. Смесь выгрузить в бункер и установить его на предварительно нагретый до температуры 200 °С стержневой ящик прибора 4735. Вдуть смесь в стержневой ящик и выдержать ее в ящике заданное в табл.91 время, раскрыть его и извлечь отвержденные образцы. Образцы выдержать на воздухе в течение 10 мин и приступить к определению предела прочности при разрыве.
По окончании работы результаты всех испытаний занести в табл.9.1.
Таблица 9.1
Результаты испытаний
| Содержание связующего, % | Прочность, МПа, при времени отверждения, мин | |||
| 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | |
| 2,0 | ||||
| 3,0 | ||||
| 4,0 |
Оформить результаты всех испытаний в виде графической зависимости прочности от количества связующего материала и времени отверждения.
Содержание отчета
По законченной работе оформить отчет, в котором должно быть отражено следующее:
1. Название работы
2. Цель работы
3. Краткая теоретическая часть
4. Методики проведения работы
5. Результаты работы
6. Выводы по работе
Вопросы для контроля
1. Сущность Hot-box-процесса.
2. Что включает в себя типовой состав смеси для Hot-box-процесса?
3. Какие связующие применяются для данного процесса?
4. Для чего применяются катализаторы составе смеси для Hot-box-процесса?
5. Какие специальные добавки вводятся в смесь и их назначение?
6. Как влияет количество связующего и время выдержки смеси в стержневом ящике на прочностные свойства образцов?
Лабораторная работа № 10
Исследование влияния количества связующего материала и отвердителя на кинетику твердения холоднотвердеющих смесей (ХТС)
Цель работы: экспериментальное изучение процесса твердения ХТС.
Общие сведения
Современные способы изготовления стержней основаны на использовании в качестве связующих материалов синтетических поликонденсационных смол и композиций на их основе.
В зависимости от типа отверждения они подразделяются на следующие виды:
- холодного отверждения в оснастке в присутствии жидких катализаторов или отвердителей;
- холодного отверждения в оснастке под действием газовых реагентов;
- отверждение в нагреваемой горячей (Hot-box или тепловой -Warm-box) оснастке;
- теплового отверждения вне оснастки (конвективная сушка, ТВЧ или СВЧ-сушка, инфракрасное излучение и др.).
Большинство смоляных связующих получают в результате реакции поликонденсации между исходными мономерами (табл.10.1). В общем случае синтез литейных связующих проводят между фенолом, карбамидом или фуриловым спиртом и формальдегидом.
Таблица 10.1
Структурная характеристика смол
| Исходные мономеры | Класс смол | Строение структурного звена | |||||||||||||||||||||||||||
 ОН Фенол |
H | Фенолформаль-дегидная (фенольная) |  OH OH -CH2 - | |||||||||||||||||||||||||||
| NH2-C- NH2 Карбамид || O Формальдегид | Карбамидофор-мальдегидная (карбамидная) | NH2-C- NH   || C H2 O CH | |||||||||||||||||||||||||||
| Фенол Карбамид Формальдегид | Фенолкарбамидо-формальдегидная (фенолокарба-мидная) |  OH OH -CH - || CH2  NH - CH  C =O
NH2 - CH2 | |||||||||||||||||||||||||||
Фенол Формальдегид CH2OH  Фуриловый  спирт | Фенолформальде-гидно-фурановая (фенолофурановая) |  OH OH
-CH -
CH2
O
CH2 | |||||||||||||||||||||||||||
| Карбамид Формальдегид Фуриловый спирт | Карбамидо-формальдегидно-фурановая (карбамидофурано-вая) |     O
CH2
NH - CH
C =O
NH2 - CH2
| |||||||||||||||||||||||||||
| Карбамид Фенол Формальдегид Фуриловый спирт | Карбамидо-фенолформальде-гидно-фурановая (карбамидофеноло-фурановая) |  OH OH -CH -  CH2
CH2
NH - CH
C
NH2 - CH2 |
O
Формальдегид Н-С
Образующиеся метиленовые (-СН2-) или диметилэфирные (-СН2-О-СН2-) связи являются своеобразными мостиками для формирования структурных звеньев олигомеров (основных продуктов реакции), формирующих адгезионную и когезионную прочность в процессе отверждения стержней и форм, содержащих органические связующие материалы.
В процессе синтеза смол реакции до конца не доводят, получая продукты сравнительно низкомолекулярной массы (не более нескольких тысяч). Смолы в таком состоянии называют олигомерами (или преполимерами). Перевод олигомеров в полимеры (конечные синтетические продукты, макромолекулы которых имеют молекулярную массу, равную десяткам и сотням тысяч) в литейном производстве осуществляется непосредственно в технологических процессах получения литейных форм и стержней.
Основным процессом, протекающим при отверждении смол, является полимеризация или поликонденсация. Необходимое условие этих реакций – наличие в молекулах исходных веществ активных частей – групп атомов (или отдельных атомов), называемых функциональными. Из используемых в литейном производстве наиболее часто встречаются следующие функциональные группы:
¤¤ О
-Н (водородная); -ОН (гидроксильная); -С (альдегидная); -С6Н4ОН (фенольная);
\ Н
=СН2 (метиленовая); -СН2ОН (метилольная).
Последовательность процесса поликонденсации, на примере фенолформальдегидной смолы, упрощенно можно представить следующим образом.
При повышенной температуре (220-270 °С) или в основной среде (рН>7) происходит взаимодействие между фенолом и формальдегидом с образованием ортоизомеров и параизомеров оксибензилового спирта:
Далее метилольные группы одних молекул о-оксибензилового спирта в кислой среде или при повышенной температуре реагируют с атомами водорода в ортоположении других молекул оксибензиолового спирта
Образовавшиеся маркомолекулы полиметиленфенола связывают друг с другом метиленовыми мостиками –СН2- благодаря взаимодействию атомов водорода ортоположения одних молекул с метиленовыми группами других. Результатом всех реакций является смола с линейной структурой в виде:
В таких реакциях поликонденсации фенола и формальдегида, протекающих в данных условиях, различают три стадии: резольную (начальная стадия А), резитольную (промежуточная стадия В) и резитную (окончательная стадия С).
Резол является жидким растворимым полимером со средней молекулярной массой до 1000. Резитол не плавится, но немного размягчается при температуре 120-150 °С, частично растворяется или набухает под действием растворителей. Резит – хрупкий, твердый неплавкий и нерастворимый продукт поликонденсации. Следовательно, по мере перехода из одной стадии в другую, уменьшаются растворимость и плавкость смолы, она постепенно переходит из жидкого через эластичное в твердое состояние, становится прочной и водостойкой.
На стадии А полимер приобретает линейное строение, на стадии В – двухмерное, на стадии С – трехмерное пространственное, которое схематически можно представить следующим образом:
Как видно, в конечной структуре отвержденного полимера наблюдается существенное количество поперечных связей через метиленовые мостики –СН2-, формирующих пространственную трехмерную структуру. Фенолформальдегидные смолы обладают повышенной термостойкостью (400-800 °С). Поэтому их можно эффективно использовать при получении стальных и чугунных отливок.
В качестве катализаторов или отвердителей ХТС наибольшее распространение получили 65-85% раствор ортофосфорной кислоты (Н3РО4) и 65-80% раствор бензосульфокислоты (БСК). Ортофосфорная кислота применяется при отверждении карбамидоформальдегидных и карбамидофурановых смол, а БСК – для всех смол.
Иногда в ХТС, наряду с основными исходными материалами, применяют и специальные добавки, предназначенные для улучшения некоторых технологических свойств, например, увеличение живучести смеси, улучшение противопригарных свойств, податливости стержней, предотвращение образования подкорковой газовой пористости, просечек и др. В качестве таких добавок используют, например, соли трехвалентного железа, оксид железа, древесную муку, оксид алюминия, колчедановый огарок.
Количество связующего материала в составах ХТС колеблется в пределах 1,5-3,0% (по массе), катализатора – 0,5-0,6% от количества связующего материала, а добавки составляют 0,2-1,5% (по массе).
Основной особенностью ХТС является обратная взаимосвязь скорости отверждения и живучести смеси. Поэтому процесс ее приготовления должен быть максимально кратковременным (3-30 с), после чего смесь следует немедленно использовать для изготовления форм и стержней. Наилучшим образом отвечают этим требованиям шнековые смесители непрерывного действия.
Постановка работы
Приборы и материалы, используемые в работе: прибор мод. 4740 для изготовления стандартных образцов из ХТС; прибор для испытания образцов на прочность; стержневые вытряхные ящики для изготовления стандартных образцов, лабораторные весы с пределом взвешивания 500 г с погрешностью ±100 мг; фенолформальдегидный связующий материал, ортофосфорная кислота, кварцевый песок, керосин, серебристый графит.
Каждая группа студентов исследует два состава ХТС с различным содержанием связующего (соответственно 1,5 и 2,0%; 2,5 и 3,0%), образцы которых испытывают на прочность при сжатии через 15, 30, 45 и 60 мин. твердения.