Назначение. Способы упрочнения

ТЕМА: ФОРМОВОЧНЫЕ И СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ.

ЛЕКЦИЯ 3.

План лекции

1. Материалы для изготовления литейных форм.

2. Формовочные и стержневые смеси.

3. Уплотнение смесей.

Для получения качественных отливок в песчаных формах большое зна- чение имеют формовочные смеси, качество которых зависит от качества ис- ходных материалов.

Формовочная смесь состоит из наполнителя, связующего и специаль-

ных добавок.

Наполнители должны обладать относительно высокой огнеупорностью, термической стойкостью, инертностью к расплавленному металлу, механиче- ской прочностью, низким коэффициентом термического расширения, одно- родным зерновым составом и минимальной стоимостью. На первых этапах развития литейного производства в качестве наполнителей применялись кварцевые пески и пылевидный кварц (маршалит). В связи с ростом требова- ний к качеству отливок стали использовать другие природные, а также искус- ственные материалы.

Наполнители формовочных смесей в первую очередь должны иметь концентрированный гранулометрический состав. Известные наполнители по гранулометрическому составу могут быть разделены на две группы: пески (фракция до 0,1 мм) и порошки (фракция менее 0,063 мм). Пески используют- ся при изготовлении смесей, порошки – противопригарных паст, красок и в качестве добавок.

Связующие материалы определяют прочностные характеристики сме- сей и красок в исходном и нагретом состояниях. В литейном производстве в качестве связующих используется большое количество материалов.

Применительно к поставленной задаче связующие целесообразно рас-

сматривать совместно с добавками или реагентами, предназначенными для их отверждения. Основными характеристиками связующих являются прочность на сжатие смеси связующего с песком в отвержденном состоянии, температу- ра начала деструкции и количество выделяющихся при этом газов (газотвор- ность).

Анализ существующих тенденций в отечественной и зарубежной про- мышленности показал, что в качестве связующего для изготовления форм це- лесообразно применять, прежде всего, огнеупорную глину, портландцемент, жидкое стекло, синтетические смолы; для изготовления стержней – жидкое стекло с порошкообразными и жидкими отвердителями, фенолфурановые, фенолформальдегидные, карбамидно-фурановые, а также фосфатные свя- зующие.

Добавки служат для регулирования технических свойств смесей. Добав- ки к наполнителям используют обычно в виде тонкодисперсных материалов (порошков), увеличивающих плотность смеси. Они повышают прочность смеси за счет активации системы «наполнитель – связующее», препятствуют проникновению металла в форму как порозаполнители. Кроме того, имеется

большое число добавок, например, ванадий, теллур, магний, алюминий и дру- гие элементы, которые являются основной составляющей красок для поверх- ностного легирования металла.

Добавки к связующему бывают нескольких типов: отвердители, пено-

образователи (поверхностно-активные вещества – ПАВ) и модификаторы.

Основные требования, предъявляемые к смесям. Все свойства смесей делятся на технологические, рабочие и общие. К технологическим свойствам смесей относятся прочность во влажном и упрочненном состояниях, выби- ваемость, осыпаемость, текучесть, живучесть и долговечность; к рабочим – прочность в нагретом состоянии, огнеупорность, податливость, газотворность и газопроницаемость, поверхностная прочность, склонность к пригару и теп- лофизические характеристики смесей. Общие свойства зависят от свойств исходных формовочных материалов и определяют объемную массу, порис- тость, зерновой, минералогический и химический составы. От комплекса свойств смесей наравне с технологическими особенностями зависит качество отливок.

Процессы, протекающие при уплотнении и упрочнении смеси. В раз- рыхленном состоянии смесь, выпущенная из смесителя, имеет очень малую прочность. В процессе уплотнения смеси ее прочность увеличивается, что да- ет возможность использовать смеси, упрочненные только уплотнением при формовке по-сырому. В процессе уплотнения, кроме формирования прочно- сти, осуществляется плотное облегание смесью всех участков поверхности модели или стержневого ящика.

Для уплотнения смеси применяют различные способы: уплотнение трамбовками, прессование, вибропрессование, встряхивание, вдувание и вы- стреливание смеси (пескодувный и пескострельный способы), метание пор-

ций смеси (пескометный способ), вакуумирование форм и др. В процессе уп- лотнения смеси изменяется ее структура и возрастает плотность. Способность смеси к увеличению плотности при уплотнении называется уплотняемостью.

Уплотнение характеризуют работой, затраченной на уплотнение стан- дартного образца смеси (диаметром и высотой 50 мм), отнесенной к единице объема образца. Так как уплотнение оказывает влияние на многие свойства смеси, то испытания смесей производят при стандартном уплотнении. Обра- зец уплотняется тремя ударами груза копра массой М = 6,35 кг, падающего с высоты h = 50 мм.

Под технологически необходимой степенью уплотнения следует пони- мать распределение плотности формовочной смеси в форме, обеспечивающее получение бездефектных отливок. Общее положение о том, что в большинст- ве случаев качественные отливки получаются при относительной плотности смеси 85-90 % от максимально возможной для данного состава, было экспе- риментально подтверждено при изготовлении отливок разных конфигураций. Были выделены 3 группы сложности моделей (рис. 7) [2, 3].

Рис. 7. Группы сложности моделей

К группе I отнесены модели с отношением высоты Н м к поперечному размеру b м, значительно превышающим 1. К группе II отнесены модели, имеющие сравнительно небольшую высоту, но сложный контур поверхности. Трудноуплотняемым местом в этом случае оказывается поверхность кармана б. Для моделей группы III трудноуплотняемыми являются «межреберные» цилиндрические поверхности с большой высотой по образующей, перпенди- кулярной к разъему, а также вертикальные поверхности образующие конфи- гурацию ребер (поверхности а и б).

Технологически необходимую степень уплотнения следует определять по минимально допустимому значению плотности смеси в трудноуплотняе- мом месте поверхностного слоя формы, непосредственно контактирующего с металлом при заливке. Очевидно, что при верхнем прессовании жесткой ко-

лодкой значения этих плотностей могут быть достигнуты только за счет пе- реуплотнения верхних слоев формы, контактирующих с прессовой колодкой. Эти слои характеризуются пониженной газопроницаемостью, что при значи- тельном переуплотнении может приводить к образованию газовых раковин, вскипов и т.д. В связи с этим степень переуплотнения верхних слоев формы, обуславливающая снижение газопроницаемости, ниже некоторого «критиче- ского» значения, и определяют границу применения способа уплотнения же- сткой прессовой колодкой.

В табл. 4 определены трудно уплотняемые поверхности при уплотнении форм с моделями различных групп и приведены ориентировочные значения минимально допустимой плотности смеси для возможности получения каче- ственных отливок (абсолютные и относительные значения).

Минимально допустимые плотности смеси

Таблица 4

Вид поверхности	Группа моделей	Минимально допустимая плотность смеси
г/см3	%
Цилиндрические поверхности, пер- пендикулярные к ладу полуформы	I	1,55
Криволинейные полости различной глубины	II	1,55-1,65	80-85
Межреберные цилиндрические по- верхности с большой высотой по образующей	III	1,55-1,65	80-85

В качестве ориентировочных рекомендовано применять следующие

значения плотности смеси в трудноуплотняемом месте контура: для отливок моделей II и III группы δmin = l,55-l,60 г/см3; для ответственных отливок моде- лей I группы δmin = 1,55 г/см3; для неответственных отливок моделей I группы δmin = 1,5 г/см3.

Приведенные в таблице абсолютные и относительные значения плотно- стей получены применительно к смесям конвейерной формовки, имеющим следующий уровень свойств: прочность на сжатие 0,06 МПа, влажность

4,3 %, газопроницаемость 126 ед., текучесть по Г.М. Орлову 60-70 %. Значе- ние максимально возможной плотности для данной смеси принималось рав- ным 1,94 г/см3. Коэффициент неравномерности уплотнения для выделенных групп моделей составлял 0,9-0,95 [2, 3].

Формовочные смеси и способы их упрочнения.

Смеси для формовки по-сырому. Изготовление отливок в сырых невы- сушенных формах имеет много преимуществ в сравнении с традиционной технологией заливки по-сухому. При этом сохраняется производственный цикл от изготовления формы до заливки, увеличивается съем литья с едини- цы площади литейного цеха.

Заливка по-сырому ограничена величиной и массой отливки, тепловое

поле которой влияет на состояние и поведение сырой формы.

В зависимости от способа приготовления формовочные смеси для изго- товления отливок по-сырому делятся на: природные (содержат все компонен- ты смеси в естественном состоянии); синтетические (отдельные составляю- щие смеси – связующее, наполнитель и добавки взаимно перемешиваются в процессе приготовления).

По способу применения смеси разделяют на: облицовочные; наполни-

тельные; единые.

В зависимости от вида заливаемого металла различают смеси для:

стального литья; серого и ковкого чугуна; цветного литья.

Смеси для формовки по-сухому. Масса отливки, ее сложность и толщи- на стенок ограничивают возможность применения заливки по-сырому. При сушке повышается прочность форм. Прочность смеси после сушки зависит от типа и содержания связующего, исходной влажности и температурного ре- жима сушки. Для сухих форм при производстве средних и тяжелых отливок применяются как естественные пески, так и полусинтетические и синтетиче- ские смеси. Синтетические смеси для формовки по-сухому готовят из кварце- вых песков и соответствующего глинистого связующего. Бентонитовые гли- ны, вследствие их низкого содержания в смеси, не обеспечивают достаточной прочности после сушки, поэтому применяются гидрослюдистые и каолино- вые глины. Их количество в смеси выбирается от 10 до 20 % в зависимости от требуемой прочности по сырому (минимум 60 кПа) и после сушки (до 1000 кПа).

Для повышения газопроницаемости сухих форм в смесь вводятся до-

бавки опилок, ЛСТ в количестве 2-4 %.

Смеси с жидким стеклом. Жидкое стекло представляет собой коллоид-

ный раствор, силикатов щелочных металлов.

В зависимости от способа отверждения жидкого стекла в формовочных смесях их можно разделить на следующие виды: смеси, отверждаемые угле- кислым газом; смеси, отверждаемые при добавке кислых катализаторов или путем иной дегидратации.

К первой группе относится так называемая базовая химически твер- деющая смесь по СО2-процессу, которая отверждается при продувке углеки- слого газа через смесь кварцевого песка и жидкого стекла. Эта смесь чаще всего содержит чистый кварцевый песок и 5-7 % жидкого стекла плотностью

1,48-1,52 г/см3. Влажность смеси выбирают, исходя, прежде всего, из условия достижения наибольшей прочности.

В базовый состав смеси вводятся добавки, придающие смеси различные специальные свойства. Небольшое повышение прочности смеси в сыром со- стоянии обеспечивается добавкой сахаридов, более значительное добавками глинистых связующих при одновременной стабилизации жидкого стекла гид- роксидами щелочных металлов. Улучшение выбиваемости после заливки

обеспечивают добавками органических или минеральных веществ, химиче-

скую инертность по отношению к легированным сталям – применением в ка-

честве наполнителя хромомагнезита, корунда, циркона и др.

Ко второй группе смесей относятся: смеси, отверждаемые путем физи- ческой дегидратации; смеси, отверждаемые при взаимодействии жидкого стекла и кислых катализаторов.

К смесям, самозатвердевающим при сушке на воздухе или подсуши-

ваемым газом, относится базовая химически твердеющая смесь по СО2-

процессу с добавкой примерно 4 % бентонита и стабилизированная примерно

0,5 % NaOH. Эта смесь обладает достаточной прочностью в сыром состоянии и некоторой пластичностью. После извлечения модели форму оставляют для подсушки на воздухе, в результате чего жидкое стекло переходит в высушен- ный гидратированный силикат натрия.

Смесь с жидким стеклом отверждается без существенного экзотермиче- ского эффекта добавками двухкальциевого силиката γ-2CaO·SiО2. При этом протекает процесс, подобный затвердеванию цемента. Феррохромовый шлак, содержащий около 70 % двухкальциевого силиката, в количестве 3-4 % пере- мешивается со смесью, содержащей 6-8 % жидкого стекла. Смесь должна быть использована в течении весьма короткого промежутка времени и поэто- му рекомендуется при непрерывном изготовлении стержней и форм. Другим вариантом этой смеси является жидкоподвижная формовочная смесь, в кото- рой вследствие добавок поверхностно – активных веществ раствор жидкого стекла вспенивается (снижение поверхностного натяжения раствора жидкое стекло – вода) и вспененная формовочная смесь заливается в вибрируемые стержневые ящики. Такие смеси называют наливными, жидкотекучими, вспененными и др.

Быстротвердеющей является также формовочная смесь, состоящая из кварцевого песка, жидкого стекла и порошкообразного 75 %-го ферросили- ция, причем затвердевание смеси сопровождается существенным экзотерми- ческим эффектом. Для протекания оптимального процесса затвердевания вы- бирается строго определенное соотношение количества жидкого стекла и ферросилиция, которое для жидкого стекла с модулем m = 2,4 составляет

3,8-3,9.

Недостатками жидкостекольных смесей являются затрудненная выби- ваемость и сложность регенерации. Поэтому в последнее время для жидко- стекольных смесей получают распространение жидкие отвердители, в качест- ве которых применяют сложные эфиры уксусной кислоты и глицерина (моно- ацетин, диацетин, триацетин) или эфиры уксусной кислоты и этиленгликоля (этилен-гликольдиацетат), либо кремнефтористо-водородную кислоту (6-

12 % водный раствор), что существенно улучшает выбиваемость и вымывае-

мость смесей.

Формовочные смеси с фенолоформальдегидными смолами. Фенолофор- мальдегидные смолы в зависимости от способа производства и применения разделяются на: фенолформальдегидные или крезолоформальдегидные вод-

ные растворы; фенолоформальдегидные порошковые связующие (новолаки).

Жидкие резоли ФФ производят конденсацией фенола и формальдегида в присутствии щелочного катализатора. Базовые смолы часто модифициру- ются полиамидами, стабилизаторами, сахаридами и веществами, препятст- вующими высыханию. В формовочных смесях в зависимости от требуемой прочности после сушки содержание смолы составляет 2-4 %.

Жидкие фенольные связующие отверждаются при температурах 190-

220 °С или при добавках сильных катализаторов при нормальной температу- ре. Порошкообразные фенольные связующие применяются при изготовлении оболочковых форм и стержней. Порошкообразное связующее при нагреве не отверждается, однако твердеет при добавках гексаметилентетрамин и повы- шении температуры. Смеси для оболочковых форм приготовляют путем так называемого плакирования. Этот метод состоит в обволакивании зерен песка смолой, находящейся в виде раствора в этаноле, либо жидкой смолой с по- следующим испарением примененного растворителя и сепарацией отдельных зерен смеси. Затем добавляется соответствующее количество гексаметилен- тетрамина. Смесь отверждается при контакте с нагретой модельной плитой или стержневым ящиком.

Формовочные смеси с мочевиноформальдегидными смолами. Из техни- ческих аминовых смол в литейном производстве чаще всего применяются мочевиноформальдегидные, так называемые термореактивные карбамидные. Они образуются при поликонденсации 1 молекулы мочевины с 1,8-2,2 моле- кулами формальдегида в слабокислой среде.

Смолы обычно находятся в виде водного раствора, иногда частично упариваются или сушатся для повышения стабильности. Известно большое количество технологических процессов их получения, которые отличаются молекулярным отношением, концентрацией исходных составляющих, усло- виями протекания реакции (температурой, временем, показателем рН и др.).

Карбамидные смолы во многих случаях модифицируются различными, веществами с целью улучшения или повышения некоторых их специфиче- ских свойств: негигроскопичности, стабильности, пластичности и др. Моди- фицирование связующего добавками происходит либо в процессе производ- ства смолы, либо при приготовлении литейной стержневой смеси.

Отверждение связующего осуществляется путем нагрева смеси или с помощью катализаторов. Поскольку отверждение при нагреве протекает от- носительно медленно, его ускоряют, вводя кислые катализаторы. Наиболее пригодны так называемые инертные катализаторы, которые при нормальной температуре и нормальных условиях хранения смеси не проявляют каталити- ческого действия. К наиболее эффективным инертным катализаторам отно- сятся борная кислота, высвобождающая ионы Н+ лишь при температурах от- верждения смеси, когда проявляется так называемый тепловой (термический) катализ.

Количество карбамидной смолы в смесях выбирается аналогично сме-

сям с фенолоформальдегидными смолами, температура отверждения этой смеси, однако, более низкая и колеблется в интервале 150-170 оС. Амидные смолы содержат большое количество азота, что приводит к появлению в стальных отливках сито видной пористости, поэтому они применяются толь- ко в формовочных смесях для отливок из серого чугуна и цветных металлов.

Формовочные смеси с фурановыми смолами. Литейные фурановые смо- лы являются сополимерами фурфурилового спирта и мочевины или фенола и формальдегида.

В качестве связующего фурановые смолы применяются, прежде всего, для приготовления смесей, быстро твердеющих при нормальной температуре. Скорость твердения регулируется количеством катализатора, температурой смеси и скоростью перемешивания. Катализ происходит чаще всего в присут- ствии минеральных кислот (фосфорной, соляной, серной в растворах этано- ла). Отверждение происходит в течение нескольких минут, поэтому смеси с фурановыми связующими приготовляют в шнековых смесителях непрерыв- ного действия, обеспечивающих непрерывное приготовление смеси так, что- бы она не твердела в смесителе.

При исключении или снижении количества катализатора в смеси ее жи- вучесть увеличивается, при этом возможно отверждение при нагреве. Темпе- ратура отверждения составляет 230-250 оС.

Контрольные вопросы.

1. Приведете главнейшие требования, предъявляемые к смесям для форм, заливаемым без просушки, с поверхностной и полной просуш- кой, разница в составе смесей, содержании в них влаги и связующих веществ?

2. Какие формовочные смеси применяют при изготовлении форм для крупных отливок и для охлаждения их массивных частей взамен ме- таллических холодильников?

3. Классификация стержней и стержневых смесей по условиям их служ- бы в литейной форме. Какие типовые составы и свойства смесей це- лесообразно иметь для каждого класса стержней?

4. Режимы сушки стержней в зависимости от состава смесей, веса и га-

барита стержней?

5. Укажите преимущества стержневых смесей ХТС и ГТС?

6. Чем вызывается применение для стержневых и для некоторых фор- мовочных смесей специальных связующих материалов и новых теп- лопроводных формовочных материалов. Какие это новые материалы, их краткая минералогическая характеристика, огнеупорность, хими- ческая активность и области применения?

7. Какие в настоящее время известны быстровысыхающие материалы, и какие из них наиболее широко применяются в промышленности

вследствие сравнительной дешевизны, недефицитности и эффектив-

ности?

8. Какие материалы употребляются в качестве противопригарных фор-

мовочных материалов?

Дата добавления: 2014-01-07