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 |   O Формальдегид Н-С 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                     О                 CH2 NH - CH C NH2 - CH2

 

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.