Связующие для форм и стержней

Связующее для форм и стержней — материал, который соединяет зерна формовочного песка и обеспечивает получение прочной и стабильной литейной формы или стержня.

В зависимости от технологии применяются органические и неорганические связующие. Они могут отверждаться химическим способом при обычной температуре, газом, нагревом или другими способами.

Выбор связующего зависит от типа формообразования, металла, размеров и сложности отливки, требований к прочности, газообразованию, выбиваемости, качеству поверхности и возможности регенерации песка.

Современные системы связующих используются как для небольших, так и для средних и очень крупных форм и стержней.

Основные виды связующих для литейного производства

На практике применяются несколько основных групп:

фурановые связующие;
фенолофурановые связующие;
фенольно-щелочные связующие;
фенол-уретановые связующие;
резольные связующие для Resol-CO₂;
жидкое стекло;
связующие для Beta-Set;
связующие для Cold-Box Amin;
связующие для оболочкового процесса;
термоотверждаемые связующие;
специальные связующие для 3D-печати песчаных форм и стержней.

Конкретная система подбирается не только по химическому составу, но и по технологии приготовления смеси и способу отверждения.

Связующие для ХТС

ХТС — холоднотвердеющие смеси, в которых формовочный материал твердеет при температуре окружающей среды в результате химической реакции связующего с отвердителем или катализатором.

ХТС применяются для изготовления форм и стержней различного размера, в том числе крупных отливок. Производители литейных связующих выделяют No-Bake системы в отдельную группу технологий.

К основным ХТС относятся:

Фуран-процесс

Фурановые смолы используются совместно с кислотными катализаторами.

Стандартная система:

песок + фурановая смола + кислотный катализатор → ХТС → форма или стержень.

Подробнее: Фуран-процесс.

Alpha-Set

Фенольно-щелочная система с эфирным отвердителем.

Применяется для изготовления форм и стержней, в том числе для стального и чугунного литья. Производитель Уралхимпласт–Хюттенес Альбертус отдельно отмечает применение Alpha-Set и его характеристики для стального литья.

Подробнее: Alpha-Set процесс.

Жидкостекольные ХТС

В качестве связующего используется жидкое стекло, а отверждение может выполняться химическими отвердителями, в том числе сложными эфирами.

Жидкостекольные системы относятся к неорганическим связующим и применяются там, где важны экологические и технологические характеристики процесса.

Resol-CO₂

Резольное фенолоформальдегидное связующее отверждается при воздействии углекислого газа.

Подробнее: Resol-CO₂ системы.

Связующие для стержней

К стержневым связующим предъявляются повышенные требования, поскольку стержень должен:

сохранять геометрию при изготовлении и сборке;
выдерживать транспортировку и установку;
сопротивляться воздействию расплавленного металла;
обеспечивать необходимую газопроницаемость;
иметь контролируемое газообразование;
разрушаться или облегчать выбивку после заливки;
обеспечивать требуемое качество поверхности отливки.

Особое значение имеет совместимость связующего с используемым песком, регенератом и противопригарным покрытием.

Связующие для форм

Для форм используются различные системы — от традиционных песчано-глинистых смесей до химически твердеющих песчано-смоляных систем.

При выборе связующего учитываются:

размеры формы;
масса отливки;
материал отливки;
температура заливки;
способ изготовления формы;
способ уплотнения;
требуемая прочность;
газопроницаемость;
выбиваемость;
возможность регенерации;
требования к поверхности.

Для крупных форм особенно важна стабильность смеси во времени и возможность управлять скоростью набора прочности.

Фурановые связующие

Фурановые смолы широко применяются в ХТС.

Фурановая система позволяет получать формы и стержни без нагрева оснастки. В состав технологической системы входят песок, фурановое связующее и кислотный катализатор.

При выборе фурановой смолы необходимо учитывать:

тип смолы;
содержание фурфурилового спирта;
содержание азота;
содержание свободного формальдегида;
дозировку;
тип катализатора;
живучесть смеси;
скорость набора прочности;
конечную прочность;
выбиваемость;
регенерацию песка.

Подробнее: Фуран-процесс → Фурановые смолы.

Фенольные и фенолофурановые связующие

Фенольные системы применяются в различных технологиях изготовления литейных форм и стержней.

В зависимости от технологии могут использоваться:

фенолофурановые смолы;
фенольно-кислотные системы;
фенольные связующие для специальных процессов;
фенольные связующие для оболочкового литья.

Например, фенольно-кислотные системы применяются для чугунного и стального литья с использованием свежего и регенерированного песка.

Фенол-уретановые связующие Cold-Box Amin

Cold-Box Amin — технология изготовления стержней, при которой песчано-смоляная смесь отверждается газообразным амином.

Система включает:

компонент A + компонент B + песок + аминовый катализатор.

Для Cold-Box применяются фенольные и полиизоцианатные компоненты связующего.

При подборе системы учитываются:

прочность;
скорость отверждения;
содержание связующего;
качество песка;
регенерат;
газообразование;
выбиваемость;
экологические требования;
совместимость с покрытием.

Современные Cold-Box системы применяются для изготовления сложных стержней и ориентированы на сочетание высокой прочности и контролируемого газообразования.

Подробнее: Смолы для Cold-Box Amin.

Связующие Resol-CO₂

Resol-CO₂ использует резольную фенолоформальдегидную смолу и углекислый газ для отверждения.

Система может применяться для изготовления форм и стержней из кварцевого и специальных песков. В российской промышленности представлены соответствующие резольные CO₂-связующие. Например, техническая документация на Синотерм CO₂ указывает применение для стального, чугунного и цветного литья.

Подробнее: Resol-CO₂ системы.

Жидкостекольные связующие

Жидкое стекло — неорганическое связующее для формовочных и стержневых смесей.

В зависимости от технологии оно может отверждаться:

CO₂;
сложными эфирами;
другими химическими отвердителями.

Одно из направлений — жидкостекольные ХТС со сложными эфирными отвердителями. Такая технология отдельно выделяется среди No-Bake систем.

Основные преимущества направления:

отсутствие органической смолы;
возможность применения для различных сплавов;
возможность химического отверждения без нагрева;
возможность использования в экологически ориентированных технологиях.

При этом состав смеси, режим отверждения и регенерация требуют подбора под конкретное производство.

Связующие для Beta-Set

Beta-Set — фенол-эфирный Cold-Box процесс.

В системе используется специальное фенольное связующее, а отверждение осуществляется метилформиатом.

Например, техническая документация Уралхимпласт–Хюттенес Альбертус указывает применение метилформиата совместно со связующим Carbонд MF; отвердитель подаётся в песчано-смоляную смесь в виде парогазовой смеси.

Подробнее: Beta-Set процесс.

Связующие для оболочкового литья

Для Shell-процесса применяются термоотверждаемые фенольные связующие.

Один из вариантов — порошкообразное фенольное связующее, состоящее из новолачной смолы и уротропина.

Например, СФП-011Л предназначено для изготовления оболочковых форм и стержней и может применяться для стального, чугунного и цветного литья.

В Shell-процессе смесь песка со связующим формирует оболочку на нагреваемой оснастке.

Связующие для 3D-печати песчаных форм и стержней

Аддитивное производство использует специальные связующие для послойного соединения частиц формовочного материала.

В процессе печати:

песок → нанесение слоя → локальное нанесение связующего → отверждение → следующий слой.

Специальные связующие позволяют изготавливать формы и стержни сложной геометрии, которые традиционными способами могут требовать значительных технологических усилий.

Для 3D-печати применяются, в частности, системы на основе фурановых связующих и другие специализированные составы.

Связующее и регенерация песка

При выборе связующего необходимо заранее учитывать возможность регенерации.

После выбивки на зернах песка остаются продукты связующего. Их количество и свойства влияют на:

качество оборотного песка;
потребность в свежем песке;
расход нового связующего;
стабильность ХТС;
газообразование;
качество отливки.

Поэтому современный подбор связующего желательно проводить одновременно с оценкой системы регенерации.

Для некоторых технологий производители отдельно указывают хорошую регенерируемость песка как характеристику связующей системы.

Связующее, песок и противопригарное покрытие

Связующее нельзя рассматривать изолированно от остальных материалов.

Фактическая технологическая система выглядит так:

песок → связующее → отвердитель → регенерат → форма/стержень → противопригарное покрытие → заливка → выбивка.

Изменение связующего может изменить:

шероховатость стержня;
газообразование;
прочность;
выбиваемость;
взаимодействие с покрытием;
качество поверхности отливки.

Поэтому при замене импортной смолы желательно проверять не только прочность смеси, но и конечное качество отливок.

Как выбрать связующее для формы или стержня

Для подбора системы необходимо определить:

1. Материал отливки
чугун;
сталь;
алюминий;
медные сплавы;
другие сплавы.
2. Технологию
ХТС;
Cold-Box Amin;
Фуран;
Alpha-Set;
Resol-CO₂;
Beta-Set;
жидкое стекло;
Shell;
3D-печать.
3. Песок
кварцевый;
хромитовый;
оливиновый;
цирконовый;
специальный;
регенерированный.

Специальные пески также могут применяться сразу в нескольких технологиях формообразования, включая Cold-Box, ХТС и Resol-CO₂.

4. Требования к стержню или форме
прочность;
живучесть смеси;
скорость отверждения;
газопроницаемость;
газообразование;
выбиваемость;
термостойкость;
качество поверхности.
5. Существующую систему

При замене импортного материала желательно предоставить:

текущую марку связующего;
технический паспорт;
фактическую дозировку;
марку песка;
долю регенерата;
тип отвердителя;
режим смешивания;
режим отверждения;
существующее покрытие;
типовые дефекты.
Импортозамещение связующих

Замена связующего должна выполняться по технологической функции, а не только по названию продукта.

Например, фурановая смола не является прямым аналогом Cold-Box связующего только потому, что оба материала используются для стержней.

При поиске аналога необходимо сравнивать:

Показатель Что сравнивается
Тип связующего Фуран, фенольное, полиуретановое, резольное и др.
Технология ХТС, Cold-Box, CO₂, Shell и др.
Дозировка % от массы песка
Отвердитель Тип и расход
Живучесть Время работоспособности смеси
Прочность Набор и конечное значение
Газообразование Поведение при заливке
Выбиваемость Разрушение после заливки
Регенерация Возможность возврата песка
Поверхность Влияние на качество отливки

Прямую взаимозаменяемость необходимо подтверждать испытаниями.

Какие связующие можно подобрать

Можно рассматривать поставку и подбор:

Фурановые смолы
Для ХТС и No-Bake.

Фенольно-щелочные связующие
Для Alpha-Set.

Cold-Box связующие
Для изготовления стержней с газовым аминовым отверждением.

Резольные связующие
Для Resol-CO₂.

Фенол-эфирные системы
Для Beta-Set.

Жидкое стекло и отвердители
Для неорганических ХТС.

Фенольные порошковые связующие
Для Shell-процесса.

Специализированные связующие
Для 3D-печати песчаных форм и стержней.

Подбор связующего под конкретное производство

Если задача заключается в замене импортного связующего, снижении расхода смолы или устранении дефектов литья, начинать лучше не с выбора новой марки.

Сначала анализируется существующая технология:

песок → регенерат → связующее → отвердитель → дозировка → смеситель → форма/стержень → покрытие → заливка → выбивка → дефект.

После этого можно определить, требуется ли:

замена связующего;
изменение дозировки;
изменение отвердителя;
корректировка песка;
изменение доли регенерата;
изменение режима смешивания;
изменение противопригарного покрытия;
комплексная замена технологической системы.

Подбираем и организуем поставку связующих для форм и стержней с учётом конкретной технологии литейного производства и возможности импортозамещения.