Дисертацію присвячено створенню нових екологічно безпечних фосфатних зв’язувальних компонентів (ЗК) зі стабільним хімічним та мінералогічним складом, розробленню спрощених технологій їх отримання та реалізацію процесів формоутворення ливарних стрижнів на їх основі з підвищеними технологічними властивостями для виготовлення виливків із залізовуглецевих сплавів.
З метою створення нових неорганічних ЗК проведено аналіз фізико-хімічних процесів, які відбуваються у системах ортофосфорної кислоти з неорганічними солями натрію, теоретично встановлено нові варіанти синтезу фосфатних ЗК та підтверджено їх на практиці. Досліджено кінетику утворення ЗК у системах ортофосфорної кислоти з карбонатом, триполіфосфатом та хлоридом натрію. Вперше установлено механізм утворення фосфатів натрію із зв’язувальними властивостями в результаті прямої хімічної взаємодії хлориду натрію з ортофосфорною кислотою.
З метою визначення фазового та мінералогічного складу ЗК, утворених внаслідок взаємодії солей натрію з ортофосфорною кислотою, установлено, що ЗК, які утворюються при нормальній температурі або при нагріванні не вище 150 ℃, мають будову ортофосфатів, при 150…250 ℃ – пірофосфатів, а при 250...300 ℃ – метафосфатів натрію.
З метою дослідження динаміки структурних перетворень під час нагрівання ЗК, утворених у системах ортофосфорної кислоти з триполіфосфатом натрію та сульфатом алюмінію, розроблено опис їх механізмів термічних перетворень. Визначено фазовий склад фосфосульфатного ЗК при різних температурах в інтервалі від 200 до 1000 ℃. Установлено, що під час нагрівання відбувається поступове видалення кристалогідратної води, перетворення метафосфату алюмінію на ортофосфат, термічний розпад сульфату алюмінію. Установлено, що у ЗК, утвореного із ортофосфорної кислоти та триполіфосфату натрію, у складі суміші під час нагрівання відбуваються перетворення пірофосфату натрію на метафосфат в інтервалі 200…300 °С, який після розплавлення при температурі близько 550 °С і подальшого затвердіння при охолодженні переходить в аморфний стан.
З метою дослідження залежності фізико-механічних властивостей стрижневих сумішей від їх складу вперше встановлено закономірності впливу кристалічної будови синтезованих фосфатів натрію на їх зв’язувальну здатність у складі формувальних та стрижневих сумішей. Показано, що найбільшу міцність забезпечує двозаміщений пірофосфат натрію – Na2H2P2O7, який утворюється у системі триполіфосфату натрію з ортофосфорною кислотою. Це пояснюється наявністю водневих зв’язків та співвідношенням іонних радіусів Na+ та P2O74-, яке дорівнює 0,196.
Розроблено два варіанти синтезу фосфосульфатного та натрійфосфатних ЗК. Перший варіант передбачає утворення сухих ЗК під час витримки сульфату алюмінію або триполіфосфату натрію з ортофосфорною кислотою при температурі 200 ℃, з масовими співвідношеннями 10:1 та 5:1 відповідно. За другим варіантом ЗК утворюються безпосередньо під час теплового зміцнення стрижнів (150…300 ℃) із розчинів сульфату алюмінію (10…20%), триполіфосфату (20…30%), хлориду (25…30%), карбонату (25…30%) натрію в ортофосфорній кислоті.
З метою визначення оптимальних рецептур стрижневих сумішей проведено плановані експерименти та математичне оброблення їх результатів. Фосфосульфатний ЗК при вмісті в суміші 3,0…3,5% забезпечує міцність при стисканні 2,5…3,0 МПа, ЗК на основі ортофосфорної кислоти та NaCl при вмісті 4,5…5,0% – 2,8…3,0 МПа, ЗК на основі ортофосфорної кислоти та Na2CO3 при вмісті 3,0…3,2% – 2,6…2,8 МПа, ЗК на основі ортофосфорної кислоти та Na5P3O10 при вмісті 4,5…5,0% – 3,2…3,6 МПа.
Проведені лабораторні випробування розроблених стрижневих сумішей та визначено їх робочі властивості. Після заливання залізовуглецевими розплавами стрижні з фосфосульфатним ЗК мають мінімальну залишкову міцність, що зумовлено термічною деструкцією цього ЗК при нагріванні. У складі стрижнів з усіма натрійфосфатними ЗК під час нагрівання утворюється розплав метафосфату натрію, що сприяє значному збільшенню їх залишкової міцності, однак через водорозчинність метафосфату натрію забезпечується мінімальна робота вибивання стрижнів.
Практичне значення результатів дисертації обумовлене тим, що на основі теоретичних досліджень створено нові технології синтезу фосфатних ЗК та розроблено на їх основі стрижневі суміші з підвищеними технологічними властивостями для виготовлення виливків із залізовуглецевих сплавів. Процеси синтезу ЗК прості, малоопераційні, потребують мінімуму матеріалів та можуть бути реалізовані як у складі стрижневої суміші під час теплового зміцнення стрижня, так і перед приготуванням суміші на хімічному підприємстві або безпосередньо у ливарному цеху. Готові ЗК мають практично необмежений термін придатності, максимально екологічні.
