Порошковые краски для ледяных моделей, применяемых в производстве металлоотливок
УДК 621.74.045
В. С. Дорошенко (dorosh@inbox.ru).Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, г.Киев
Порошковые краски для ледяных моделей, применяемых в производстве металлоотливок
Использовали наличие электронного заряда в поверхностном слое льда шириной от нескольких нанометров для нанесения порошковых красок на изделия изо льда. Этот слой имеет квазижидкую структуру и появляется вблити температуры плавления льда. В качестве изделий служили ледяные разовые модели, по которым получали железные отливки. Разработана разработка нанесения порошковых красок на эти модели как пример сочетания криотехнологии с явлениями на наноуровне. Рассмотрены физические базы технологии, примеры получения отливок, экологические достоинства как порошковых покрытий, так и технологии литья по ледяным моделям.
Ключевики: криотехнология, наноуровень, литье, ледяные модели, порошковые краски, отливки, лед, металл
Термин «порошковые краски» — ПК («Powder Cоatings») появился в 50-е годы прошедшего века, когда были разработаны 1-ые эталоны сухих красок на базе порошков полимеров и олигомеров. Ранее были известны только водянистые краски. Если коэффициент использования материала при получении покрытий из водянистых красок с низким и высочайшим сухим остатком лежит в границах 25…85%, то для ПК он — 97…98% [1]. Обильному применению в индустрии ПК содействовали все растущие требования к охране среды (отсутствует испаряемый в атмосферу растворитель), экономические суждения и рвение к увеличению свойства покрытий. В текущее время фактически нет отрасли индустрии, где бы не использовалась эта разработка, все обширнее она внедряется и в строительную промышленность.
ПК после нанесения на окрашиваемую поверхность удерживаются на ней электростатическими силами и состоят из жестких частиц — пленкообразующей базы и разделяющей их среды – воздуха [1]. В этих красках в качестве заполнителей используют порошковый диоксид кремния, оксиды других металлов, портландцемент и др. , но они фактически не употребляются в литейном производстве, т. к. не разработаны методы их электростатического нанесения и электроосаждения. А применяемые в литейных процессах водянистые краски нередко имеют добавки (растворители, связующие и др.), применение которых усугубляет экологию производства.
С другой стороны, поиск экологически безобидных технологий производства четких железных отливок, который ведут ученые института ФТИМС НАНУ (отдел ФХПФ под рук. проф. Шинского О.И.), привел к применению такового материала для литейных разовых моделей как лед. Для таких моделей проблемно использовать водные литейные краски, т. к. они неравномерно намерзают на фасонную поверхность моделей, и их тяжело высушить. А применение спиртовых либо им схожих красок подрастворяет поверхность моделей и нарушает их геометрию. Оба варианта усугубляют точность отливок. В институте науки и технологии Миссури (США) группа учёных под управлением доктора Мин Лэу (Ming C. Leu) перед нанесением на ледяные модели водянистого покрытия с этилсиликатом обмазывают модели разделительным покрытием. Дополнительные материалы и операции усложняют технологию, также усугубляют точность отливок. Потому разработка красок для ледяных моделей привела к ПК, в каких отсутствует растворитель и огнеупорный материал конкретно контактирует со льдом.
Лаконичный обзор литературы о физических свойствах льда указывает, что за их исследования несколько ученых получили Нобелевские премии в 40-х, 50-х и 70-х годах. Лед соединяет воединыжды внутри себя обратные характеристики: кристалл – бесформенное тело, упругость – пластичность, полупроводник – диэлектрик, плотнее воды – легче воды [2]. Согласно обозначенного доклада известного ученого в области геокриологии, директора Института криосферы Земли СО РАН академика РАН В. П. Мельникова современная наука определяет лед пятью рубриками: 1) физико-химическая система (кристалло-химическая система, геохимическая система, экологическая ниша, экосистема, компонент климатической системы, компонент биосферы); 2) физическая система (физическое тело, кристалло-графическая система, компонент геосистем, физико-механическая система, мультифункциональный барьер); 3) природное вещество (минерал, горная порода, ледяной массив, ледяные геосистемы, геологический объект, географический объект, планетарный объект, галлактический объект); 4) информационная система (источник – приемник энергетически слабеньких полей, регистратор событий, архив – информационный природный ресурс); 5) «управляющая» система (регулятор характеристик среды, трансформатор вещества и энергии, концентратор лишних веществ, резерв хим частей, аккумулятор эмержентных /отменно новых/ параметров, эталон критерий среды). В этом списке пока не вписана черта льда как конструкционного материала.
Лед прозрачен, т.к. в нем не появляются свободные электроны. Поверхность льда – квазижидкость, при отрицательной температуре близкой к точке плавления обязанная беспорядочному расположению молекул воды в квазижидком слое, но сразу упорядоченной (по сопоставлению с кристаллом) ориентацией диполей. Только кристаллы льда построены на одних водородных связях, т.е. можно считать лед – эталоном водородных связей. Эти же водородные связи играют самую важную роль в белках, нуклеиновых кислотах, в биополимерах. Сама жизнь должна водородным связям, т.к. все биохимические процессы в живом организме – все это процессы, когда рвутся и появляются вновь водородные связи.
В кристаллах льда, молекулы воды размещаются таким макаром, что электростатические и дисперсионные силы (деформация электрических туч при сближении 2-ух молекул при которых появляются силы притяжения) строго уравновешиваются обменными силами отталкивания (вызываются квантовомеханическими причинами). Межмолекулярное расстояние, т.е. «длина» водородной связи равна 0,276 нм, определяется конкретно этим условием [3]. Когда лед тает, превращаясь в воду, водородные связи разрушаются. Пар – состояние, когда все водородные связи разорваны. Система: вода – лед – пар – это система с сильными ковалентными связями (вода), чисто водородными (лед) и разорванными водородными связями (пар).
Больший энтузиазм из физики аква льда для сотворения технологии внедрения ПК вызвало то, что у его поверхности при отрицательных температурах близких к точке плавления появляется не водянистый и не кристаллический слой (бесформенной структуры), в каком дипольные молекулы воды делают двойной электронный слой. В целом этот слой у поверхности льда состоит из нескольких 10-ов либо сотен молекулярных слоев и имеет общую толщину от нескольких до нескольких 10-ов нанометров, в нем до 74% молекул воды ориентируется протонами наружу [2, 3]. Этот слой именуют квазижидким с того времени, как Фарадей высказал идею его появления. Подтверждено эспериментально, что при кристаллизации воды и аква смесей (также ряда диэлектриков) на плоской фазовой границе формируется двойной электронный слой. В нем беспорядочное размещение молекул воды сразу смешивается с упорядоченной ориентацией самого последнего ряда молекул как диполей [2, 3] (как аналог сил поверхностного натяжения в воды), что показано на рис. 1.
Рис.1. Модель строения квазижидкого слоя. Стрелки указывают ориентацию дипольных молекул воды [3].
На поверхности квазижидкого слоя размещение диполей упорядочено, при этом количество диполей, нацеленных ввысь, приметно превосходит количество диполей, нацеленных вниз. По мере продвижения вовнутрь квазижидкого слоя эта особенность равномерно сглаживается и в конце концов устанавливается присущая кристаллу льда полная упорядоченность в расположении диполей.
Обозначенный электронный слой (по терминологии Н. Маэно) на поверхности льда решили использовать для электроосаждения порошковой краски на поверхности ледяной литейной модели методом специального сотворения критерий его образования, чтоб его электронным зарядом задерживать пылеобразные частички ПК на поверхности ледяной модели. Для этого узнали, что по данным [3] квазижидкий слой появляется в интервале температур от 00С до чуток ниже — 60С, а его признаки начинают проявляться выше -130С.
Но, боле поздние исследования [4] «аморфизации» структуры поверхностного слоя льда при помощи спектроскопии колебательных степеней свободы молекул проявили, что упорядоченность молекул льда (как кристалла) начинает равномерно разрушаться уже при температуре около 200К (-70°С), что создатели этих работ представили графически на рис. 2 (кривая с темными знаками). С ростом температуры разупорядоченность усиливается (кривая со светлыми знаками) возникновением у поверхности льда квазижидкого слоя, который по ориентации молекул смотрится даже более беспорядочным, чем жидкость. Поблизости 240К (-30°С) количество «кристаллических» водородных связей молекул льда и свободных сравнивается, и при предстоящем росте температуры количество последних превалирует.
Рис. 2. Ориентационный параметр порядка S (темные знаки) и разброс по углам ?М ориентации водородных связей (светлые знаки) зависимо от температуры T поверхности льда [4].
При отработке технологии нанесения на ледяные модели ПК покрытие применяли как противопригарное, герметизирующее (для понижения газои водопроницаемости поверхностного слоя литейной формы) и твердеющее. Для этого использовали такие порошкобразные материалы, как пылевидный формовочный кварцевый песок, дистен-силлиманитовый концентрат КДСП (ТУ 48-4-307-74) приемущественно в качестве наполнителя, а гипс полуводный строительный (ГОСТ 125-79), портландцемент марок 400…500 и др., декстрин (ГОСТ6034-74), порошки неких полимерных материалов — для выполнения функций пленкообразователей либо связывающих. Для ускорения твердения обозначенных гипса и цемента в водную композицию модели добавляли жидкое стекло до плотности 1,08 г/см3. Эта аква композиция служила отвердителем ПК. Различия в способах нанесения и получаемом на модели слое ПК на базе пылевидного кварцевого песка либо КДСП были малозаметны, хотя песок давал более размеренную чистоту поверхности оболочек, его также можно соединять с КДСП. Любой из этих заполнителей замешивали с обозначенными связывающими (15…20% по массе) в виде сухой консистенции порошков и наносили на поверхность ледяной модели.
Поначалу в процессе отработки операции нанесения ПК ледяную модель со стенами толще 8 мм охлаждали до температуры ее поверхности около -60С, что было довольно исходя из убеждений сохранения прочности для этой модели. Во 2-м варианте тонкостенные и маленькие модели перемещали с полок морозильной камеры, где была температура -18…-150С, в камеру с температурой -60С и там выдерживали перед нанесением ПК. В обоих случаях при нанесении насеиванием ПК на поверхность при вращении модели получали со всех боков размеренный слой краски шириной 0,3…3,0 мм.
В предстоящем удостоверились, что при нанесении на модель, взятой из камеры с температурой -18…-100С, в итоге термообмена с ПК комнатной температуры и окружающим воздухом поверхность модели успевала греться до температуры образования квазижидкого слоя, который давал достаточный электрозаряд на поверхности модели и задерживал частички ПК, что было видно по стабильности и равномерности нанесенного слоя ПК. На рис. 3а показана попытка нанесения аква краски на модель, модель окрашена окунанием отчасти. Видно, что краска ложится как манная каша неравномерным слоем и сходу леденеет. Высушить такую краску до размеренного слоя, который не поплывет при таянии модели очень трудно. На рис. 3б показана модель с нанесенным слоем ПК, который размеренно удерживается на всех поверхностях модели. По таковой модели с ПК получали оболочковую форму (на рис. 3в форма распиленная), где близкий к полости слой ПК — белоснежного цвета, а за ним — более черный песочный, для сопоставления геометрии поверхности выше показана неокрашенная модель.
а)
б)
в)
Рис. 3. Нанесение краски на модель: а) водянистой, б) ПК, также в) ПК перенесено на оболочковую форму.
Очень перспективны методы нанесения ПК в кипящем слое, температура передвигающейся среды ускорит увеличение температуры поверхности модели до требуемой. Аналогично для нагревания лишне прохладной поверхности модели можно использовать пульверизацию воды, освещение модели солнечным либо искусственным светом, или подвергать излучениям другого вида (ультрафиолетовым, инфракрасным, ускоренных электронов и т. п.), помещать модель в поле магнитных сил, поле коронного разряда, либо токов высочайшей частоты.
В индустрии обширно используют трибостатическое нанесение заряда на частички ПК в итоге трения о диэлектрик, при котором идет обмен электронами и осуществляется передача электронного заряда. Величина потенциала, который характеризирует состояние наэлектризованности на поверхности частиц ПК, находится в зависимости от рационального выбора пары контактирующих материалов положения материалов в так именуемом трибоэлектрическом ряду [5]. Если обширно всераспространенный в качестве зарядных поверхностей снутри трибо-напылителей фторопласт (тефлон) является одним из более электроотрицательных материалов – получает электроны при контакте со многими другими материалами, которые, отдают электроны и обретают положительный заряд, то нейлон в качестве зарядной поверхности — ярко выраженный электроположительный материал, который с легкостью даст электроны другим материалам, заряжая их негативно. Исходя из этого, разработали метод использования поверхности нейлоновой сетки в качестве зарядной поверхности. Сетку помещали в обечайку с приставным дном, куда вываливали дозируемые порошки ПК, перемешивали стеклянной пластинкой, а потом помещали обечайку с сетью над ледяной моделью, удаляли дно и насеивали ПК на модель с равномерным ее вращением. Применение электроотрицательно заряженных частиц ПК провоцирует ответную электроположительную самозарядку поверхности льда, что было видно по размеренному слою ПК на модели.
Не считая того, удержание частиц ПК на поверхности модели содействует нанесение на их воды методом конденсации водяного пара из окружающего модель воздуха. Ведь модель, обычно, имеет температуру ниже точки росы воздуха, при всем этом ПК охлаждается ниже точки росы воздуха методом теплопередачи при контакте ее с моделью, а точку росы воздуха вокруг модели можно увеличивать методом роста влажности воздуха за счет диспергирования в нем воды либо аква композиции [6]. Приятный пример этого явления мы можем следить дома на кухне, когда вынимаем из холодильника кастрюлю с блестящей поверхностью, которая сходу запотевает и становится матовой. Кубический метр воздуха содержит (зависимо от влажности) от 4 до 25 граммов водяных паров. Влага начинает склеивать пылевидные частички ПК и инициирует реакцию твердения таких гидратационных вяжущих в составе ПК как гипс либо цемент, набухание глинистых частичек или гелеобразование таких порошковых связывающих, как декстрин, порошок силикат-глыбы, из которой получают жидкое стекло, и других, за ранее замешанных в состав ПК.
После нанесения ПК на модель цикл операций по получению отливки состоял в последующем. Модель с покрытием помещали в контейнерную опоку и засыпали песком, как обозначено в патенте [7], в большей степени в одно касание зернышек засыпаемого песка поверхности покрытой ПК модели. Потом песок виброуплотняли, он обжимал и уплотнял ПК. Модель подвергали таянию с соблюдением узнаваемых критерий удержания в статическом состоянии песка вокруг нее. Продукты таяния модели пропитывают ПК и приводят к ее отверждению благодаря содействии с гипсом либо цементом в составе ПК. В таком виде, после удаления излишка товаров стопроцентно растаявшей модели, маленькую форму можно подсушить и заливать металлом, вакуумируя песок. При наличии связывающего в модельной композиции либо порошкового связывающего в песке для получения отливок массой порядка килограмма и выше дополнительно пропитывают, не считая ПК, к тому же слой песка, получая оболочковую форму. Эту форму высвобождают от остатков растаявшей модели, и после ее отверждения могут отправлять на заливку металлом либо, удалив из формы оболочку методом осторожного высыпания через низ опоки несвязанного песка, отправлять на склад в ожидании заливки с опорным наполнителем либо без него.
На рис. 4 показан 2-ой пример нанесения ПК на ледяную модель в виде колпачка. Эту модель получают в пресс-форме (рис. 4 а), модель лежит в центре рис. рядом с пресс-формой. Потом на модель наносили ПК (рис. 4 б), которая размеренно удерживается на всех поверхностях, стопроцентно сглаживая уступ на модели. Достигается толщина ПК до 3…4 мм, для маленьких моделей она может служить облицовкой. Отливки полумуфты из металла, приобретенные по рассматриваемой технологии, показаны на рис. 4 в.
Разработанная разработка, благодаря созданию критерий использования электрозаряженной поверхности модели, или 2-ух обратно заряженных поверхности и ПК, позволяет получать высококачественное противопригарно-герметизующее покрытие на модели. Невысоки трудовые затраты при его изготовлении и нанесении.
а)
б)
в)
Рис. 4. Примеры: ледяных моделей а), нанесения ПК на модель б), также блока отливок, сделанного с применением ПК.
Предстоит разработка разных ПК на базе дешевых огнеупорных порошков, также быстротвердеющих связывающих, или консистенции порошков со связывающим и ускорителем его твердения (отвердителем), вступающих в реакцию при смачивании водой, но без нее в сухом виде не взаимодействующих. При получении оболочковых форм на образование оболочки идет только пропитанный слой ПК совместно с контактирующим слоем песка, остальная часть формы служит сухим сыпучим наполнителем (прогреваемым теплом отливки) и употребляется повторно в цикле оборота песка либо песочной консистенции в литейном цехе.
Таким макаром, криотехнология (дословно: разработка льда) рассматриваемых разовых моделей обладает не только лишь экологическими качествами минимизации либо полного исключения контакта связывающих и полимерных материалов с литым металлом, да и позволяет технологически использовать научные познания об особых свойствах квазижидкой структуры льда как явлении, обнаруженном на наноуровне. Как видно из результатов тестов, она приметно отличается от воды, к примеру, см. данные выше точки плавления на рис. 2 [4]. Удивление ученых вызывает то, что этот квазижидкий слой смотрится даже более беспорядочным, чем реальная жидкость. Последние опыты [8] молвят о способности регулирования температуры замерзания воды зависимо от полярности заряженной контактной поверхности, электроположительный заряд которой служит аналогом заряда квазижидкого слоя. Этот поверхностный слой не есть просто переходная стадия меж льдом и водой, а представляет собой особую структуру с поверхностью, обладающей электрозарядом, который создателями статьи употребляется для нанесения ПК, как 1-ый шаг использования такового вида красок в литейном производстве. И если сейчас обыкновенными стали специальности криогеохимиков и криобиологов, то не за горами возникновение криотехнологов-литейщиков.
Перечень литературы
1. Яковлев А. Д. Порошковые краски. — Л.: Химия, 1987, — 216 с.
2. Мельников В. П. К созданию цельного вида Криосферы. 25.07.2010. www.tmnsc.ru
3. Маэно Н. Наука о льде.М.: Мир, 1988, — 231 с.
4. X. Wei, P. Miranda, Y. Shen. Surface Vibrational Spectroscopic Study of Surface Melting of Ice // Phys. Rev. Lett. V.86. N8, 2001, pp. 1554-1557.
5. Nordson. Mетоды зарядки порошковых покрытий // Покраска проф. Львов. №4, 2006, с. 60-64.
6. Патент №88304 Украина МПК В22С 7/00. Метод нанесения покрытия на охлажденную модель / Шинский О. И., Дорошенко В. С. — Опубл. 12.10.09, Бюл. № 19.
7. Патент №81726 Украина МПК В22С 9/00, 9/02, 9/06.Метод засыпания модельных блоков песком в контейнере / Шинский О. И., Дорошенко В. С. — Опубл. 25.01.08, Бюл. № 2.
8. D. Ehre, E. Lavert, M. Lahav, I. Lubomirsky. Water Freezes Differently on Positively and Negatively Charged Surfaces of Pyroelectric Materials // Science 5 February 2010: Vol. 327. no. 5966, pp. 672 – 675.
V. S. Doroshenko
Powder coating of ice cast patterns.
Taking advantage of electric charge on the surface quasi-liquid layer of ice one-off patterns, the technology of powder coating on these models are developed. The physical basis of this technology, examples of the castings and marked environmental benefits as powder coating and injection molding technology to an ice model.
Keywords: casting, ice patterns, powder coatings, foundry, cryotechnology, ice, metal