» » Формовочные и стержневые материалы и смеси
22.04.2015

Для изготовления разовых литейных форм используют легко формуемый материал, без особого труда разрушаемый при извлечении готовой отливки, но достаточно прочный, чтобы противостоять силам, возникающим при заполнении полости формы расплавленным металлом. В практике применяют смеси песков, глины и воды; они удовлетворяют приведенным выше требованиям, дешевы и доступны. Приготовляют формовочные смеси, перемешивая песок с определенным количеством глины и воды. Глина служит связующим. Определенному количеству глины соответствует определенное количество влаги. Кроме глины, используют и другие связующие материалы.
Прочность смесей из песка, глины и воды в сыром состоянии объясняется способностью глинистых мелкодисперсных частиц при перемешивании с водой образовывать растворы, похожие на коллоидные, в которых действуют электростатические силы (рис. 48). Кроме этих сил, действуют силы поверхностного натяжения воды, сближающие частицы, а также силы межчастичного фрикционного сцепления песчинок при уплотнении формовочной смеси.
Формовочные и стержневые материалы и смеси

Для изготовления смесей применяют различные формовочные пески (природные смеси). По ГОСТ 2138—74 они разделяются на классы по химическому составу (в зависимости от примеси глины), группы и категории по зерновому составу (размеру песчинок). В табл. 7 приведены основные характеристики песков и глин, которые используют в цехах цветного литья.
Глины состоят из тонкодисперсных частиц алюмосиликатов: каолинита Al2O3*2SiО2*2Н2О, монтмориллонита Al2O3*4SiО2*H2O+nН2O (или бентонита). Различают глины (ГОСТ 3226—65) по их связующей способности (три сорта и класса) в сыром и высушенном состоянии. Прочносвязующие глины обеспечивают сырую прочность стандартных образцов (90 % песка, 10 % глины, 2,5—3,5 % влаги, сверх 100 %), равную 0,1 МПа и более при сжатии, а малосвязующие 0,05—0,08 МПа. В высушенном состоянии прочность соответственно равна ≥0,55 МПа и ≤0,35 МПа. Кроме того, различают три группы глин T1, T2, T3 — по термохимической устойчивости в зависимости от содержания легкоплавких примесей (Fe2O3, Na2O, CaO, сульфиды и др.).
Формовочные и стержневые материалы и смеси

Кроме песков на основе SiO2, для изготовления форм, обладающих повышенной способностью к поглощению тепла и ускоряющих затвердевание металла в них, применяют смеси, содержащие магнезит, циркон. На практике в формовочные смеси вводят также специальные добавки для предотвращения пригара их к металлу, повышения газопроницаемости, податливости и облегчения выбивки. К ним относятся угольная пыль, маршаллит (тонкоразмолотый кварц), мазут, органические добавки (опилки, мука и др.), спецприсадки (сера, борная кислота, фторборкислый алюминий, сода и др.).
Из формовочных материалов готовят рабочие смеси, непосредственно используемые для изготовления форм и стержней.
В литейных цехах применяют смеси, состав которых зависит от сплава, из которого будет отлита деталь; от массы отливки (мелкие, средние и крупные); от способа использования форм (заливка в сырье или сухие формы, т. е. предварительно высушенные); от характера использования (единые, облицовочные, наполнительные смеси), от вида исходных материалов (естественные или синтетические смеси). Естественные смеси готовят из песков, к которым глина примешана в природном состоянии, а в синтетические смеси глину вводят в виде самостоятельной добавки. Преимущество синтетических смесей состоит в том, что они имеют хорошие свойства при минимальном содержании глины и влаги.
Чтобы получить качественные отливки, необходимо использовать формовочные смеси с определенным комплексом свойств: прочность и пластичность, газопроницаемость, огнеупорность, теплофизические свойства.
У обычных формовочных смесей сырая прочность на сжатие составляет 0,01—0,1 МПа, сухая (на разрыв) 0,2—2 МПа. Вместе с тем смеси не должны быть очень прочными, так как для получения точного, четкого отпечатка формы они должны хорошо заполнять углубления на модели, т. е. быть текучими, пластичными. Хорошими считают смеси, которые при максимальной текучести (пластичности) обеспечивают высокую прочность. Прочность зависит от содержания глины — чем ее больше, тем смесь прочнее, но до определенного предела. Качественными считают смеси, которые имеют высокую прочность и пластичность при минимальном содержании глины и влаги.
При заливке формы металлом образуется большое количество пара и газов, которые должны легко удаляться через стенки формы, чтобы не попасть в затвердевающий металл. Поэтому необходимо, чтобы материал формы был газопроницаемым. Газопроницаемость зависит от размеров и формы зерен песка, количества глины и влаги, плотности набивки, толщины стенок формы и др. Чем крупнее песок, чем меньше глины и влаги, ниже плотность набивки и тоньше форма, тем газопроницаемость выше. Хорошие смеси должны иметь небольшую газотворность, т. е, при нагревании выделять малое количество газообразных продуктов, либо, в крайнем случае, выделять их после того, как на отливке образуется плотная корка металла.
Необходимо, чтобы смеси были огнеупорными, способными не расплавляться и не размягчаться под воздействием расплавленного металла. Для приготовления форм при цветном литье этому требованию удовлетворяет кварцевый песок, состоящий в основном из SiO2. Чем меньше в песке Al2O3, Na2O, K2O, CaCO3, тем выше огнеупорность Материал формы должен быть также химически нейтральным по отношению к оксидам, образующимся в металле, иначе возможно химическое взаимодействие оксидов металла и формы, например основных оксидов Cu2O, NiO, FeO с кислотным SiO2, с возникновением легкоплавких соединений, которые образуют на поверхности пригар.
Необходимо, чтобы материал формы имел хорошие теплоаккумулирующие свойства. После заливки металлом формы она должна быстрее отводить тепло от металла; благодаря этому отливка получается плотной, без газоусадочной пористости. Показателем теплоаккумулирующих свойств формы является коэффициент аккумуляции тепла bф = √λфсфРф Дж/(м2*ч1/2*К), где λф — коэффициент теплопроводности формы, Вт/(м*К); сф — удельная теплоемкость формы, Дж/(кг*К); рф — объемная масса формы, кг/м3.
Например, у сухих песчано-глинистых форм bф = 12/15, сырых 15—20, цирконовых 20—40, хромомагнезитовых 40—50, а у металлических чугунных 185 Дж/(м2*К*ч1/2).
При изготовлении форм для сложных ответственных отливок применяют различные смеси — массивные части выполняют из смесей с повышенным bф, а тонкостенные и прибыли с более низкими значениями bф, что обеспечивает направленность затвердевания.
Для цветного литья применяют различные типовые формовочные смеси из песков, глины и других добавок. По способу использования различают единые, облицовочные и наполнительные смеси. При машинной формовке чаще применяют единые смеси для изготовления всей формы. При изготовлении крупных форм поверхность модели облицовывают смесью, содержащей чистый песок и глину (чтобы огнеупорность поверхности формы, соприкасающейся с металлом, была выше), а остальную часть формы наполняют смесью, используя частично отработанную смесь. В результате форма получается более дешевой. Рабочие смеси состоят из 85—97 % оборотной смеси (т. е. бывшей в употреблении, но просеянной и очищенной) с добавкой 3—15 % свежих песков и глины.
Для смесей в производстве алюминиевых сплавов применяют пески П010, П0063, К016А, К010А (примерно 70—80 % полужирных песков и 20—30 % кварцевых). Смеси обладают сырой прочностью 0,04—0,07 МПа, влажностью 4,5—5,5 % и газопроницаемостью 40—60 см/мин. Примерно такой же состав и свойства у смесей для магниевого литья, но влажность их меньше (3,5—4,0 %); кроме того, к ним добавляют специальные присадки, предотвращающие или затрудняющие возгорание сплава в форме. Типичной при литье магниевых сплавов является присадка BM, которая представляет собой смесь мочевины, сернокислого алюминия, борной кислоты (при заливке металла в форму мочевина CO(NH2)2 разлагается с выделением аммиака NH3 и CO2); сернокислый алюминий Al2(SO4)3, способствующий образованию пленки MgSO4 на металле; борная кислота HBO3, переходящая при нагревании в борный ангидрит B2O3, который взаимодействует с магнием по реакции 3Mg+B2O3→3MgO+2В. Образующаяся на поверхности сплава пленка MgSO4 уплотняется бором, перешедшим в магний, и предотвращает дальнейшее его окисление. Защитное действие оказывает также сера, которая при соприкосновении с металлом сгорает до SO3. Этот тяжелый газ (тяжелее воздуха в 2,7 раза) разбавляет воздушную среду и делает ее менее реакционноспособной к металлу.
Для медных сплавов типовая рабочая смесь состоит на 85—95 % из оборотной и на 5—15 % из свежей смеси (в виде смеси песков К01А, К025А и П01А или TOlA). Рабочая смесь содержит 4,5—5,5 % влаги, обладает сырой прочностью 0,03—0,05 МПа, газопроницаемостью 30—50 см/мин. Смеси, предназначенные для изготовления форм (обычно для получения крупных отливок), подлежащих сушке при 280—400 °C, содержат повышенное количество глины (6—10 %) и влаги (до 8 %). Для изготовления разовых форм применяют также смеси со связующим в виде жидкого стекла в количестве 5—8 % (по массе). Эти смеси быстро твердеют при кратковременном подогреве до 200—300 С или при продувке их углекислым газом, благодаря чему существенно сокращается время изготовления форм и повышается прочность
Жидкостекольные смеси применяют также для изготовления стержней. Стержни, которые при заливке окружены со всех сторон (кроме знаков) жидким металлом и испытывают давление при его усадке, делают из более прочных смесей, чем формы. Для повышения прочности стержней в сухом состоянии используют специальные крепители или связующие добавки, которые вводят в количестве 0,5—5 % (по массе). После заливки под воздействием высоких температур крепитель выгорает или разлагается, связь между песчинками теряется, стержень не оказывает сопротивления отливке в момент усадки при затвердевании и легко выбивается при очистке отливки. Глину также применяют в качестве связующей добавки в стержневые смеси, но при нагревании она спекается, стержень становится неподатливым и с трудом выбивается. Как правило, глину используют совместно с другими связующими для придания смесям хорошей сырой прочности, так как ряд органических крепителей, придавая стержню высокую прочность после сушки (сухая прочность), не обеспечивает одновременно нужную сырую прочность. При недостаточной сырой прочности изготовленные стержни могут разрушаться при толчках, сотрясениях, деформироваться под действием собственной массы с искажением размеров и др.
Применяемые в литейных цехах крепители по характеру действия делятся на четыре основных вида.
1. Смеси растительных масел с различными растворителями, например оксоль: 55 % олифы и 45% уайт-спирита (особо чистый керосин); крепитель 4ГУ (50 % масла, 3 % канифоли и 47 % уайт-спирита); крепитель П [50 % окисленного петролатума (отходы при получении смазочных масел) и 50 % уайт-спирита] и многие другие.
Связующее действие этих крепителей основано на химических и физических превращениях во время сушки, в результате которых жидкая пленка крепителя превращается в твердую эластичную, придающую прочность и податливость стержням. Крепители этой группы наиболее высококачественные но они дефицитны и дороги, поэтому их заменяют более дешевыми (2, 3 и 4-й групп).
2. Битумы (продукты отгонки нефти), пеки (продукты разгонки газогенераторных смол), фенолформальдегидные смолы, канифоль и др. Связующее действие их основано на расплавлении при нагреве с последующим твердением при остывании. Фенол-формальдегидные смолы (пульвербакелит ПК-104, СФ-015) широко применяют при прогрессивных способах изготовления тонкостенных (оболочковых) форм и стержней, изготовлении стержней в горячих ящиках. Ряд связующих на основе синтетических смол (фенолформальдегидная ОФ-1, фенолфурановая ФФ-1СМ, карбамиднофурановая КФ-90 и др.) обеспечивает упрочнение стержня без нагрева. Они затвердевают при вводе в смесь катализаторов (ортофосфорной кислота и др.). Такие смеси называются холоднотвердеющие (ХТС).
3. Декстрин (продукт разложения картофельного крахмала), сульфитный щелок (отходы бумажно-целлюлозного производства, состоящие из связующих, которые присутствуют в древесине, — лигнин, жиры и др.), являются водорастворимыми крепителями. При высыхании влага испаряется, концентрация крепителя повышается и связующие силы возрастают. Недостаток водорастворимых крепителей — гигроскопичность, т. е. способность адсорбировать влагу на воздухе и в форме.
4. Минеральные вещества, твердеющие во время выдержки при обычной температуре,— цемент, жидкое стекло и др. Применение жидкого стекла в качестве связующей добавки намного улучшила технологию литейного производства, так как отпала необходимость сушки формы и стержней в специальных сушилах. Жидкое стекло водный раствор силиката натрия (Na2O)m*(SiO2)n*(H2O)4 поставляется в виде сиропообразной жидкости в герметических емкостях. Его вводят в смеси, которые называют быстротвердеющими (ЖСС), в количестве 5—8 %. Стержни на жидком стекле для отвердения продувают CO2 или подвергают кратковременной сушке при 200 °C в течение 15—40 мин. При этом образуется гель кремниевой кислоты m*SiO2*kН2O, a Na2O превращается в Na2CO3. При последующем удалении влаги образуется золь SiO2, который скрепляет зерна песка в прочную массу. Чем меньше золь содержит влаги, тем прочнее стержень. Связующая способность жидкого стекла определяется его модулем M = (Si02/Na2O) 1,032, который колеблется от 2 до 3. Чем больше М, тем выше вяжущие свойства жидкого стекла. В литейном производстве применяют крепители с M = 2,1/2,6. Недостаток ЖСС — невысокая «живучесть» (при хранении твердеют).
В России с использованием жидкого стекла в качестве крепителя разработана новая технология изготовления форм и стержней с применением жидких самотвердеющих смесей (ЖСС), позволившая заменить процесс уплотнения смесей заливкой их в стержневые ящики и на модели. Смеси состоят из жидкого стекла (крепитель), поверхностно-активного вещества — пенообразователя (мылящее вещество), который придает текучесть смеси, отвердителя (феррохромовый шлак 2СаО*SiO2 в виде порошка) и наполнителя (песок и др.); все эти составляющие смешивают в определенных пропорциях. Принципиальная особенность ЖСС — их способность затвердевать одновременно по всему объему. Поэтому продолжительность затвердевания не зависит от размеров форм и стержней. Твердение начинается через 8—10 мин после заливки и заканчивается через 40—60 мин.
Для изготовления фасонных отливок из титана, циркония и их сплавов в качестве формовочного материала в основном применяют графит, так как SiO2, Al2O3, ZrO2 и другие огнеупорные материалы химически взаимодействуют с титаном. При литье по выплавляемым моделям используют электрокорунд (плавленая Al2O3 и ZrO2). Формы для титановых отливок либо изготовляют из куска графита, либо прессуют из графитовых смесей. Смеси состоят из порошка графита различной крупности (0,04—0,5 мм) и фенолфурфуроловой смолы в качестве крепителя. Их разбавляют этиловым спиртом или ацетоном и карбидообразующими добавками (двуокись титана, порошок металлического титана, аморфный бор и др.). Для улучшения смачиваемости зерен графита связующими вводят поверхностно-активные добавки, например нефтяные сульфокислоты, получаемые при обработке керосинового или дизельного дистиллята нефти серным ангидридом В отечественной практике для получения прочных графитовых оболочек применяют смесь из 93 % графитовой пыли, 3,7 % TiO2, 3 % порошка металлического титана и 0,3 % порошка бopa, которую перемешивают со смолой (0,5 кг порошка на 1 л разбавленной смолы).
Формовочные и стержневые смеси готовят в смесеприготовительных отделениях литейного цеха. Этот процесс состоит из следующих основных операций: сушки песка и глины, просеивания, размола (глины), распределения материалов по емкостям, дозирования, перемешивания составляющих, выдержки готовых смесей, разрыхления (аэрации) и транспортировки к рабочим местам формовки. Для сушки песка и глины при 200—250 °C до остаточной влажности 0,1—0,2 % применяют барабанные вращающиеся сушила, вертикальные многоподовые сушила с вращающимися скребками и отапливаемые газом или твердым топливом, установки для сушки в пневмопотоке и по принципу кипящего слоя. Просеивание материалов ведут во вращающихся полигональных ситах производительностью от 10 до 80 м3/ч и плоских ситах производительностью 5—40 м3/ч. Перед просеиванием отработанные смеси (используемые для приготовления рабочих смесей) размалывают на специальных вальцах, а перед поступлением в сито пропускают через магнитный сепаратор, который отделяет от земли железные предметы (каркасы и пр.). Кусочки цветных металлов при просеивании остаются в ситах и периодически выгружаются.
Составляющие смеси перемешивают в бегунах, представляющих собой металлическую чашу, в которой вращаются катки, расположенные вертикально (а) или горизонтально (б) (рис. 49). Вначале в чашу 1 загружают нужное количество песка и глины, затем включают бегуны-катки 2, с помощью которых перемешивают порошкообразные составляющие, смесь увлажняют и вводят связующие. Один замес обычно весит 0,3—1,5 т, перемешивание длится 10—20 мин. Затем смесь выгружают из бегунов и с помощью транспортеров собирают в большие бункера-отстойники, где выдерживают не менее 3 ч, чтобы влажная глина хорошо набухла и смесь приобрела высокую прочность и пластичность Стержневые смеси с легко высыхающими масляными крепителями лучше подавать к рабочим местам сразу, без выдержки. Каждую партию формовочной и стержневой смеси перед подачей к месту формовки проверяют на прочность, газопроницаемость и влагу. В современных цехах операция приготовления смесей механизирована и автоматизирована. Готовые смеси подают в формовочное отделение для изготовления литейных форм.
Формовочные и стержневые материалы и смеси