Формовочные смеси

Глины

Пески

Формовочные материалы

К формовочным пескам относят горные породы, существующие в природных условиях в виде россыпей, образованных зернами тугоплавких, прочных и твердых минералов. В литейном производстве наиболее часто используют кварцевые пески.

Кварц, являющийся одной из форм существования кремнезема (SiО₂), обладает высокой огнеупорностью (1713 °С), прочностью, твердостью (7 по шкале Мооса) и низкой химическом активностью.

Недостатками кварца, как основы формовочных и стержневых смесей, являются его аллотропические изменения при нагреве и охлаждении. При температуре 575 °С β-кварц переходит в α-кварц, что сопровождается увеличением его объема на 2,4%. При охлаждении нагретого α-кварца происходит обратное превращение с сокращением объема. В каждом производственном цикле при нагреве от заливаемого в форму металла и последующем охлаждении эти изменения объема при сравнительно невысокой теплопроводности кварца приводят к возникновению напряжений и растрескиванию кварцевых зерен и обогащению смеси пылевидными частицами.

В целях повторного использования отработанном смеси (восстановления свойств) после каждого производственного цикла в нее вводят 3–15% свежих кварцевых песков.

Природные кварцевые пески содержат примеси оксидов железа, полевого шпата, слюды и других минералов. Полевой шпат и слюда содержат оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов. Все эти примеси являются вредными, так как снижают огнеупорность кварца, образуя с ним и оксидами заливаемого металла сложные легкоплавкие силикаты типа пSiO∙mFeO∙pNa₂O. Поэтому содержание вредных примесей, особенно в песках, предназначенных для использования при литье слали, чугуна и других высокотемпературных сплавов, ограничивается.

В природных кварцевых песках часто содержится глина. Если она имеет хорошие связующие свойства, то такая примесь может рассматриваться как полезная.

Наряду с минералогическим составом важным свойством песка является его зерновое строение, которое характеризуется размером, формой и однородностью зерен. От зернового строения зависят теплофизические, механические и технологические свойства смеси, а также его газопроницаемость. Перед зерновым анализом от песка отделяется отмучиванием в воде глинистая составляющая, к которой относятся все частицы размеров ≤0,02 мм.

Формовочные пески подразделяют на классы в зависимости от содержания глинистой составляющей, кремнезема и вредных примесей.

Обогащенные кварцевые пески содержат минимальное количество глинистых подавляющих и вредных примесей, в кварцевых песках их несколько больше. Пески, содержащие 2–50% глинистой составляющей, называют глинистыми. Материалы, содержащие более 50% глинистой составляющей, относятся к глинам.

После определения глинистой составляющей определяют крупность и однородность зерен песчаной основы. Для этого остаток, получившийся после отмучивания глины, просеивают на ситах.

Таблица – Содержание глинистой составляющей, кремнезема и вредных примесей в формовочных песках

Класс	Наименование	Содержание глинистой составляющей, %, не более	Содержание кремнезема Si02,%, не менее	Содержание вредных примесей
оксидов щелочноземельных и щелочных металлов,%, не более	оксида железа Fе2О3,%, не более
Об1К Об2К Об3К	Обогащенный кварцевый	0,2 0,5	98,5 97,5	0,4 0,75	0,2 0,4 0,6
1К 2К 3К 4К	Кварцевый			1,2 1,5 -	0,75 1,5 -
Т	Тощий		-	-	-
П	Полужирный		-	-	-
Ж	Жирный		-	-	-
ОЖ	Очень жирный		-	-	-

Каждому сигу присвоен номер, соответствующий размеру стороны ячейки, выраженному в миллиметрах:

Номер сита 2,5; 1,6; 1,0; 0,63; 0,4; 0,315; 0,2; 0,16; 0,1; 0,063; 0,05

Размер стороны

ячейки, мм 2,5; 1,6; 1,0; 0,63; 0,4; 0,315; 0,2; 0,16; 0,1; 0,063; 0,05.

Рассев носка производится на приборе, который сообщает стопке сит с навеской песка вращательные движения с периодическими встряхиваниями. После окончания просева (через 15 мин) навеску песка на каждом сите взвешивают. В зависимости от размера зерен основной фракции пески подразделяют на группы.

Таблица - Зерновой состав песков

Группа	Наименование	Номера смежных сит, на которых остаются зерна основной фракции
0,63	Грубый		0,63	0,4
0,4	Очень крупный	0,63	0,4	0,315
0,315	Крупный	0,4	0,315	0,2
0,2	Средний	0,315	0,2	0,16
0,16	Мелкий	0,2	0,16	0,1
	Очень мелкий	0,16	0,1	0,063
0,063	Тонкий	0,1	0,063	0,05
0,05	Пылевидный	0,063	0,05	Тазик

Размер зерна определяется размером стороны ячейки сита, на котором остается зерно после прохождения через предыдущее сито. Основной фракцией песка считается наибольшая сумма остатков на трех смежных ситах. Группа песка обозначается номером среднего сита основной фракции. В зависимости от величины остатка основном фракции на крайних ситах пески делятся на две категории–А и Б. К категории А относятся пески с остатком основной фракции на кранном верхнем сите большем, чем на крайнем нижнем сите, а к категории Б - пески с остатком на крайнем нижнем сите большем, чем на крайнем верхнем.

Необогащенные кварцевые пески по характеру распределения зерен подразделяют на пески с сосредоточенной зерновой структурой, у которых преобладающая масса зерен (не менее 70%) остается на трех смежных ситах, и пески с рассредоточенной зерновой структурой, у которых преобладающая масса зерен на трех ситах составляет не менее 60%.

Пески обогащенные и природные полужирные, жирные и очень жирные должны иметь сосредоточенную зерновую структуру.

Форма зерен песка может быть округлой, полукруглой и остроугольной.

При маркировке песков на первое место ставят класс, затем группу и категорию, например, 2К02А. Песок этой марки относится к классу 2К, с основной фракцией средней крупности, оставшейся на ситах 0315, 02 и 016. Категория А показывает, что на сите 0315 остаток больше, чем на сите 016.

Иногда вместо кварцевых песков применяют другие материалы, например, хромистый железняк, хромомагнезит, циркон и др. Формовочные и стержневые смеси, в состав которых входят эти материалы, имею повышенные теплоаккумулирующую способность и химическою инертность по отношению к заливаемым металлам и их оксидам. При заливке металла в формах возникают меньшие температурные напряжения и изменения объема, так как у этих материалов отсутствуют аллотропические превращения. Использование этих материалов позволяет получать, например, крупные и массивные стальные отливки с чистой поверхностью.

Формовочные глины, используемые для связывания зерен песка, являются горными породами, которые в своем естественном состоянии после увлажнения обладают высокой пластичностью. Вокруг глинистых частиц, несущих па своей поверхности электрический заряд, образуются гидратные оболочки, обеспечивающие легкое скольжение части относительно друг друга при сохранении их сцепления и без нарушения сплошности материала при деформации. Количество удерживаемой воды зависит от основного минерала глины, размера частиц этого минерала и от присоединенных к нему веществ. Чем больше воды на поверхности способна удерживать глина, тем выше ее связующая способность и пластические свойства.

В зависимости от минералогического состава глины подразделяют на каолиновые (К), бентонитовые (Б) и полиминеральные (П).

В каолиновых глинах основным минералом является каолинит Al₂О₃∙2SiO₂∙2H₂О, имеющий слоистую кристаллическую решетку. На границах каждого слоя с одной стороны имеются ионы кислорода, а с другой – гидроксильные группы. Валентные связи между соседними слоями отсутствуют, и их взаимодействие определяется силами Ван-дер-Ваальса.

Вода окружает многослойный кристалл гидратной оболочкой. Чем меньше отдельные кристаллы, входящие в состав глины, тем больше общий объем гидратных оболочек и тем выше ее связующая способность.

По краям пластин каолинита всегда имеются группы , неиспользованные валентности которых обусловливают химическую активность пограничного слоя кристалла. В природных условиях к анионам присоединяются катионы Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Al³⁺ и др. При увлажнении происходит диссоциация, анионом является сам кристалл каолинита, а катионами – присоединившиеся элементы. Анионы и катионы при этом удерживают вокруг себя некоторое количество поды. Количество удерживаемой воды зависит от свойств катионов. Наибольшее количество воды удерживают глины, содержащие ионы Na⁺, затем идут глины, содержащие К⁺, и далее глины, содержащие ионы щелочно-земельных металлов.

Все основные технологические свойства формовочных глин определяются их минералогическим составом, размером частиц, количеством и составом присоединенных катионов.

При нагреве в глинах протекают процессы, вызывающие постепенное и скачкообразное изменение их связующих свойств. Прочность формовочных смесей, в состав которых входит глина, при нагреве до 100 °С и несколько выше увеличивается, что объясняется повышением сцепления между глинистыми частицами по мере удаления гигроскопической влаги. В интервале 350–650 °С из глины удаляется кристаллизационная влага, и она теряет свои связующие свойства.

Бентонитовые или монтморbллонитовые глины обладают более высокой связующей способностью. Основным минералом является монтмориллонит Al₂О₃∙4SiО₂∙H₂О∙nH₂О. Эти глины также имеют слоистое строение, но по границам слоев расположены только ионы кислорода, и связь между соседними слоями более слабая по сравнению с каолиновыми глинами. Молекулы воды не только находятся на поверхности кристалла, но и между его слоями. Поэтому кристаллы обладают способностью к внутрикристаллическому набуханию: расстояние между слоями кристалла увеличивается примерно в 3 раза.

По прочностным свойствам формовочные глины во влажном состоянии делят на группы: прочносвязующие (П), среднесвязующие (С) и малосвязующие (М). При этом предел прочности при сжатии для стандартной смеси, в состав которой входит бентонитовая глина, должен быть не менее 1,3∙10⁵ Па (для П); 1,1∙10⁵ Па (для С); 0,9∙10⁵ Пa (для М) и для каолиновой глины соответственно 1,1∙10⁵ Па; 0,8∙10⁵ Па; 0,5∙10⁵ Па.

По прочностным свойствам в сухом состоянии глины подразделяют на подгруппы: прочносвязующие (1), среднесвязующие (2) и малосвязующие (3). При этом предел прочности при сжатии для стандартной смеси в сухом состоянии, в состав которой входит бентонитовая глина, должен быть не менее 5,5∙10⁵ Па; 3,5∙10⁵ Па; 3∙10⁵ Па и для каолиновой глины соответственно 4,5∙10⁵ Па; 3∙10⁵ Па; 2∙10⁵ Па.

По содержанию вредных примесей (Fe₂0₃, Na₂О+K₂0, CaO+MgO) глины делят на группы с низким (Т₁), средним (Т₂) и высоким (Т₃) содержанием примесей. При этом массовая доля этих примесей не должна превышать соответственно 6; 12,5 и 21%. Чем меньше в глине примесей, тем выше ее термохимическая устойчивость.

Маркируют глины в зависимости от минералогического состава, прочностных свойств во влажном и сухом состояниях и количества вредных примесей. Так, например, марка БП1Т₂ означает, что глина бентонитовая, прочносвязующая во влажном и сухом состояниях и со средним содержанием вредных примесей.

Вспомогательные материалы. Формовочные и стержневые смеси, в которых связующим является глина, обладают рядом недостатков. Для получения высокой прочности смеси в нее необходимо вводить большие количества глины и воды, что значительно снижает газопроницаемость смеси и увеличивает пригар на отливках. Такие смеси характеризуются плохими податливостью и выбиваемостью.

Для улучшения свойств смеси в нее взамен глины вводят вещества, называемые связующими.

Таблица – Классификация связующих материалов

Класс	Группа	Обозначение	Название	Характер затвердевания	Удельная прочность, 10^5 Па/%
А		А-1	Синтетические смолы, ПК-104 (пульвербакелит), высыхающие масла, олифа, льняное масло, П	Необратимый	>5
	А-2	Смолосодержащие продукты и их комбинации с органическими водными ма-териалами, ГТФ, ДП, БК, 4ГУ	Промежуточный	3-5
	А-3	Смолосодержащие продукты, пеки (древесный, торфяной, каменноугольный), канифоль	Обратимый	<3
Б		Б-1	Синтетические смолы, МФ -7, М	Необратимый	>5
	Б-2	Коллоидные растворы органических вещест и эмульсии неводной органической фазы в водной среде с растворенными органическими материалами, СП, СБ, КТ, декстрин	Промежуточный	3-5
	Б-3	Коллоидные растворы органических веществ, ССБ, патока	Обратимый	<3
В		В-1	Жидкое стекло	Необратимый	>5

Связующие должны обеспечивать:

1 – высокую общую и поверхностную прочность форм и стержней после сушки или другой обработки;

2 – высокую текучесть, хорошую газопроницаемость и низкую газотворную способность;

3 – высокую податливость и выбиваемость смесей за счет снижения их прочности к моменту начала усадки отливки;

4 – отсутствие прилипания смесей к моделям и стержневым ящикам.

Перечисленные требования должны выполняться при введении сравнительно малых количеств связующего (0,5–6%). Основными классификационными признаками этих материалов являются их химическая природа, способность сообщать смесям прочность, отношение к воде, их гидрофильность и гидрофобность.

Деление связующих на классы (А, Б, В) позволяет ориентировочно предопределять свойства смесей: их прочность во влажном состоянии, текучесть, податливость, выбиваемость, а также возможность комбинации связующего с глиной. К классу А относятся органические связующие, не растворимые или не смачиваемые водой; к классу Б – органические связующие, растворяемые или смачиваемые водой, к классу Б – неорганические связующие, растворяемые или смачиваемые водой.

По удельной прочности σ_уд связующие всех классов делят на три группы

где σ – предел прочности при растяжении сухого образца (в расчете на 1% связующего); р – общее количество связующего, вводимого в смесь; σ– содержание растворителя в связующих.

В состав испытуемой смеси вводят оптимальное количество связующего, определяемое ГОСТами или техническими условиями.

Удельная прочность зависит от характера затвердевания пленок связующего. Если при затвердевании протекают глубокие необратимые химические изменения, например, окисление, полимеризация или поли конденсация молекул, то удельная прочность связующих более 5∙10⁵ Па/% и соответственно при обратимом затвердевании удельная прочность менее 3∙10⁵ Па/%, Некоторые связующие обладают промежуточным характером затвердевания, при котором одновременно протекают обратимые и необратимые процессы.

Органические связующие (А, Б), имеющие широкий диапазон технологических свойств, при высоких температурах сравнительно легко разлагаются и обеспечивают хорошую податливость и выбиваемость. Неорганические связующие (В) хорошо выдерживают воздействия высоких температур, но имеют более низкую податливость и выбиваемость.

Синтетические смолы (А-1 и Б-1) в настоящее время находят широкое применение при изготовлении стержней, твердеющих в нагреваемой и холодной оснастке. Фенолформальдегидные и фурановые смолы, твердеющие в результате процессов поли конденсации, имеют высокую термостойкость, используются в стальном литье; менее термостойкие карбамидные смолы – в цветном литье.

Олифа и льняное масло (А-1) высыхают вследствие окисления и полимеризации.

Жидкое стекло (В-1), представляющее собой водный коллоидный раствор силиката натрия, применяю для изготовления формовочных и стержневых смесей с последующей тепловой и химической сушкой форм и стержней. Основной характеристикой жидкого стекла является его модуль М – отношение числа грамм-молекул диоксида кремния SiО₂ к числу грамм-молекул оксида натрия Na₂О. Обычно М = 23. Чем выше модуль, тем быстрее идет затвердевание смесей с жидким стеклом, но конечная прочность смеси тем выше, чем ниже модуль. Жидкое стекло с низким (М = 2), средним (М = 2,5) и высоким (М = 3) модулями применяют для форм и стержней, твердеющих соответственно при тепловой обработке, продувке углекислым газом и выдержке на воздухе.

Затвердевание жидкого стекла с высоким модулем характеризуется процессом последовательного перехода водного коллоидного раствора сначала в золь, а затем в твердый кремнегель. Жидкое стекло с низким модулем твердеет преимущественно с образованием геля бисиликата натрия (Na₂О∙2SiО₂).

Повышение податливости и улучшение выбиваемости жидко-стекольных смесей достигают введением сахаросодержащих добавок (гидрола). Введение в смеси сложных эфиров органических и неорганических кислот (ацетатов глицерина) позволяет снизить необходимое количество жидкого стекла на 30% и существенно увеличить выбиваемость смесей. Положительным свойством жидкого стекла является отсутствие вредных выделений во время заливки форм.

Древесный пек и канифоль (А-3), сульфитно-спиртовая брага (ССБ) и патока (15-3) имеют относительно невысокую удельную прочность и чаще применяются совместно с другими материалами.

Широкое распространение на практике получили комбинированные связующие (А-2 и Б-2), которые получают растворением, смешиванием и эмульгированием. Растворение используют, когда связующие имеют одинаковую химическую природу и растворяются в одинаковых растворителях. Смешивать можно связующие разной химической природы (органические и неорганические), но обязательно водные с водными, а неводные – с неводными.

При эмульгировании дополнительно вводится поверхностно-активное вещество (ПАВ), которое, адсорбируясь на поверхности капель или частиц, препятствует соответственно их слиянию или сцеплению, т. е. разделению (расслоению) системы на две отдельные фазы. Эмульсии, полученные таким образом, могут представлять собой капли или частицы неводного связующего, распределенные и воде и стабилизированные каким-либо ПАВ, и капли поды, распределенные в неводном связующем. Примером эмульсии первого типа может служить связующее СП (группы Б-2), в котором капли окисленного петролятума (5%), представляющего собой масло па основе нефтепродуктов, распределены в воде и стабилизированы сульфитно-спиртовой бардой (95%), которая сама является связующим.

В связующих групп А-2 и Б-2 часто в небольших количествах содержится глина, придающая смесям прочность в сыром состоянии. Применение комбинированных связующих снижает расход дефицитных и дорогостоящих связующих и позволяет получать стержневые смеси заданной прочности в сухом и сыром состояниях, с высокой газопроницаемостью и минимальной газотворностью.

Для улучшения технологических, механических, теплофизических и других свойств в смеси вводят добавки. В смеси для стального литья вводят пылевидный кварц, который, располагаясь между зернами песка, уменьшает пористость смеси и увеличивает ее теплоаккумулирующую способность. Это приводит к более раннему образованию твердой корки на поверхности отливки и снижению механического и химического пригаров. Уменьшение проходного сечения пор также способствует уменьшению пригара.

В формовочные смеси для чугуна, заливаемого во влажные формы, вводят каменноугольную пыль, которая по время заливки газифицируется и создает в форме более восстановительную атмосферу, препятствующую окислению металла и образованию на отливках пригара.

В формовочные смеси для ответственного чугунного литья с целью повышения поверхностной прочности сырых форм вводят до 0,1% крахмалита (кукурузного крахмала), что снижает брак отливок по засорам.

С целью предотвращения воспламенения магниевых сплавов в формовочные смеси вводят добавку ВМ, в состав которой входят борная кислота, техническая мочевина и сернокислый алюминий. На поверхности магниевого сплава образуются плотные пленки, защищающие его от окисления кислородом воздуха и парами воды из формы. В стержневые смеси с этой же целью добавляют серу (0,25–1%). Выделяющиеся газообразные продукты снижают концентрацию кислорода и паров воды вокруг отливки и предохраняют ее от возгорания.

При изготовлении чугунных отливок в смеси для сухих форм добавляют опилки, которые при сушке уменьшаются в объеме, а при заливке металла выгорают, образуя дополнительные поры. В результате формы имеют повышенную газопроницаемость, податливость и выбиваемость.

Добавки можно вводить для повышения теплопроводности, текучести смесей, устранения их прилипания к модельной оснастке, а также в других целях. Поверхностно-активные вещества позволяют получать смеси с принципиально новыми свойствами. Так, например, введение в смеси с жидким стеклом ПАВ ДСРАС или контакта Петрова в количестве до 0,1% переводит смесь из сыпучего в жидкоподвижное состояние за счет снижения поверхностного натяжения жидкой составляющей и образования в межзеренных пространствах песка мелкодисперсной пены. Жидкие смеси можно заливать в опоку или стержневой ящик без использования обычных формовочных и стержневых машин, уплотняющих смесь. Смесь затвердевает через 20–40 мин после введения в нее отвердителя, содержащего двукальциевый силикат 2CaO∙SiО₂. Эти смеси благодаря своим качествам получили в настоящее время широкое применение.

Состав формовочных смесей определяется маркой литейного сплава, его температурой перед разливкой по формам, размерами и массой получаемых отливок, способом изготовления форм, характером производства и другими факторами.

Экономически целесообразно получать отливки в сырых формах. Сухие формы применяют при изготовлении крупных, массивных или сложных по конфигурации отливок в тех случаях, когда в сырых формах не удается получить качественные изделия. Смеси для сырых форм имеют влажность 4–6%, содержат 7– 12% глины прочносвязующей во влажном состоянии. Содержание глины может быть снижено до 4% при использовании бентонитов. Предел прочности при сжатии сырых смесей обычно составляет (0,3–0,8)∙10⁵ Па.

В массовом производстве при изготовлении форм методом прессования под повышенным давлением и изготовлении безопочных форм с вертикальным разъемом применяют высокопрочные смеси, предел прочности которых при сжатии достигает 2,1∙10⁵ Па.

При получении отливок в сухих формах содержание прочно-связующей глины в высушенном состоянии доходит до 16%, влажность смеси составляет 5–9%.

Формовочные смеси готовят из различных песков и глин. Формовочные смеси для получения стальных отливок (температура заливки 1550 °С) должны содержать пески классов 1К и 2 К. и глины группы Т₁ с высокой термохимической устойчивостью (с низким содержанием примесей). При изготовлении крупных чугунных отливок (температура заливки 1350 °С) можно использовать пески классов 3К и 4К и глины группы Т₂ со средней термохимической устойчивостью (со средним содержанием примесей). Для мелких, и средних чугунных отливок и отливок из цветных сплавов вместо кварцевых можно применять глинистые пески класса П, имеющие более низкую огнеупорность.

Формовочные смеси подразделяют на единые, облицовочные и наполнительные. В массовом производстве применяют единые смеси, в единичном и мелкосерийном производстве для изготовления крупных форм–две смеси: облицовочную, наносимую на поверхность модели, и наполнительную, заполняющую остальной объем формы.

Единые смеси должны обладать высокими свойствами, потому что они соприкасаются с жидким металлом. Степень освежения единых смесей (5–15%) значительно меньше, чем у облицовочных (20–100%), так как вводимые в единую смесь свежие пески и глины при одинаковом их расходе распределяются по всему объему формы, а не только в облицовочном слое. Степень освежения смесей зависит от количества заливаемого в форму металла, его температуры, а также от безвозвратных потерь смеси в процессе производства отливок.

Облицовочный слой смеси (толщина 40–100 мм), непосредственно контактирующий с заливаемым в форму металлом, подвергается воздействию высоких температур, воспринимает гидравлический удар и давление металла, обеспечивает необходимую конфигурацию и чистоту поверхности. Из этих соображений облицовочные смеси должны обладать повышенными физико-механическими свойствами, что достигается введением в их состав большего количества свежих материалов (песков и глин).

Наполнительные смеси отделены от металла слоем облицовочной смеси, поэтому к ним в основном предъявляют требования по газопроницаемости и прочности, которые должны быть не ниже, чем у облицовочных смесей. В наполнительные смеси свежие материалы не вводят.

Дата добавления: 2014-01-06