Вспомогательные формовочные материалы
Формовочные материалы – это совокупность природных и искусственных материалов, используемых для приготовления формовочных и стержневых смесей. Наука о формовочных материалах и смесях начала развиваться в тридцатые годы XX века. Первые специальные монографии по формовочным материалам были написаны К. Козловым в 1931г. и П. П. Бергом в 1933г., а первая научно-исследовательская литейная лаборатория была организованна в Ленинграде в 1928г. П.П. Бергом
Ко всем формовочным материалам и смесям предъявляются следующие требования:
- способность выдерживать контакт с жидкими литейными сплавами без расплавления и разрушения;
- дешевизна, доступность, большие запасы, наличие источников исходных материалов вблизи потребителей;
- отсутствие токсичности и неприятных запахов, как в нормальных температурных условиях изготовления форм, так и при нагревании, связанном с заливкой литейной формы металлическим расплавом.
Различают исходные формовочные материалы и формовочные смеси. Основными исходными материалами являются формовочные пески и глины, вспомогательными – связующие вещества и добавки (молотый или гранулированный уголь, древесные опилки, стриженый торф, графит и др.).
Выбор рациональных составов формовочных смесей, соблюдение технологии их изготовления являются главным фактором снижения брака и улучшения качества отливок. Известно, что около половины отливок с браком возникает из-за низкого качества формовочных материалов и смесей.
Требования, предъявляемые к формовочным и стержневым смесям.Формовочные и стержневые смеси должны обладать комплексом свойств, важнейшие из них приведены на блок-схеме (рис. 6).
Теплофизические свойства смесей определяют скорость и последовательность затвердевания залитого в форму металла и режим охлаждения отливки. С теплофизическими свойствами смесей связано также образование ряда дефектов в отливках (внутренних напряжений, трещин, пригара, ужимин и др.).
Рис. 6. Классификация свойств формовочных и стержневых смесей
Механические свойства смесей определяют не разрушаемость литейной формы под воздействием собственного веса и различных нагрузок при их сборке и транспортировке; прочности в условиях статического и динамического давления струи расплавленного металла и массы всей отливки в период затвердевания. При этом обеспечивают податливость формы в условиях усадочных процессов в отливке.
Свойства связанные с газообменом – это газопроницаемость и газотворность. В процессе заливки металла в форму и последующего охлаждения отливки, в порах формы повышается газовое давление и уплотненная смесь должна обладать достаточной газопроницаемостью, чтобы обеспечить отвод образующихся газов в атмосферу. При недостаточной газопроницаемости образовавшиеся газы могут направиться в незакристаллизовавшийся металл и образовать в отливке газовые раковины.
Технологические свойства – это свойства определяющие рабочее качество смеси и которые обычно не выражаются количественными характеристиками общественных, физических и химических параметров, а оцениваются экспериментально:
Текучесть – способность смеси под действием внешних сил обтекать модели или заполнять полости стержневых ящиков.
Гигроскопичность – способность смесей после сушки поглощать влагу из окружающей атмосферы. Смеси не должны быть гигроскопичны.
Выбиваемость - способность формовочных и стержневых смесей свободно удаляться из отливки после её охлаждения.
Термохимическая устойчивость – способность смеси не оплавляться при контакте с жидким металлом и не образовывать с ним и его окислами химические соединения.
Долговечность – сохранение смесью своих рабочих свойств в случае повторного использования при изготовлении и заливке форм расплавом.
Для изготовления форм приготавливают смеси из нескольких природных материалов и эти смеси называются формовочными.
Исходные формовочные материалы подразделяются на основные ( пески и глины), вспомогательные(гранулированный уголь, опилки, крахмалит и др.) и связующие материалы (крепители). Основным компонентом смесей являются формовочные пески - это горные породы, существующие в природе в виде россыпей, образованных зернами тугоплавких, прочных и твердых минералов. Наиболее широко применяются кварцевые пески, которые обладают высокой огнеупорностью, а их свойства и требования к ним определены ГОСТ 2138 – 84. Кварц является одной из форм существования кремнезема (SiO2) и обладает высокой огнеупорностью (17130С),прочностью, твердостью и низкой химической активностью. Недостатком кварца является его способность к аллотропическим изменениям при нагревании и охлаждении. В процессе нагрева и температуре более 5750С β – кварц переходит в α – кварц и при этом объем его увеличивается на 2,4%. В области высоких температур (выше 8700С) происходят новые изменения кристаллического строения с образованием новых минералов - β – тридимита, с изменением объема на 15,1%,а выше 14700С – переходит в аморфное стекло. При охлаждении эти превращения повторяются в обратном порядке. Объемные изменения кварца приводят к растрескиванию ряда зерен и превращению их в пыль. Это вынуждает при повторном использовании смесей освежать их путем ввода свежих кварцевых песков в количестве 3…15%.
Поставляемые в литейные цехи формовочные пески проходят ряд анализов, определяющих марку песка. В зависимости от содержания кремнезема и вредных примесей – (NaO; K2O;CaO; MgO и R2O3) кварцевые пески делятся на четыре класса; 1K->97%SiO2; 2K->96%SiO2; 3K->94%SiO2; 4K->90%SiO2.
Формовочные пески подразделяются на классы в зависимости от содержания глинистой составляющей, кремнезема и вредных примесей. При этом условились, что независимо от химического состава зерна размером менее 22мкм относить к глинистой составляющей, а более 22 мкм – к песчаной основе. Содержание глинистой составляющей в формовочных песках определяется отмучиванием, т.е. отделением песка от глины. На рис. 7 показала классификация песков по содержанию глины, где К – кварцевый пески; Т – тощие пески; П – полужирные пески; Ж – жирные пески; ОЖ – очень жирные пески. Пески, с содержанием глинистых составляющих более 50% - относятся к глинам. ГОСТом предусматривается поставка обогащенных кварцевых песков классов «Об1К»; «Об2К»; «Об3К», где количество глинистых составляющих от 0,2% до1,1% и соответственно SiO2=98.5-97.5%.Важным свойством формовочных песков является их зерновой состав, т. е. размер, форма и однородность песчинок. Он оказывает влияние на газопроницаемость, механические и технологические свойства смеси.
Рис. 7. Классификация формовочных песков по содержанию глины
На рис. 8 показана классификация формовочных песков по зерновому составу. По величине остатка на трех смежных ситах песок делится на категорию «А» - если максимальный остаток на верхнем сите и категорию «Б» - если максимальный остаток на нижнем сите. При маркировке песка на первом месте ставят обозначение класса, на втором – группы и на третьем – категории. Например: кварцевый песок средней зернистости обозначается 1К02А или 2К02Б. Тощие пески обозначаются маркой Т0315А и т.п.
Формовочные глины. Литейные формовочные глины – горные породы, состоящие из тонкодисперсных частиц водных алюмосиликатов. Они обладают связующей способностью, термохимической устойчивостью и вводятся в формовочные и стержневые смеси для связывания зерен песка и придание смеси прочности как в сыром, так и в сухом состоянии, а в увлажненном состоянии они обладают высокой пластичностью. В литейном производстве используют в основном два вида глин: каолинитовые «К» и монтмориллонитовые (бентонитовые) – «М»; как обладающие большой термохимической устойчивостью.
Каолинитовая глина содержит основную составляющую – каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O – водный алюмосиликат, имеющий температуру плавления 1750 – 17870C.
Монтмориллонитовая глина (бентонит) содержит основную составляющую монтмориллонит Al2O3·4SiO2·H2O+n H2O. Температура плавления бентонита 1250 – 13000С. Требования, предъявляемые к формовочным глинам, определены ГОСТ 3226 – 77.
Рис. 8. Классификация формовочных песков по зерновому составу
Связующие материалы. Связующие материалы вводят в смеси в замен глины или уменьшение её дозы, при этом обеспечивать высокие прочностные свойства смеси. Обычно связующие материалы вводят в смеси в количестве 0,5 – 6,0%.
Применяемые связующие классифицируются по двум признакам:
– природе материала (органические и неорганические, водо-растворимые и не растворяемые в воде)
– характеру затвердевания (не обратимые, ромежуточные и обратимые).
По удельной прочности на разрыв в сухом состоянии связующие делятся на три группы. Необратимые крепители обеспечивают наибольшую прочность смесей, а обратимые – наименьшую.
Химически твердеющие органические связующие – это органические не водные и водные связующие придают смеси низкую прочность, хорошую текучесть во влажном состоянии и высокую прочность в сухом. Это масла растительные и из нефтепродуктов и синтетические смолы. В литейном производстве применяются поликонденсационные связующие, которые подразделяются на фенолоформальдегидные, карбомидные (мочевино-формальдегидные), фурановые смолы.
Совместно с формовочной глиной хорошо работают органические высыхающие связующие, при этом глина придает смеси прочность в сыром состоянии, а связующие в сухом. К этим связующим относятся барда сульфитного щелока и на ее основе комбинированные крепители СБ и СП, декстрин и др. Из неорганических крепителей наиболее широко применяется жидкое стекло Na2O·nSiO2·mH2O, которое является водным раствором силикатов натрия или калия переменного состава. Процесс твердения смеси с жидким стеклом осуществляется нагревом или продувкой углекислым газом CO2.
Вспомогательные формовочные материалы. Для придания формовочным и стержневым смесям надлежащих свойств (газопроницаемости, податливости, выбиваемости и др.) в их состав вводятся вспомогательные добавки. В качестве противопригарных добавок применяют в смесях чугунного литья гранулированный уголь, мазут (не более 0,5%). Для податливости и повышения газопроницаемости в смеси вводят древесные опилки, стриженый торф и др., которые предварительно проходят соответствующую подготовку.
В качестве поверхностно активной добавки применяют полифенол лесотехнический (ПФЛК), который повышает связующую способность формовочной глины. При необходимости применяют добавки, изменяющие теплоаккумулирующую способность смесей.
Вопросы для самоконтроля
1. Исходные формовочные материалы, их роль в формировании качественных отливок.
2. Как классифицируются исходные формовочные материалы?
3. Какие минералы применяются в качестве огнеупорной составляющей в смеси и их свойства?
4. Как классифицируются формовочные пески по: химическому и зерновому составу, количеству глины. . Как маркируются формовочные пески?
5. Какие изменения происходят в кварцевом песке при нагреве его до высоких температур?
Лекция № 4
Формовочные смеси.
Стержневые смеси.