Самовысыхающие противопригарные покрытия

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

САМОВЫСЫХАЮЩИЕ 
ПРОТИВОПРИГАРНЫЕ 
ПОКРЫТИЯ

Монография

Красноярск
СФУ
2022

УДК 621.744.37
ББК 39.796
С172

Р е ц е н з е н т ы: 
С. Б. Наумов, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии 
композиционных материалов и древесиноведения ФГБОУ ВО «Сибирский 
государственный университет науки и технологий имени академика 
М. Ф. Решетнева»;
А. С. Янушкин, доктор технических наук, профессор кафедры технологии 
машиностроения ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет 
имени И. Н. Ульянова»

С172 
Самовысыхающие противопригарные покрытия : монография / 
Т. Р. Гильманшина, И. Е. Илларионов, А. А. Ковалева, 
Е. Н. Жирков. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2022. – 180 c.
ISBN 978-5-7638-4600-3

Представлены результаты исследования возможности повышения качества са-
мовысыхающих противопригарных покрытий за счет использования в их составе 
природных и активированных скрытокристаллических графитов. Предложены новые 
составы покрытий, позволяющие получать чугунные отливки с надлежащей 
чистотой поверхности. 
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, аспирантов, 
а также может быть интересна бакалаврам и магистрантам металлургических вузов.

Электронный вариант издания см.: 
УДК 621.744.37
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 39.796

ISBN 978-5-7638-4600-3 
© Сибирский федеральный
университет, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список условных обозначений и сокращений .....................................4
Введение .......................................................................................................5

Глава 1. Технологии получения высококачественных отливок 
с чистой поверхностью ..............................................................................6
1.1. Теоретические основы формирования свойств 
противопригарных покрытий ...............................................................6
1.2. Составы и свойства самовысыхающих 
противопригарных покрытий ............................................................ 19
1.3. Cкрытокристаллический графита – перспективный наполнитель 
самовысыхающих противопригарных покрытий  .......................... 29
1.4. Зависимость свойств противопригарных покрытий от способа 
подготовки графитов  ......................................................................... 42

Глава 2. Разработка комплекса технологических решений 
повышения качества поверхности чугунных отливок .................... 64
2.1. Исследование влияния способа подготовки 
скрытокристаллического графита на свойства 
спиртовых суспензий ......................................................................... 64
2.2. Разработка состава самовысыхающего покрытия .......................... 77
2.3. Исследование влияния соотношения природного 
и активированного графита в наполнителе на свойства 
противопригарных композиционных покрытий ............................. 90
Заключение  ............................................................................................ 140
Библиографический список ................................................................ 141
Приложение 1 ......................................................................................... 167
Приложение 2 ......................................................................................... 169

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

∆G 
–  энергия Гиббса, кДж;
∆H 
–  энтальпия, кДж;
∆S 
–  энтропия, кДж;
 θ 
–  краевой угол смачивания, град.
А 
–  зольность
ГЛС-0(К) 
–  низкозольный графит Курейского месторождения 
ГЛС-0(Н) 
–  низкозольный графит Ногинского месторождения
ГЛС-2 
–  природный 
графит 
Курейского 
месторождения 
(ГОСТ Р 52729 –2007)
ГЛС-2А 
–  механоактивированный графит Курейский месторождения 

ДСК 
–  дифференциально-сканирующая калометрия
УКА 
–  условный критерий активации 

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей литейного производства является изготовление 
отливок, имеющих разнообразную конфигурацию, с максимальным 
приближением их формы и размеров к форме и размерам детали и с высоким 
качеством поверхности. При этом актуальная проблема связана 
с пригарообразованием и шероховатостью поверхности отливок, а затраты 
на исправление образовавшихся поверхностных дефектов составляют 
до 60 % от общего объема трудоемкости их изготовления. 
Действенным способом решения этой проблемы является создание 
и нанесение эффективных противопригарных покрытий на поверхность 
литейных форм и стержней.
Низкий коэффициент теплового расширения, несмачиваемость 
металлами и шлаками, высокая прочность при высоких температурах, 
а также ряд других свойств делают природные и искусственные графиты 
незаменимым вспомогательным материалом в литейном производстве. 
Наибольшее предпочтение при этом отдается скрытокристаллическому 
графиту, месторождения которого сосредоточены в Красноярском 
крае. Это связано с тем, что скрытокристаллические графиты обладают 
большей дисперсностью. Однако низкое качество красноярского графита 
не позволяет получать из него тигли, смазки, модификаторы, карбюризаторы, 
графитовые формы и другие изделия для литейного производства. 
А следовательно, и покрытия на их основе не всегда отвечают 
требованиям литейного производства.
Создание эффективных противопригарных покрытий возможно 
с учетом современных научных достижений, позволяющих переводить 
процессы подготовки материалов на атомарно-молекулярный уровень 
воздействия на них. К числу таких процессов можно отнести отдельные 
и комплексные методы активации, сопровождающиеся деформацией 
частиц, изменением межплоскостного расстояния и сингонии решетки, 
образованием новой поверхности и ряд других физико-химических процессов, 
обеспечивающих формирование требуемых свойств противопригарных 
покрытий.

Глава 1

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ 
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ОТЛИВОК 
СЧИСТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Формирование качественной поверхности отливки представляет 
собой сложный процесс, определяемый характером заполнения сплавом, 
степенью прогрева литейной формы и физико-химическими и механическими 
взаимодействиями, протекающими между расплавом и атмосферой 
литейной формы, в зоне расплав – литейная форма [1–31].

1.1. Теоретические основы формирования свойств 
противопригарных покрытий

Основополагающая информация о процессах взаимодействия 
на границе форма – расплав изложена в трудах П. П. Берга [2], П. А. Бор-
сука [3], И. В. Валисовского [4], В. А. Васильева [5], Ю. П. Васина [6], 
Б. Б. Гуляева [7], С. С. Жуковского [9], И. Е. Илларионова [10–12], 
А. М. Лясс [3], Л. И. Маминой [13], В. Г. Бабкина [14], А. Н. Баландина [
15], К. И. Ващенко [16], А. И. Вейника [17], А. А. Волкомича [18], 
Э. А. Дмитриева [19], С. П. Дорошенко [8, 20], В. К. Дубровина [21], 
Н. А. Кидалова [22], Г. Г. Крушенко [23], Д. Н. Кукуя [24], Б. А. Кула-
кова [21, 25], И. О. Леушина [26], Ф. Д. Оболенцева [27], А. А. Рыжикова [
28], П. В. Черногорова [29] и многих других отечественных ученых.
В теории формирования отливки условно принято выделять пять 
стадий получения отливки: 


 заполнение формы сплавом;


 отвод теплоты перегрева;


 затвердевание металла;


 охлаждение в литейной форме затвердевшей отливки;


 охлаждение отливки вне литейной формы [30, 31]. 
С момента попадания первой порции жидкого металла в полость 
литейной формы происходит тепловое взаимодейсвтие и охлаждение 

1.1. Теоретические основы формирования свойств противопригарных покрытий

слоя расплава, контактирующего с поверхностью литейной формы с образованием 
литейной корочки [32]. Например, когда расплавленный металл 
попадает в полость сырой песчано-глинистой формы, начинается 
сушка смеси и испарение воды. Водяной пар вытесняется в прохладные 
слои сырой формы, где и конденсируется, в результате чего повышается 
среднее содержание влаги в слое формы, расположенного рядом с сухим 
слоем (рис. 1.1). 
В результате нагрева сухие слои литейной формы расширяются, поэтому 
во влажных слоях развиваются напряжения. Если теплые, влажные 
слои литейной формы не имеют достаточной прочности на растяжение, 
то на поверхности литейной формы могут появиться различные дефекты. 
Если расплавленный металл не успевает затвердеть, то он будет проникать 
в образовавшиеся дефекты, что значительно ухудшит качество поверхности 
отливок. При этом все процессы происходят в короткое время, 
пока металл находится в расплавленном состоянии, т. е. когда трещины 
или сколы на поверхности песка могут быть заполнены расплавом [40].
Наиболее полное представление о процессе распространения тепла 
можно получить с помощью аналитических или экспериментальных 
методов исследования температурного поля системы отливка – литейная 
форма [32, 33].
Немалую роль в процессах распростарения тепла будут играть 
и покрытия, возможны два варианта:
1. В отливке и в литейной форме перепады температур небольшие, 
а в слое покрытия – очень большие, т. е. слой огнеупорного покрытия 
представляет основное сопротивление процессу передачи 
тепла от отливки к форме, и плотность теплового потока 
(рис. 1.2, а)

Рис. 1.1. Слои литейной формы во время затвердевания отливки [40]

Глава 1. Технологии получения высококачественных отливок с чистой поверхностью

q = (Тотл – Тф) 
x

λ
,

где Тотл, Тф – температура расплава, формы, ºС; λкр – коэффициент теплопроводности 
краски, нанесенной на поверхность формы; хкр – толщина 
слоя краски. В этом случае использование покрытия позволяет регулировать 
тепловые процессы.
2. Покрытие не представляет преобладающего теплового сопротивления, 
т. е. наносится на рабочую поверхность литейных форм 
с целью обеспечения высокой размерной точности и чистоты поверхности 
отливок (рис. 1.2, б) [34].
В работе [35] отмечается, что нанесение покрытий на основе циркона 
на поверхность песчано-глинистых форм обеспечивает быстрое удаление 
тепла от металла, что ускоряет процесс кристаллизации и позволяет 
достигать хорошие структурные и механические свойства металла, 
а также позволяет получать чугунные отливки с чистой поверхностью.
В настоящее время моделирование температурных полей осуществляется 
с использованием программных комплексов ANSYS и ProCAST 
(рис. 1.3–1.6) [36–40].
На рис. 1.4 видно, что точечных мест концентраций напряжений 
в затвердевшей отливке не наблюдается. 
Математическое моделирование напряжений начинается с анализа 
передачи тепла, в том числе затвердевания и усадки, и зависит от межфазного 
теплообмена, эффектов течения расплава и образованию трещин. 

Рис. 1.2. Схемы температурных поле в системе «отливка – литейная форма» [34]

а 
б

1.1. Теоретические основы формирования свойств противопригарных покрытий

Рис. 1.3. Направление и время кристаллизации (через 5,5 ч), 
средняя температура 300 °С [40]

Рис. 1.4. Напряжения в отливке [40]

 

Рис. 1.5. Пористость в отливке [40]

 

Глава 1. Технологии получения высококачественных отливок с чистой поверхностью

Кроме того, этот процесс усложняется фазовыми превращениями, температурой, 
структурой, взаимодействием между отливкой и литейной 
формой [42, 43]. 
К наиболее общим закономерностям изменения чистоты поверхности 
можно отнести следующие [4, 10–12, 13, 44]:


 чистота поверхности отливки не может быть выше, чем чистота 
поверхности формы: чистота поверхности отливки ухудшается при увеличении 
размера зерен и уменьшении степени уплотнения;


 чистота поверхности отливки зависит от температуры сплава при 
его заливке: за счет уменьшения вязкости можно ожидать ухудшения 
чистоты поверхности с повышением температуры, даже если смачиваемость 
поверхности смеси не увеличивается.
Средняя высота выступов на поверхности отливки не может превосходить 
величину радиуса зерна (рис. 1.7). 

Рис. 1.6. Микропористость в отливке [40]

 

Рис. 1.7. Схема рельефа литой поверхности [44]

1.1. Теоретические основы формирования свойств противопригарных покрытий

На глубину фильтрации расплава и прочность сцепления расплава 
с поверхностью отливки существенное влияние оказывают окислительно-
восстановительные свойства газовой среды на границе раздела металл – 
литейная форма [32]. 
Влияние литейной формы на формирование качества поверхности 
отливки связано главным образом со смачиваемостью жидким металлом, 
которая зависит от химического сродства расплава и литейной 
формы. 
Работа адгезии, характеризующая сцепление расплава со стенкой 
литейной формы, в значительной степени определяет чистоту поверхности 
отливки [45].
Необходимо отметить, что капля жидкости, нанесенная на поверхность, 
либо подчиняется закону Юнга, либо растекается. Растекание 
жидкости на твердых телах происходит в результате диффузии, капиллярных 
эффектов и т. д. [32, 33]. 
Эффективность капиллярной пропитки оценивается давлением 
проникновения жидкости в цилиндрические капилляры, которые может 
быть приближенно посчитано по известной формуле Лапласа:

q = 2 cos
r
σ
θ,

где σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; r – радиус цилиндрического 
капиляра, м; θ – краевой угол смачивания, град.
Описать процесс движения жидкости по капилярам можно следующим 
уравнением:

2

2
2
1
8
sin
0
d l
dl
dl
P
g
l
d
d
l
d
r
μ
⎛
⎞
+
+
α ±
=
⎜
⎟
⎝
⎠
τ
τ
ρ
τ
ρ
, 

где l – путь жидкости, м; τ – время пропитки, с; μ – коэффициент динамической 
вязкости, H·с/м2; ρ – плотность жидкости, кг/м3; g – ускорение 
силы тяжести, м/с2; α – угол наклона капилляра к горизонту, град; Р – 
капиллярное давление [32, 33, 45].
На чистоту поверхности отливки оказывает влияние также газовый 
режим литейной формы. 
Повышение газотворности смеси за счет введения в их состав сгорающих 
добавок может привести к улучшению качества поверхности 
отливок, но только до известной границы, при переходе через которую 
снижается качество поверхности, а также появляется опасность образования 
газовых раковин [44].