Методические указания к выполнению практических и

Лабораторных работ

по курсу «Технологические процессы в машиностроении», «Физико-химические основы материаловедения и технологии конструкционных материалов»по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов»

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Cаратов 2017

Цель работы: ознакомление студентов с одним из основными технологических свойств формовочных смесей – газопроницаемостью.

Определить коэффициент газопроницаемости формовочной смеси и область её возможного применения.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Требования к формовочным и стержневым смесям и их свойствам

Качество отливки во многом зависит от:

· технологии изготовления форм и стержней;

· условий кристаллизации (взаимодействия формы с жидким металлом);

· химического состава, свойств формовочных и стержневых смесей и технологии их приготовления.

Классификация смесей (по типу, виду и характеру твердения), приме- няемых для изготовления форм и стержней, приведена в табл. 1.

Методические указания к выполнению практических и - student2.ru

Формовочные материалы, применяемые для изготовления литейных форм и стержней, делятся на следующие группы: пески, связующие, противопригарные, высокоогнеупорные, специальные и подсобные.

Пески (кварцевые, глинистые) образовались в результате разрушения горных пород (гранита, базолита и др.); они состоят из зерен минерала кварца (Si02) размером 0,06—1,6 мм с примесью глины и других минералов (окислы железа, полевые шпаты). Кварц обладает большой твердостью и высокой огнеупорностью (температура плавления 1713 °С).

Кварцевые пески содержат до 2% глины и незначительное количество посторонних примесей, глинистые содержат глины до 50%. Глинистые пески по содержанию глины разделяются на тощие (2—10%), полужирные (10—20%), жирные (20—30%) и очень жирные (30—50% глины).

Связующие материалы: формовочная глина, жидкое стекло, сульфитная барда, различные крепители, этилсиликат, пульвербакелит и др.

Формовочная глина обладает высокой огнеупорностью (температура плавления 1750—1787 °С) и состоит из очень мелких (0,001 мм) минеральных частиц, которые при взаимодействии с водой образуют клейкие растворы.

Жидкое стекло, сульфитная барда, крепители вводят в смеси, противопригарные краски и другие составы для придания им прочности.

Противопригарные материалы (графит, пылевидный кварц, тальк, каменный уголь и др.), а также приготовляемые из них литейные краски, пасты-натирки наносят на поверхность форм и стержней с целью предупреждения пригара формовочных материалов к поверхности отливок. Графит и пылевидный кварц -применяют как припыл и при приготовлении красок и натирок. Каменный уголь добавляется в состав формовочных смесей.

Высокоогнеупорные материалы (шамот, хромистый железняк, циркон, магнезит, асбест и др.) применяют при изготовлении литейных форм и стержней для очень крупных и массивных отливок из легированных (нержавеющих, жаропрочных и т. д.) сталей, а также многократно используемых форм.

Специальные материалы — чугунная дробь, каустическая сода, формалин, древесные опилки, торф и др. Чугунную дробь применяют при изготовлении отливок специальным методом литья как наполнитель. Древесные опилки, торф и др. вводят в смеси для повышения газопроницаемости и податливости высушиваемых форм и стержней.

Подсобные материалы — модельные пудры, разделительные жидкости, клей и др. Модельные пудры и разделительные жидкости применяют при изготовлении форм и стержней для того, чтобы при извлечении модели из формы, а также стержня из стержневого ящика не повредить их поверхность. Клей применяется при сборке стержней и форм для склеивания половинок.

Основные свойства формовочных материалов: теплопроводность, теплоемкость, газопроницаемость, прочность, текучесть и др.

Формовочные смеси

В настоящее время в литейных цехах применяют большое количество разнообразных формовочных смесей. Выбор состава смесей обусловливается характером (весом, размерами, формой, родом сплава) изготовляемых отливок, а также видом применяемых форм (сырые, сухие, поверхностно подсушенные, химически твердеющие).

В зависимости от назначения смеси разделяются:

· облицовочные,

· наполнительные

· единые.

Облицовочная смесь имеет наиболее высокое качество и употребляется для покрытия рабочей поверхности формы, непосредственно соприкасающейся с расплавленным металлом. Толщина слоя облицовочной смеси зависит от рода и характера отливки (15—50 мм).

Наполнительная смесь насыпается поверх облицовочной, обладает меньшей прочностью и газопроницаемостью и дешевле. Приготавливается наполнительная смесь путем переработки бывшей в употреблении формовочной смеси с добавлением (3—5%) свежих материалов (песка и глины).

Единая смесь составляет весь объем формы и применяется при машинной формовке, на автоматах в условиях массового производства мелких и тонкостенных отливок. От наполнительной смеси она отличается большим содержанием свежих материалов и лучшими физико-механическими свойствами.

Стержневые смеси

Состав и свойства стержневых смесей обусловливаются главным образом классом изготавливаемых стержней.

Ответственные стержни первого класса изготавливаются из стержневых смесей, состоящих целиком из кварцевого песка с добавлением крепителей. Крупные стержни изготавливают из более дешевых стержневых смесей, в них очень часто входит бывшая в употреблении смесь (20—35%), а связующим является формовочная глина, сульфитная барда, а в качестве органической добавки — древесные опилки.

Стержневые смеси должны обладать теми же свойствами, что и формовочные. Но учитывая, что большая часть стержня (кроме знаков) подвергается воздействию высокой температуры и давлению заливаемого металла в форму, их делают с более высоким показателями прочности, газопроницаемости, податливости и огне упорности.

В состав стержневых смесей чаще всего входит чистый кварцевый песок от 70 до 100%;, огнеупорная глина или бентонит и различного рода крепители. Такие смеси обладают высокой газопроницаемостью до 120, прочностью до 0,55 в сыром состоянии и до 12 кг/см2 в сухом. За последние годы широкое применение для изготовления стержней получили жидкие самотвердеющие смеси, обладающие хорошими технологическими свойствами.

Смеси с жидким стеклом

Жидкое стекло представляет собой коллоидный раствор, силикатов щелочных металлов. В зависимости от способа отверждения жидкого стекла в формовочных смесях их можно разделить на следующие виды: смеси, отверждаемые углекислым 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 углекислого 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-24 роксидами щелочных металлов. Улучшение выбиваемости после заливки обеспечивают добавками органических или минеральных веществ, химическую инертность по отношению к легированным сталям – применением в качестве наполнителя хромомагнезита, корунда, циркона и др. Ко второй группе смесей относятся: смеси, отверждаемые путем физической дегидратации; смеси, отверждаемые при взаимодействии жидкого стекла и кислых катализаторов. К смесям, самозатвердевающим при сушке на воздухе или подсушиваемым 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 высушенный гидратированный силикат натрия. Смесь с жидким стеклом отверждается без существенного экзотермического 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 % перемешивается 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 которой 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 ферросилиция, причем затвердевание смеси сопровождается существенным экзотермическим 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 выбиваемость 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 (моноацетин, 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.

1.8. Формовочные смеси с фурановыми смолами.

Литейные фурановые смолы являются сополимерами фурфурилового спирта и мочевины или фено- ла 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 о С.

К основным свойствам формовочных смесей относятся: пластичность, прочность. огнеупорность, гигроскопичность, газотворность и газопроницаемость.

Пластичность- способность смеси деформироваться под действием приложенной нагрузки. Формовочные и стержневые смеси должны обладать пластичностью, чтобы точно воспроизводить конфигурацию модели в форме. Таким свойством обладают материалы, которые могут пластически деформироваться под действием слабых усилий, например, нажатия руки. Формовочные смеси имеют структуру, состоящую из зерен кварца, покрытых оболочкой связующего. Благодаря силам сцепления, зерна кварца прочно соединяется между собой. Для отделения их друг от друга или перемещения необходимо приложить усилие сдвига, которое будет тем больше, чем выше вязкость связующего. Таким образом, чем выше вязкость связующего, тем менее пластична формовочная (стержневая) смесь.

Прочность формовочных смесей зависит от их химического состава. Заданная прочность литейной формы достигается уплотнением формовочной (стержневой) смесей в процессе изготовления формы (стержня) и соотношением связующих элементов и наполнителей и различных добавок.

Огнеупорность- способность формовочных (стержневых смесей) противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Стенки полости формы при заливке металла нагреваются до температур, равных температуре металла. При заливке стали эта температура составляет 1580~1550°С, чугуна I340~I400°C, алюминиевых сплавов 700-730°С. Вследствие этого температура плавления материала Формы должна быть выше температуры заливаемого металла, т.е. формовочная смесь должна обладать высокой огнеупорностью - способностью выдерживать высокие температуры без расплавления. Благодаря высокой температуре и протекающим химическим реакциям на границе металл-форма могут образоваться легкоплавкие силикаты металла, проникающие в поры песчаной формы. В результате на поверхности отливок образуется пригар, ухудшающий чистоту ее поверхности.

Кроме температуры и химических реакций, на величину пригара влияет пористость формы, а также продолжительность теплового воздействия жидкого металла на стенки формы. Чем выше огнеупорность формовочной (стержневой) смеси и чем более инертна она к химическим реакциям при высоких температурах, тем меньше пригар на отливках. Во многих случаях стержни со всех сторон окружены жидким металлом и прогреваются им на всю толщину, поэтому стержневые смеси должны приготовляться из более огнеупорных песков.

Гигроскопичность - способность формовочной (стержневой) смеси поглощать воду из воздуха. Гигроскопичность зависит от свойств связующего, входящего в состав смеси. Гигроскопичность смеси должна быть минимальной, так как влагонасыщение поверхности Формы (в процессе сборки и выдержки на воздухе) может быть причиной образования газовых раковин в отливке.

Долговечность- способность смеси почти не терять своих свойств при многократном использовании. Долговечность формовочной смеси является важной характеристикой, определяющей экономичность ее использования.

Формовочная (стержневая) смесь после заливки в форму металла частично теряет свои первоначальные свойства. Такие смеси называются отработанными. Отработанные смеси подвергают регенерации - специальной обработке, при которой удаляются пыль, остатки связующих и т.д. При дальнейшей переработке смеси для повышения прочности в нее добавляют глину. Повторное использование отработанных формовочных смесей, их регенерация значительно снижают расход свежих формовочных материалов и повышают экономичность производства.

Газотворность и газопроницаемость. При нагревании стенок формы (стержня) жидким металлом влага, входящая в состав формовочной смеси, связующие, добавки (опилки, уголь) образуют большое количество паров и газов. Свойство смеси выделять при нагревании пары и газы называется газотворной способностью, пары и газы, образующиеся в слоях формы, соприкасающихся с жидким металлом, под действием тепла расширяются и перемещаются как внутрь формы (по каналам между песчинками) так и через металл. Если сопротивление движению паров и газов по каналам между песчинками будет больше сопротивления движения газов через металл, то в отливке могут появиться газовые раковины. Для получения отливок без газовых раковин формовочная (стержневая) смесь должна пропускать газы, т.е. обладать высокой газопроницаемостью. Из стержней, выполняющих полости и отверстия в отливках, газы, образующиеся при разложении связующего, выделяются более интенсивно. Это способствует образованию газовых раковин в отливке. Поэтому стержневые смеси должны обладать особенно малой газотворной способностью и высокой газопроницаемостью. Газопроницаемость смесей зависит от величины и формы зерен песка, от содержания глины и влаги, а также от степени уплотнения смеси при формовке. Можно приготовить образцы с высокой пористостью, вместе с тем эти образцы не будут газопроницаемы, поэтому можно считать, что в отношении отвода газов имеют значение только те поры и каналы, которые соединяют внутреннюю часть формы с ее поверхностью. Формовочная смесь является газопроницаемой, если через нее при заданном давлении в течение определенного времени проходит определенное количество газов.

В качестве единицы измерения газопроницаемости принимается количество см³ газа (воздуха), проходящего в 1 мин. через слой формовочной смеси площадью в 1 см²и высотой в 1 см при разнице давления в 1 см водяного столба.

Определяется газопроницаемость пропусканием 2000 см³ воздуха комнатной температуры через стандартный образец диаметром, и высотой 5 см. При этом фиксируют давление воздуха «р» перед образцом и время «τ» прохождения всего объема воздуха. Величину газопроницаемости вычисляют по формуле:

K = Vh/Fp τ

где V- объем воздуха, прошедшего через образец в см³, он равен 2000 см³; h – высота образца, в см, (5 см); F - площадь поперечного сечения образца в см2 , она равна 19,635 см²; р - давление воздуха перед образцом в см водяного столба; τ - время прохождения через образец 2000 см³/мин воздуха.

Подставляя вместо буквенных выражений их значения, формула примет вид:

K = 509,5/p τ

Газопроницаемость смеси назначается для конкретных условий изготовления отливки. В общем случае можно указать пределы изменения газопроницаемости, ориентировочные значения которых приведены в табл.3.

Таблица 3.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ

На лабораторных бегунках размалывают формовочную смесь следующего состава: сухой песок - 90%; глина - 10 %; вода - 3-5%

Сухой песок и глину загружают в лабораторные бегуны и перемешивают в течение 2 мин. Затем добавляют отмеренное мензуркой необходимое количество воды и продолжают перемешивать ещё 8 минут.

Смесь выгружают из бегунов и приступают к изготовлению стандартных образцов на лабораторном копре (рис.1). Металлическую гильзу 9 устанавливают в поддон 4, и в неё всыпают навеску(150- 170г) формовочной смеси; при этом следят за тем, чтобы поверхность насыпаемого слоя смеси была горизонтальной. Подъёмником 8 копра поднимают шток 2 и груз 3; на станину устанавливают поддон с гильзой, осторожно и плавно опускают боёк 7,закреплённый на штоке 2, в гильзу до соприкосновения со смесью.

После этого вращением рукоятки 6 и эксцентрика 5 уплотняют смесь тремя ударами груза 3 весом 6,35 ± 0,015 кг, падающего с высоты 50 ± 0,25 мм. Высота образца в гильзе после уплотнения должна быть 50 ± 0,8 мм. Эту высоту контролируют по трем горизонтальным рискам, нанесенным через 0,8 мм на стойке I станины. Совпадение верхнего торца штока 2 со средней риской соответствует высоте образца 50 мм. Крайние риски указывают на допустимые отклонения.

После уплотнения гильзу с поддоном снимают с копра, отделяют поддон от гильзы и образец вместе с гильзой готов к испытанию.Определение газопроницаемости производятся на специальном приборе (рис.2).

Методические указания к выполнению практических и - student2.ru

Рисунок 2. Схема прибора для определения газопроницаемости: 1 – ручка, 2 – груз, 3 – колокол, 4 – стержень, 5 – бак, 6 – направляющая трубка, 7 – исследуемый образец, 8 – ниппель, 9 – чашка затвора, 10 – трехходовой кран, 11 – воздухопровод,12 – водяной манометр, 13 - станина

Перед испытанием необходимо подготовить прибор. Для этого установить его с помощью установочных винтов в строго горизонтальном положении (горизонтальное положениe укажет «уровень»); шкалу манометра установить так, чтобы её «0» находился на уровне миниска трубки манометра.

Газопроницаемость образца, определяется следующим образом. Трехходовой воздушный кран 10 прибора ставят в положение «открыто» и осторожно поднимают колокол 3 до тех пор, пока отметка «X», имеющаяся на колоколе, не совпадет с верхней кромкой бака 5 после этого кран прибора переключают на положение "закрыто". Гильзу с изготовленным образном 7 вставляют в чашку 9 затвора к поворотом гайки плотно закрепляют. Кран 10 ставят на положение «испытание»; колокол 3 начинает опускаться. При совпадении отметки «О» на колоколе с краем 5 бака включают секундомер; при прохождении отметки 1000 фиксируют по манометру 12 давление воздуха «р» под испытываемым образцом, а при прохождении отметки 2000 останавливают секундомер и фиксируют время, в течение которого через образец прошло 2000 см³ воздуха. Трехходовой кран ставят в положение "закрыто".

Зная «р» и «τ» по формуле находят газопроницаемость смеси. За показатель газопроницаемости принимают среднее арифметическое результатов испытания трех образцов. Если результат одного испытания отличается от среднего арифметического более чем на 10%, испытание повторяют на трёх новых образцах. По значению полученной газопроницаемости из таблицы 1 определить, для какого вида литья пригодна смесь.

CОДЕРЖАНИЕ OTЧETA

1. Основные технологические свойства формовочных смесей.

2. Факторы, влияющие на газопроницаемость.

3. Краткое описание методики испытаний и принципы работы прибора. Схема прибора для испытания смеси на газопроницаемость.

4. Результаты определения газопроницаемости смеси. Вывод о пригодности исследуемой смеси для различных видов литья.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Основные термины и определения: газопроницаемости, прочности, газотворности, пластичности, огнеупорности?

2. Формула для определения газопроницаемости?

3. Основной состав формовочных смесей?

4. Назвать основные требования к формовочным смесям?

5. Состав формовочных смесей?

6. Последствия плохой газопроницаемости?

7. От чего зависит качество отливки?

8. По какому типу классифицируются смеси?

9. На что разделяются формовочные смеси в зависимости от назначения?

10. На какие группы разделяются стрежневые и формовочные смеси?

11. Что такое пластичность?

12. Газопроницаемость это?

13. От чего зависит прочность формовочных смесей?

14. Что входит в состав формовочных смесей?

Литература

1. Формовочные смеси/под ред.Голотенкова О.Н.//Пенза,ПГУ.2009-164 с

2. Формовочные материалы: учеб. пособие / Т.Ю. Скамьянова. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 85 с.

3. Формовочные материалы и смеси:учеб.пособие/С.Д. Колотиенко, В.А. Топуз, Ф.А. Висторопская.-Ростов н/Д :Издательский центр ДГТУ,2009-95 с

4. Лабораторный практикум по курсу «Технология литейного производства». Фор- мовочные материалы и смеси.: уч.-метод. пособие / Н. А. Кидалов, Н. А. Осипова, А. С. Князева ; ВолгГТУ. – Волгоград, 2016. – 101 с.

5. Способы получения отливок/Конспект лекций./ Саначева Г.С., Степанова Т.Н., Гильманшина Т.Р. – Красноярск: СФУ, 2012. – 372 с.

6. Материаловедение: практикум: учеб. пособие / В.С. Кушнер, А.С. Верещака, А.Г. Схиртладзе, О.Ю. Бургонова. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. – 165с.

7. Технология конструкционных материалов : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / [В. А. Кузнецов, А.А.Черепахин, А.В.Шлыкова, Н.Ф.Шпунькин]. — М. : Из- дательский центр «Академия», 2013. — 225 с

ХАРАКТЕРИСТИКА ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ.

ИСПЫТАНИЕ НА ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ

Лабораторной работы

Компьютерная верстка

Подписано в печать		Формат 60X84 1/16
Бум. офсет	Усл.печ.л. 0,69(0,75)	Уч.-изд.л. 0,7
Тираж экз.	Заказ