Формовочные материалы: Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

О. Н. Голотенков

ФОРМОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Учебное пособие

ПЕНЗА 2009

УДК 621.742 Г61 Р е ц е н з е н т ы: Кафедра «Машины и технология литейного производства» Камского государственного политехнического института Главный металлург ОАО «Пензкомпрессормаш» С. Н. Сверчков

Г61

Голотенков О. Н. Формовочные материалы: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. – 164 с.: ил. 25, табл. 56, библиогр. 14 назв. ISBN 5-94170-056-3 Приведены сведения об исходных материалах для формовочных, стержневых смесей, связующих и вспомогательных материалах. Даны составы и свойства смесей и противопригарных красок. Описаны методы испытания материалов и смесей, технология их приготовления и регенерации. Учебное пособие подготовлено на кафедре «Машины и технология литейного производства» Пензенского государственного университета в соответствии с учебным планом дисциплины «Технология литейного производства» (раздел «Формовочные материалы») специальности 120300 «Машины и технология литейного производства» и предназначено для студентов вышеназванной специальности.

УДК 621.742

ISBN 5-94170-056-3

© Издательство Пензенского государственного университета, 2009 © Голотенков О. Н., 2009

Введение Литье – один из самых древних видов обработки металлов. Человек познакомился с металлом в незапамятные времена. Более 5000 лет люди используют литье для изготовления металлических орудий, предметов быта, деталей машин и произведений искусства. Наука о литье появилась совсем недавно, ей всего около 100 лет. Но до этого литейщики создали огромное количество литых монументальных памятников, уникальных отливок, сложных орудий и деталей машин. Сейчас наука о литье бурно развивается, она прочно стала на службу производства, обогатив искусство литья. Уже первое знакомство с процессами литья наводит на мысль об универсальности его применения и сравнительной простоте отливки разных предметов. На первой стадии развития литья основным металлом для получения отливок были медь и медные сплавы. Литье является самым универсальным способом получения заготовок для деталей машин. Литьем можно получать отливки массой от нескольких граммов до 600 тонн и более. Методом литья получают отливки из черных сплавов (чугун и сталь), цветных сплавов на основе алюминия, меди, цинка, олова, также из тугоплавких металлов и сплавов на основе молибдена, вольфрама, ниобия, тантала, имеющих температуру плавления 2500–3410оС. В машинах и промышленном оборудовании около 50% всех деталей (по массе) изготавливают литьем. Доля литых деталей в кузнечно-прессовом оборудовании составляет 70–95%, в металлорежущих станках – 80%, в текстильных машинах – 72%, в автомобилях и тракторах – 55%. На долю отливок приходится 20–25% себестоимости трудоемкости изготовления машин. В настоящее время известно более 100 различных способов литья. Наиболее широкое применение 2

нашли такие способы производства отливок, как кокильное литье, литье по выплавляемым моделям, литье под давлением, центробежное литье, электрошлаковое литье, литье под регулируемым давлением и т. д. Однако основную массу отливок из черных металлов (чугун, сталь) получают в разовых песчано-глинистых формах. По прогнозам развития литейного производства песчано-глинистые формы сохранят свое доминирующее положение и в ХХI веке. Это наиболее универсальный и дешевый способ получения отливок. Для получения качественных отливок в песчано-глинистых формах большое значение имеет материал, из которого изготовлена сама форма. Заданные свойства формовочных смесей и форм обеспечивают прежде всего выбором соответствующих формовочных материалов-наполнителей (песков), связующих материалов и различных добавок. В последние годы основным направлением развития технологии изготовления литейных форм и стержней стали разработка и освоение смесей, затвердевающих без нагрева. Их основное преимущество заключается в минимальной работе по уплотнению, отверждению при температуре окружающей среды, а также высокой прочности формы, в широкой возможности по управлению технологическими свойствами применительно к различной серийности производства, возможности повышения качества отливок.

3

1. Понятия о формовочных материалах и их основные виды Все материалы, применяемые для изготовления литейных форм и стержней, объединяются общим названием “формовочные материалы”. Среди формовочных материалов различают исходные формовочные материалы, формовочные смеси и вспомогательные формовочные составы и материалы. Исходные формовочные материалы можно подразделить на две группы: основные (песок и глина) и вспомогательные (связующие для стержней, уголь, опилки, торф, графит и др.). К вспомогательным формовочным составам относят формовочные краски, припылы, стержневой клей, замазки для исправления стержней и другие составы, необходимые для изготовления и отделки форм. Чтобы обеспечить получение годной отливки, формовочные материалы должны обладать свойствами, отвечающими определенным требованиям: 1) технологии изготовления форм и стержней; 2) условиям взаимодействия формы с жидким металлом при заливке формы, затвердевании и охлаждении отливки; 3) технологии приготовления формовочной или стержневой смеси; 4) условиям выбивки форм и удаления стержней.

1.1. Свойства формовочных и стержневых смесей Для того, чтобы получить отливку, свободную от дефектов, формовочные и стержневые смеси, из которых изготовляют форму и стержни, должны удовлетворять комплексу определенных свойств. Все свойства смесей можно разделить на группы: гидравлические, механические, технологические и теплофизические (рис. 1.1). Гидравлические свойства смесей в основном определяют условия газообразования и удаления газообразных продуктов из полости формы при заливке сплавом. Механические свойства определяют прочностные характеристики литейной формы в период ее изготов-

4

ления, а также при заливке ее сплавом и затвердевании отливки. Технологические свойства характеризуют условия получения качественных форм и стержней, а также условия изготовления отливок с наименьшей трудоемкостью и высоким качеством поверхности (без трещин и засоров); теплофизические свойства – условия протекания Свойства формовочных и стержневых смесей

Гидравлические Влажность Пористость* Газопроницаемость Газотворность*

Механические

Твердость Прочность: во влажном состоянии, в упрочненном состоянии, в нагретом состоянии*, в прокаленном состоянии

Технологические Уплотняемость Текучесть Прилипаемость Гигроскопичность Живучесть Осыпаемость Податливость* Огнеупорность* Пригораемость* Выбиваемость Долговечность*

Теплофизические Теплоемкость* Теплопроводность* Температуропроводность* Теплоаккумулирующая способность*

тепловых процессов при затвердевании отливки в форме. Рассмотрим подробнее перечисленные выше свойства. * Свойства смесей, определяемые при исследовательских работах Рис.1.1. Классификация свойств формовочных и стержневых смесей

1.2. Гидравлические свойства Влажность характеризует процентное содержание влаги в смесях. Величина влажности определяет значение многих других свойств смеси и оказывает прямое влияние на качество получаемых отливок, например, при повышенной влажности смесей в отливках могут возникать газовые раковины. В формовочных и стержневых смесях различают следующие виды влаги: химически связанную, поверхностно-связанную и свободную. Химически связанная влага входит в состав минеральных компонентов смеси (песка и глины). При ее удалении в процессе высокотемпературного воздействия на смесь первоначальные свойства ми5

неральных компонентов утрачиваются вследствие разрушения их кристаллической решетки. Например, при нагреве песчано-глинистой смеси до температуры 300–700оС происходит необратимая дегидратация глины, сопровождаемая потерей ею связующих свойств.

Рис. 1.2. Виды влаги, удерживаемой на поверхности компонентов смеси: 1 – поверхностно-связанная; 2 – свободная; 3 – капиллярно-связанная; 4 – адсорбированная; 5 – жесткая

Поверхностно-связанная влага (рис. 1.2) подразделяется на капиллярно-связанную и адсорбированную. Адсорбированная влага удерживается на поверхности смеси электростатическими силами. Толщина слоя влаги может доходить до 0,5⋅10-6 м (0,5 мкм). Чем ближе адсорбированная влага расположена к поверхности частички смеси, тем больше она отличается по физическим свойствам от обычной влаги. Например, влага, находящаяся непосредственно на поверхности частички, толщиной в 3–4 молекулы воды, что составляет примерно (8÷12) 10-10 м (8–12 А), имеет точку кипения выше 100оС, температуру затвердевания – ниже 0, а плотность – больше 1. Такую влагу обычно называют “жесткой” или “нежидкой”. Более отдаленные поверхностные слои адсорбированной влаги по своим физическим свойствам приближаются к обычной капельно-жидкой воде. Капиллярно-связанная влага удерживается на поверхности частичек смеси капиллярными силами. Свободная влага может быть удалена из смеси под воздействием силы тяжести. Эта влага характерна

6

для сильно увлажненной смеси или регенерированного мокрым способом формовочного песка. В соответствии с ГОСТ 29234.5–91 величину влажности смеси В (%) определяют по изменению массы в процессе сушки навески смеси при 105–110оС до постоянной массы и подсчитывают по формуле B =

М − М1 100, М

где М и М1 – масса смеси до и после сушки, г. Определяют содержание только поверхностно-связанной и свободной влаги в смеси, адсорбированная влага удаляется лишь частично, так как “жесткая” вода при этом не испаряется. Пористость характеризуется отношением объема пустот (пор) к общему объему смеси и выражается в процентах. Величина пористости смеси в основном определяет степень развития процессов проникновения жидкого металла или его оксидов в глубь формы, т. е. вероятность возникновения пригара на поверхности смеси определяется главным образом степенью уплотнения смеси и содержанием в ней глины или других мелкозернистых добавок. Пористость уплотненных формовочных смесей находится в пределах 25–50%. Газопроницаемость является одним из важнейших свойств смеси и характеризует способность ее пропускать газы. При недостаточной газопроницаемости смеси затрудняются условия удаления газообразных продуктов из полости формы в процессе ее заливки. Газопроницаемость смесей зависит от размера зерен формовочного песка, содержания в них мелкозернистых добавок, степени уплотнения и влажности. По ГОСТ 29234.11–91 определение газопроницаемости смеси производят путем пропускания воздуха через стандартный образец, изготовленный из испытуемой смеси. Коэффициент газопроницаемости рассчитывают по формуле К =

Vh , Fpτ

где V – объем воздуха, прошедшего через образец, см3; h – высота образца, см; F – площадь поперечного сечения образца, см2; p – дав-

7

ление воздуха перед входом в образец, г/см2; τ – продолжительность прохождения воздуха через образец, мин. Схема прибора для определения газопроницаемости смеси приведена на рис. 1.3. Определение газопроницаемости смеси на этом приборе производят следующим образом. Сначала в гильзе 5 уплотняют стандартный образец смеси диаметром и высотой 50 мм. Затем гильзу с образцом смеси 4 укрепляют на приборе. Открытием трехходового крана 7 по трубке 11 через образец пропускают 2000 см3 воздуха, находящегося под колпаком 8, расположенным в баке 9. Замер возникающего под образцом давления воздуха производят с помощью манометра 1.

Рис. 1.3. Схема прибора для определения газопроницаемости смеси: 1 – манометр; 2 – резервуар; 3 – трубка; 4 – образец смеси; 5 – гильза; 6 – ниппель; 7 – трехходовой кран; 8 – калиброванный колпак; 9 – бак; 10 – трубка колпака; 11 – трубка бака

Продолжительность прохождения воздуха замеряют секундомером. При ускоренном методе определения газопроницаемости используют ниппель 6, укрепленный в отверстии, через которое поступает под образец воздух. В этом случае возникающее под образцом давление при соответствующей градуировке шкалы манометра будет характеризовать значение газопроницаемости смеси.

8

Газотворность характеризует способность смеси выделять газы при нагреве до высоких температур (при температуре 1250оС). Выделяющиеся при заливке формы газы могут быть причиной образования газовых раковин в отливках, причем чем выше газотворность смеси, тем больше опасность их образования. Значение газотворности смесей зависит от вида и количества органических (выгорающих) добавок, от содержания влаги, а также от скорости выделения газообразных продуктов в процессе нагрева смеси. Чем позже начинают выделяться из смеси газы, тем меньше вероятность возникновения газовых раковин в отливках, так как к этому времени успевает образоваться корочка затвердевшего сплава, которая будет препятствовать внедрению в отливку газовых пузырьков.

1.3. Механические свойства Твердость характеризует способность поверхностного слоя форм или стержня противостоять проникновению более твердого тела (металлического шарика). Поверхностная твердость формы или стержня зависит от степени уплотнения смеси, количества и качества связующих материалов, а также от режимов их упрочнения. Оценку твердости производят с помощью специальных приборов-твердомеров и выражают в условных единицах. Прочность характеризует способность смеси сохранять заданную конфигурацию полости литейной формы в период ее изготовления и транспортирования, а также при заливке. В соответствии с ГОСТ 29234–91 прочность смесей оценивают предельной величиной нагрузки, при которой разрушается уплотненный образец смеси. Различают прочность смесей во влажном, упрочненном, нагретом и прокаленном состояниях. Прочность смеси во влажном состоянии зависит главным образом от количества и состояния содержащейся в ней глины, а также от величины влажности, зернового состава формовочного песка, степени уплотнения смеси и некоторых других факторов. На рис. 1.4 приведена схема методов оценки прочности смеси во влажном состоянии. Наиболее часто прочность смеси во влажном состоянии оценивается при сжатии (см. рис. 1.4,а), реже при срезе (см. рис. 1.4,б), изгибе (см. рис. 1.4,в) и растяжении (см. рис. 1.4,г). 9

Рис. 1.4. Схема методов оценки прочности смесей во влажном состоянии: а – при сжатии; б – при срезе; в – при изгибе; г – при растяжении

Прочность смеси в упрочненном состоянии (имеется в виду прочность, которую приобретает образец смеси после тепловой сушки или химического отверждения) зависит от типа и количества связующих материалов, содержащихся в смеси, а также от зернового состава формовочного песка, степени уплотнения смеси, режимов ее упрочнения и целого ряда других факторов, влияние которых будет рассмотрено ниже. На рис. 1.5 приведена схема методов оценки прочности смеси в упрочненном состоянии. Наиболее часто данное свойство смеси оценивается при разрыве образца (см. рис. 1.5,а) и сжатии (см. рис. 1.5,б), реже при срезе (см. рис. 1.5,в) и изгибе (см. рис. 1.5, г).

Рис. 1.5. Схема методов оценки прочности смесей в упрочненном состоянии: а – при растяжении; б – при сжатии; в – при срезе; г – при изгибе

Прочность смесей в прокаленном состоянии характеризуется в основном способностью стержня, изготовленного из данной смеси, удаляться из полости отливки при ее извлечении из формы и очистке и зависит главным образом от природы связующего материала смеси и его количества, от интенсивности теплового воздействия сплава отливки на стержень и других факторов.

10

1.4. Технологические свойства Уплотняемость – это способность смеси уменьшать свой первоначальный объем под воздействием внешних сил. Уплотняемость песчано-глинистых смесей зависит от содержания воды и глины и от их соотношения. Оценку уплотняемости производят по разнице объемов навески смеси до и после уплотнения, отнесенной к первоначальному ее объему, и выражают в процентах. Уплотняемость определяют по ГОСТ 23409.13–78. Текучесть – это способность смеси под воздействием внешних сил заполнять труднодоступные полости в модельной оснастке, обеспечивая равномерное уплотнение формы или стержня. Значение текучести тесно связано с величиной прочности смеси во влажном состоянии, при этом чем меньше эта величина, тем выше текучесть смеси во влажном состоянии. Для оценки текучести песчано-глинистых смесей используют методику (ГОСТ 23409.17–78), основанную на замере твердости торцевых поверхностей уплотненного цилиндрического образца (рис. 1.6) в точках а и б.

Рис. 1.6. Схема ступенчатой пробы для оценки текучести смеси: 1 – основание гильзы; 2 – образец смеси; 3 – гильза; 4 – прессующий плунжер; 5 – вкладыш

11

Величину текучести смеси выражают в процентах и подсчитывают по формуле Т =

Нн 100, Нв

где Нн и Нв – твердость нижнего и верхнего торца образца, условные единицы. Прилипаемость – это способность смеси во влажном состоянии прилипать к поверхности модельной оснастки или транспортных средств (ленточных конвейеров). Повышенная прилипаемость смесей увеличивает шероховатость поверхности формы или стержня, а также вызывает необходимость частой чистки поверхности модельной оснастки и транспортных средств. Оценку прилипаемости смеси производят на специальном приборе (рис. 1.7) по величине усилия отрыва, отнесенного к контактной поверхности образца и конического цилиндра.

Рис. 1.7. Схема прибора для оценки прилипаемости смесей: 1 – воронка для дроби; 2 – приемная чаша; 3 – пуансон; 4 – конусная гильза; 5 – образец смеси

12

Расчет прилипаемости смеси производят по формуле Пр = P/S, где P – усилие отрыва образца, Н; S – контактная поверхность образца, м2. Гигроскопичность характеризует способность формы или стержня впитывать влагу из окружающей среды. Оценка гигроскопичности основана на определении массы влаги, поглощенной сухой смесью. (ГОСТ 23409.10–78). Стандартный образец смеси диаметром и высотой 50 мм сушат и взвешивают, помещают в эксикатор на фильтровальную бумагу, помещенную на влажный песок, и выдерживают в течение 2 ч, после чего снова взвешивают. Испытание проводят на трех образцах. Гигроскопичность (Х) в процентах вычисляют по формуле X =

M1 − M 2 100, M1

где М1, М2 – масса образца до и после сушки. Значение гигроскопичности связано с природой и количеством связующего материала смеси. Например, водорастворимые связующие материалы (лигносульфонаты, декстрин, патока и др.) придают смеси высокую гигроскопичность. Смеси с водонерастворимыми связующими материалами имеют низкую гигроскопичность. Живучесть – это продолжительность сохранения смесью своих физико-механических свойств. Значение ее зависит от природы связующего материала смеси, а также от интенсивности уменьшения в ней влаги. Например, смеси с высокомодульным жидким стеклом обладают малой живучестью. Для ее повышения в состав смесей вводят добавку водного раствора едкой щелочи, которая снижает модуль жидкого стекла. За показатель живучести холоднотвердеющих (упрочняющихся без теплового воздействия) смесей обычно применяют продолжительность промежутка времени (в минутах), по прошествии которого значение ее прочности снижается на 30% от максимального. Осыпаемость характеризуется способностью поверхности формы или стержня не разрушаться при транспортировании, сборке и залив-

13

ке формы. Значение осыпаемости связано с количеством и природой связующего материала, а также с режимом сушки форм и стержней. Для уменьшения осыпаемости песчано-глинистых форм в состав смеси обычно вводят добавки лигносульфонатов. В соответствии с ГОСТ 23409.9–78 оценку осыпаемости смеси производят по величине потери массы стандартным образцом, помещенным во вращающийся сетчатый барабан, при этом величину осыпаемости выражают в процентах и рассчитывают по формуле О=

М 0 − М1 100, М0

где М0 и М1 – масса образца до и после испытания, г. Податливость – это способность формы или стержня деформироваться под воздействием усадки отливок. Степень податливости смеси зависит от природы огнеупорной основы, от количества и природы связующего материала, а также от степени уплотнения смеси. Например, сильно уплотненные смеси с большим количеством глины малоподатливы. Для улучшения податливости в состав вводят древесные опилки и другие добавки. Огнеупорность характеризует способность смеси не оплавляться под действием высоких температур. При недостаточной огнеупорности смеси происходит оплавление и спекание отдельных ее компонентов с образованием крупных пор, приводящих к формированию повышенного пригара на отливках. Значение огнеупорности смеси зависит от минералогического, гранулометрического и химического состава формовочного песка и глины. В соответствии с ГОСТ 4069–69 для оценки огнеупорности из смеси изготавливают образцы в виде трехгранных пирамидок. Величину огнеупорности смеси определяют по температуре, при которой вершина образца в процессе размягчения и оплавления смеси коснется уровня его основания. Пригораемость – это способность поверхностного слоя формы или стержня противостоять прочному сцеплению с металлом отливки. Степень пригораемости смеси зависит от многих факторов, в том числе от пористости смеси, химической инертности ее огнеупорной основы. Уменьшения пригораемости смеси достигают введением в ее состав противопригарных и высокоогнеупорных материалов (ка-

14

менный уголь, мазут, маршалит и др.), применением специальных защитных покрытий, наносимых на поверхность форм и стержней. Выбиваемость характеризуется способностью стержней удаляться из внутренних полостей при выбивке и очистке отливок. Значение выбиваемости зависит главным образом от природы и количества связующего материала в смеси, от интенсивности температурного и силового воздействия металла отливок на стержень. Смеси с неорганическими связующими материалами, например, с жидким стеклом, имеют затрудненную выбиваемость вследствие их прочного спекания в период затвердевания отливки в форме. Хорошую выбиваемость имеют смеси с органическими, легковыгорающими и некоксующимися связующими материалами. Оценку выбиваемости смеси производят по величине работы, затрачиваемой на пробивку специальным бойком стержня, залитого сплавом. Работу выбивки определяют по формуле А = n · G · h, где n – число ударов, необходимое для пробивки стержня; G – масса падающего груза, кг; h – высота падения груза, м. Долговечность характеризует способность смеси, после соответствующей подготовки, повторно использоваться для изготовления форм без введения добавок свежих формовочных материалов. Долговечность смеси зависит от интенсивности температурного воздействия жидкого сплава, от природы огнеупорной основы и связующего материала смеси. Наибольшей долговечностью обладают песчаноглинистые смеси. Оценку долговечности смеси производят по числу циклов ее использования, обеспечивающему сохранение смесью физико-химических свойств и получение качественных отливок.

1.5. Теплофизические свойства К теплофизическим свойствам относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводимость и теплоаккумулирующая способность. Эти характеристики определяют тепловой режим охлаждения отливки в форме. Значения их зависят главным образом от природы огнеупорной основы смесей, а также и от состояния формы 15

(влажная, сухая). Наиболее высокими теплофизическими свойствами обладают цирконовые, дистен-силлиманитовые, хромитовые формовочные пески. Теплофизические характеристики кварцевых песков значительно ниже. Различные теплофизические свойства смесей позволяют регулировать процессы затвердевания отдельных частей отливок. Значение теплоемкости и теплопроводности смесей определяется в специальных теплофизических лабораториях, а температуропроводность и теплоаккумулирующая способность – расчетным путем. Теплопроводность вещества λ определяется как количество теплоты Q, которое подводится за время τ через поверхность площадью F, расположенную перпендикулярно к тепловому потоку, отнесенное к температурному градиенту ∆t/d (∆t – разность температур; d – толщина образца): λ=

Q . Fτ∆t / d

Теплопроводность большинства формовочных смесей с повышением температуры увеличивается, а у смесей с магнезитом и корундом, в качестве наполнителя, уменьшается. Получение заданной теплопроводности в песчаных формах затруднительно, так как она зависит не только от теплопроводности наполнителя, но и от влажности воздуха и газов, находящихся в межзерновых порах. В сухом песке предположительно теплопередача происходит от зерна к зерну за счет прямых контактов, частично – излучением. Теплопроводность при повышении температуры на 1000оС (с 95 до 1095оС) изменяется почти на 100% – с 2,63⋅10-6 до 4,75⋅10-6 Вт/(м⋅К). Процесс распространения теплоты во влажном песке, однако, более сложен, чем в сухом. Теплопередача происходит как за счет теплопроводности зерен наполнителя, так и воды (водяного пара), адсорбированной зернами песка и находящейся в порах между песчинками. При нагреве влажной формовочной смеси залитым металлом в глубь формы проникает водяной пар (в результате изменения давления), нагретый в порах воздух, а также продукты сгорания органических составляющих. В холодных слоях формы, удаленных от отлив16

ки, происходит конденсация влаги. В результате переноса теплоты водяным паром и улучшения условий теплопередачи между контактирующими зернами песка из-за накопления влаги в местах их контакта общая теплопроводность смеси с повышением влажности также повышается. На теплопроводность песчано-глинистых форм влияют степень уплотнения формовочной смеси и содержание связующего. Например, теплопроводность повышается при увеличении степени уплотнения и количества бентонина в смеси. Удельная теплоемкость формовочной смеси зависит не только от ее вида, но и от температуры. С повышением температуры она также увеличивается. Значительное влияние на удельную теплоемкость формовочной смеси оказывает содержание в ней влаги. Для более полного представления о теплофизических свойствах форм определяют температуропроводность а (в м2⋅с-1), характеризующую, насколько интенсивно в форме выравниваются температурные перепады: а = λ/(с · ρ), где с – удельная теплоемкость смеси, Дж/(кг⋅К); ρ – плотность смеси, кг/м3. Температуропроводность в интервале температур 500–1000оС кварцевого песка составляет 0,00145 м2⋅с-1, шамота – 0,00178 м2⋅с-1. При расчете теплопередачи от отливки к форме применяется также величина, называемая коэффициентом тепловой аккумуляции b = λc ⋅ ρ .

Чем выше теплоаккумуляторная способность формы, тем быстрее охлаждается отливка и меньше опасность образования пригара на поверхности отливки.

17

2. Структура формовочных, стержневых смесей и красок Структура – это в общем случае взаимное расположение и характер связей между элементами, образующими целостную систему. Литейная форма – пористая среда с широкой сетью разветвленных поровых каналов. Любая формовочная смесь, образующая литейную форму, состоит из двух основных составляющих: зерновой и связующей, а также из атмосферы, заполняющей поры смеси. Зерновая составляющая – это в большинстве случаев кварцевый песок, а в качестве связующей наиболее часто применяют огнеупорную глину или бентонит, а также смеси различных органических и неорганических клеящих веществ. Кроме того, в смеси для улучшения их свойств вводят специальные добавки. Кварцевый песок, применяемый в литейном производстве, состоит из зерен неправильной формы и различных размеров, поэтому структура уплотненной формовочной смеси аналогична структуре естественных грунтов, также состоящих из частиц разнообразной формы и различных размеров. Следовательно, закономерности, полученные при исследовании грунтов, могут быть использованы при изучении структуры и свойств уплотненной формовочной смеси. Известно понятие об идеальной и фиктивной моделях грунта. За идеальную модель смеси принимается такая структура, где все поры цилиндрические и их оси параллельны между собой (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структура идеальной формовочной смеси

18

Такая модель далека от реальной формы, но дает возможность в первом приближении оценить структуру уплотненной формовочной смеси. К ней можно применить закон Пуазейля для течения жидкости в капиллярах. Фиктивная модель смеси представляет собой набор шарообразных частиц равного диаметра (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Структура фиктивной формовочной смеси

Эта модель ближе к реальной литейной форме. Для уяснения структуры смеси можно заменить ее моделью, состоящей из жестких сфер одинакового размера, скрепленных между собой точечными контактами через пленку связующей добавки. Расстояние между центрами любой пары соприкасающихся сфер равно их удвоенному радиусу.

Рис. 2.3. Микроструктура идеальной формовочной смеси при различных степенях уплотнения: а – рыхлая смесь; б – кубическая упаковка; в – гексагональная упаковка

19

В неуплотненном состоянии сферы образуют рыхлую систему, в которой пористость составляет 70% (и более); в этом случае общая плотность при плотности кварцевых зерен 2,6 г/см3, будет около 1 г/см3, смежные сферы могут создавать многочисленные “арки” (рис. 2.3,а). При элементарном уплотнении сферы образуют кубическую систему. Ромбоэдр, построенный в плоскости, пересекающей центры соприкасающихся сфер, в этом случае является квадратом с углом 90о (рис. 2.3,б). При гексагональной упаковке ромбоэдр имеет острые углы 60о (рис. 2.3,в). Пористость уплотнений системы m зависит от угла ромбоэдра θ следующим образом: m =1−

π 6(1 − cos θ) 1 + 2 cos θ

.

Расчеты показывают, что при кубической упаковке пористость составляет 0,476, а плотность смеси 1,3 г/см3; при гексагональной упаковке, соответственно, 0,259 и 1,85 г/см3. Приведенные цифры соответствуют плотности реальных формовочных смесей. Реальная литейная форма, состоящая из зерен различной величины, имеет весьма сложную структуру. Однако благодаря упрощению структуры литейной формы удается раскрыть законы, управляющие процессами фильтрации газов и жидкостей через формовочные смеси, и дать протекающим при этом процессам количественную оценку. Течение жидкости по капиллярам подчиняется закону Пуазейля Vк =

πr 4 ⋅ t ( p1 − p2 ) , 8η ⋅ l

(2.1)

где Vк – объем жидкости, протекающей через один капилляр; r – радиус капилляра; t – время; p1, p2 – давление на входе и выходе капилляра, соответственно; l – длина капилляра;

η – динамическая вязкость жидкости. Это уравнение справедливо для капельных жидкостей, которые при постоянной температуре имеют практически неизменяемый объ20

ем. Для газов постоянной величиной является произведение V⋅p. Для того, чтобы уравнение (2.1) можно было применить к газам, его левую часть следует умножить на p-давление, при котором определяется объем проходящего газа. При этом правая часть уравнения должна быть, соответственно, умножена на

p1 + p2 , т. е. на среднее давле2

ние, которое испытывает газ в образце. Кроме того, допускают, что капилляры расположены перпендикулярно поверхности образца и параллельно друг другу. Тогда длина капилляра l будет равна толщине образцов b. При этом формула (2.1) преобразуется Vк ⋅ p =

πr 4 ⋅ t ( p1 − p2 ) ( p1 + p2 ) ⋅ , 8η ⋅ b 2

или Vк =

πr 4t ( p1 − p2 ) ( p1 + p2 ) ⋅ . 8η ⋅ b 2p

(2.2)

Если исследуемый материал пронизан капиллярами в количестве N штук на 1 см2 площади поверхности f, то для получения общего расхода газа надо обе части уравнения (2.2) умножить на Nf: V к ⋅ Nf =

πr 4 ⋅ t ⋅ N ⋅ f ( p1− p2 ) ( p1 + p2 ) ⋅ , 8η ⋅ b 2p

или Vк =

πr 4 N f ⋅ t ( p1 − p2 )( p1 + p2 ) ⋅ ⋅ , η⋅b 8 2p

(2.3)

V = Vк ⋅ N ⋅ f.

где В уравнении (2.3)

πr 4 ⋅ N зависит от количества и размеров пор 8

поэтому представляет собой некоторую величину, характеризующую данный материал, которая называется абсолютным коэффициентом проницаемости G =

η⋅b V 2p ⋅ ⋅ . f ⋅ t ( p1 − p2 ) ( p1 + p2 )

21

(2.4)

При малых перепадах давлений формулу (2.4) можно упростить G =

η⋅b V ⋅ , f ⋅ t ∆p

(2.5)

где ∆ p = p1 – p2. В системе СИ единицей G является квадратный метр. Формула для определения абсолютного коэффициента проницаемости выведена с условием фильтрации жидкостей как практически несжимаемых сред. При фильтрации газа значения V в формуле (2.5) следует заменить на средний объем газа Vср. Но так как Vср ⋅ pср = V2 ⋅ p2, а p– то

G =

2η ⋅ V– f

⋅ t ( p12

р

р

=

⋅b

− p22 )

.

p1 + p2 , 2

(2.6)

Анализируя формулу (2.5), можно сделать следующие выводы. Чем больше площадь поперечного сечения образца, необходимая для прохождения данного газа объемом V в данный промежуток времени t с данным перепадом давлений ∆p, тем меньше абсолютный коэффициент проницаемости смеси. С уменьшением продолжительности прохождения газа объемом V через образец увеличивается абсолютный коэффициент проницаемости формовочной смеси. Увеличение высоты образца является одной из причин, препятствующих прохождению газа. Чем меньше высота образца, которая требуется для прохождения газа объемом V в данный промежуток времени t, тем ниже абсолютный коэффициент проницаемости смеси (сопротивление прохождению газов). Чем выше допустимая вязкость газа η, обеспечивающая прохождение его объема V через образец в течение времени t, тем больше абсолютный коэффициент проницаемости смеси. Последний не зависит от размеров образца и определяется только внутренней структурой материала. Так, например, при изменении величины b в формуле (2.5) абсолютный коэффициент проницаемости смеси G не меняется, а изменяются продолжительность прохождения газа t и разность давлений ∆p. Реальная формовочная смесь отличается от фиктивной следующими основными особенностями: 22

− частицы реальной смеси имеют различную крупность и отличаются по форме от сфер; − частицы уплотненной смеси соприкасаются между собой не в точках, а на площадках; − различные элементарные ячейки в пределах одного микроскопического объема формовочной смеси с той или иной степенью уплотнения имеют различную укладку частиц. Абсолютный коэффициент проницаемости G обычно указывается применительно к определенному газу или жидкости (воздух, газ, вода). В этом случае из формулы (2.5) исключается вязкость, и такой параметр получает наименование коэффициента проницаемости, соответствующего тому газу или той жидкости, которые пропускаются через образец. Например, коэффициент воздухопроницаемости K =

V ⋅b . f∆p ⋅ t

(2.7)

Эта формула строго теоретически может быть применима лишь при ламинарном течении жидкости или газа через образец. В литейном производстве обычно пользуются термином “газопроницаемость формовочных смесей”. Под газопроницаемостью формовочной смеси подразумевается ее способность пропускать через имеющиеся поры воздух, газы и пары воды. Если ∆p выразить в Н/м2, то единицей газопроницаемости будет м4/Н⋅с. Если давление на выходе принять равным единице, то газопроницаемость смеси K =

V ⋅b . f ⋅ p⋅t

3. Исходные материалы 23

(2.8)

Основной составляющей формовочных и стержневых смесей, применяемых в литейном производстве, является кварцевый песок. Кварцевый песок – природный минерал соединения кремния с кислородом (SiO2). Пески образуются при разрушении горных пород, содержащих кварц. По происхождению формовочные пески относятся к осадочным горным породам. Важнейшей их характеристикой является время отложения и кратность переноса. Наиболее округлые и однородные по величине зерна имеют те пески, которые в течение длительного времени подвергались многократным переносам и повторным отложениям. Главным критерием при оценке качества формовочных песков по химическому составу является содержание в нем кремнезема SiО2. Чем выше его содержание, тем выше качество песка. Наряду с кремнеземом в формовочных песках почти всегда присутствуют различные примеси, ухудшающие его свойства.

3.1. Минералогический состав формовочных песков Основной составляющей формовочного песка является кварц (SiO2), имеющий плотность ρ = 2650 кг/м3, температуру плавления tпл = 1713оС, твердость по шкале Маоса 7. Зерна кварца могут иметь различную окраску, обусловленную различными примесями. При нагреве кварц претерпевает ряд превращений. При 573оС α-кварц переходит в β-кварц. Объем изменяется ±2,4%; при 870оС β-кварц → βтридимид, изменение объема 15,1%, при 1470оС β-тридимид → β-кристаболит, изменение объема 4,7%; при 1713оС β-кристаболит → расплав, изменение объема 0,1%. Полевые шпаты (MeO·Al2O3·6SiO2). Полевые шпаты имеют твердость (6–6,5); температура плавления их 1170–1550оС, термическое расширение при 1000оС до 2,75%. Слюда. Мусковит (К2О·3Al2O3·6SiO2·H2O). Биотит (К2О·6(Mg,Fe)О·Al2O3·6SiO2·2H2O). Температура плавления слюды 1150–1400оС, термическое расширение при 1000оС – 1,55%. Слюда ухудшает огнеупорность песка.

24

Оксиды железа содержат примеси: − гематит Fe2O3, плотность 5000–5300 кг/м3, температура плавления 1560оС, устойчив при окислении; − магнитный железняк FeO·Fe2O3; плотность 4900–5200 кг/м3, температура плавления 1540оС; − ильменит FeO·TiO2, плотность 4720 кг/м3. Гидраты оксидов железа nFe2O3·mH2O. В зависимости от содержания воды различают несколько разновидностей гидратов оксида железа, которые неустойчивы и при нагревании теряют воду, снижая свойства песка, и способствуют образованию легкоплавких силикатных сплавов, вызывающих пригар на отливках. Карбонаты: кальцит CaCO3, магнезит MgCO3, доломит CaCO3·MgCO3, сидерит FeCO3 снижают огнеупорность формовочных песков, а разложение их при нагревании до 500–900°С способствует образованию различных дефектов в отливках. Глинистые минералы. В формовочных песках встречается несколько глинистых минералов: каолинит, монтмориллонит, гидрослюды. Все примеси в формовочных песках снижают его огнеупорность, физико-механические и технологические свойства, увеличивают пригар на отливках. В связи с этим в последнее время все больше применяют обогащенные формовочные пески с минимальным содержанием примесей.

3.2. Классификация формовочных песков В соответствии с ГОСТ 2138–91 все формовочные пески, в зависимости от массовой доли глинистой составляющей (частиц глинистых материалов и обломков зерен кварца и других минералов размером менее 0,02 мм), подразделяют на кварцевые (К), тощие (Т) и жирные (Ж). Кварцевые и тощие формовочные пески подразделяют на группы в зависимости от массовой доли глинистой составляющей, диоксида кремния, коэффициента однородности и среднего размера зерен, 25

жирные – от предела прочности при сжатии во влажном состоянии и среднего размера зерна. Кварцевые пески (табл. 3.1–3.4) содержат до 2,0% глинистой составляющей. Таблица 3.2

Таблица 3.1

Массовая доля SiO2 в кварцевых песках

Массовая доля глинистой составляющей в кварцевых песках Группа

Массовая доля глинистой составляющей, %, не более

Группа

Массовая доля диоксида кремния, %, не менее

1

0,2

К1

99,0

2

0,5

К2

98,0

1,0

К3

97,0

4

1,5

К4

95,0

5

2,0

К5

93,0

3

Таблица 3.4

Таблица 3.3

Средний размер зерен формовочных песков

Коэффициент однородности формовочных песков Группа

Коэффициент однородности, %

Группа

Средний размер зерна, мм

О1

Св. 80,0

О1

До 0,14

О2

От 70,0 до 80,0

О16

От 0,14 до 0,18

О3

>> 60,0 >> 70,0

О2

>> 0,19 >> 0,23

О4

>> 50,0 >> 60,0

О25

>> 0,24 >> 0,28

О5

До 50,0

О3

Св. 0,28

Тощие пески (см. табл. 3.3–3.6) содержат от 2,0 до 12,0% глинистой составляющей.

26

Таблица 3.5

Таблица 3.6

Массовая доля глинистой составляющей тощих песков

Массовая доля SiO2 тощих песков

Группа

Массовая доля глинистой составляющей, %, не более

1

4,0

Т1

96,0

2

8,0

Т2

93,0

3

12,0

Т3

90,0

Группа

Таблица 3.7

Массовая доля диоксида кремния, %, не менее

Жирные пески (см. табл. 3.4 и 3.7) содержат от 12,0 до 50,0% глинистой составляющей. ОбоПредел прочности значение марок кварцевых и тоГруппа при сжатии во влажном щих песков состоит из обозначесостоянии, МПа ний групп по массовой доле глиЖ1 Св. 0,08 нистой составляющей, массовой Ж2 От 0,05 до 0,08 доле диоксида кремния, коэффиЖ3 До 0,05 циенту однородности и среднему размеру зерна. Пример: 2К1О302 – кварцевый формовочный песок с массовой долей глинистой составляющей от 0,2 до 0,5% (см. табл. 3.1), массовой долей диоксида кремния не менее 99,0% (см. табл. 3.2), коэффициентом однородности от 60,0 до 70,0% и средним размером зерна от 0,19 до 0,23% (см. табл. 3.4). Обозначение марок жирных песков состоит из обозначений групп по пределу прочности при сжатии во влажном состоянии и среднему размеру зерна. Пример: Ж2О16 – жирный формовочный песок с пределом прочности при сжатии во влажном состоянии от 0,05 до 0,08 МПа (см. табл. 3.7) и средним размером зерна от 0,14 до 0,18 мм (табл. 3.4). Предел прочности при сжатии во влажном состоянии

27

3.3. Технологические требования к формовочным пескам По массовой доле влаги, концентрации водородных ионов водной вытяжки (pH), массовой доле вредных примесей и форме зерен кварцевые пески подразделяют на группы, указанные в табл. 3.8 – 3.10. Коэффициент угловатости определяет степень отклонения формы зерен от сферической, выражается отношением теоретической удельной поверхности к действительной. Теоретическую удельную поверхность песков (м2/кг) определяют по данным ситового анализа на основе предположения, что все зерна имеют круглую форму. Действительная удельная поверхность является важной характеристикой многих формовочных материалов, дающей возможность определить коэффициент угловатости, а также иметь представление о дисперсности материала, что в случае сухих связующих, например, цемента, определяет их активность, расход воды и жидких связующих для получения оптимальных свойств смесей. Таблица 3.8 Массовая доля влаги кварцевых песков Группа Сухие Влажные Сырые Кислые Нейтральные Щелочные

Массовая доля влаги, %, не менее

pH

0,5 4,0 6,0

–

–

До 6,2 От 6,2 до 7,0 Св. 7 Таблица 3.9

Массовая доля вредных примесей кварцевых песков Группа

Массовая доля вредных примесей, %, не более

Содержание примесей

Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов (Na2О, К2О, СаО, MgO)

Оксиды железа (III) (Fe2O3)

Очень низкое Низкое Среднее Высокое Очень высокое

0,40 0,80 1,20 1,60 2,00

0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

28

Таблица 3.10 Коэффициент угловатости формовочных песков Группа

Коэффициент угловатости, ед., не более

Округлая

1,10

Полуокруглая

1,25

Угловатая

1,40

На практике наиболее распространен метод определения удельной поверхности, основанный на соотношении между удельной поверхностью, пористостью, объемным весом и воздухопроницаемостью дисперсного материала. Более точный метод оценки удельной поверхности основан на определении объема газа, абсорбированного дисперсным материалом при условии образования молекулярного слоя. По теоретической удельной поверхности и газопроницаемости кварцевые и тощие пески подразделяют на группы, указанные в табл. 3.11. Таблица 3.11 Теоретическая удельная поверхность формовочных песков Группа

Теоретическая удельная поверхность, м2/кг, не менее

Высокая

15

Средняя

10

Низкая

5

Газопроницаемость, м2/Па⋅с, не менее

–

Очень высокая

550

Высокая

350

Средняя

–

200

Низкая

100

Очень низкая

30

По массовой доле потери массы при прокаливании формовочные пески подразделяют на группы, указанные в табл. 3.12.

29

Таблица 3.12 Потеря массы при прокаливании формовочных песков Группа

Потеря массы при прокаливании, %, не более

Низкая

0,2

Средняя

1,0

Высокая

3,0

Массовая доля сульфидной серы в кварцевых формовочных песках не должна превышать 0,05% (определяют при геологической разведке новых месторождений). Формовочные пески не должны иметь посторонних включений: агломератов кварцитов и кварцевых песчаников, остатков растительных слоев, угля, торфа, известняка.

3.3.1. Определение глинистых частиц формовочных песков Метод основан на отделении глинистых частиц от песчаной основы с учетом массовой доли органических включений в кварцевых песках (ГОСТ 29234.1–91). В основу процесса отмучивания положен закон скорости падения зерен в жидкой среде. Согласно закону Стока эта скорость определяется из уравнения V = g⋅

d 2 (ρ1 − ρ2 ) , 18 ⋅ η

где g – ускорение силы тяжести; d – диаметр падающей частицы; ρ1, ρ 2 – плотность зерен кварца и жидкости; η – вязкость жидкой среды (для воды при 20°С η = 1·10-3 Н·с/м2).

От партии песка отбирают пробы и подготавливают по ГОСТ 29234.0.–91. Испытания проводят параллельно на двух пробах. От каждой пробы песка отбирают две навески, массой по 50 г каждая. Первую навеску помещают в кварцевую чашу и высушивают

30

при температуре 105–110°С, затем помещают в эксикатор для охлаждения. Вторую навеску помещают в сосуд, приливают 475 см3 воды и 25 см3 раствора пирофосфата натрия (10 г/дм3). Сосуд плотно закрывают пробкой, устанавливают на лабораторную мешалку и взбалтывают в течение 1 ч. После этого сосуд снимают с мешалки, открывают пробку, тщательно смывают водой глину с пробки в сосуд. Смесь количественно переносят в стакан аппарата для автоматического отделения глинистых частиц и проводят испытания по инструкции к данному аппарату. При отделении глинистых частиц вручную смесь доливают водой до метки на высоте сосуда 150 мм, перемешивают палочкой и дают отстояться в течение 10 мин. Сливают воду до уровня 12 мм от поверхности осадка с помощью U-образной трубки (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема удаления глинистых частиц

Операцию отмучивания повторяют два раза. При образовании хлопьев в верхнем слое смеси их удаляют. Для этого конец U-образной трубки помещают в верхней части слоя хлопьев и осторожно удаляют их в слив. Сосуд в третий раз доливают водой до того же уровня, смесь перемешивают палочкой и дают отстояться 5 мин. Затем вновь сливают воду. Отмучивание повторяют до тех пор, пока вода в сосуде

31

после 5-минутного отстаивания не станет прозрачной. Осадок из сосуда количественно переносят в кварцевую чашу, отстаивают в течение 5 мин, воду сливают, осадок высушивают при температуре 105–110°С, затем помещают в эксикатор для охлаждения. Далее обе навески переносят в муфельную печь и прокаливают при температуре 1000°С в течение 1 ч, затем охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Остаточную массу первой навески (X1) в процентах вычисляют по формуле Х1 =

[m − (m1 − m2 )] ⋅ 100 , m

где m – масса навески смеси, г; m1 – масса чашечки с навеской до прокаливания, г; m2 – масса чашечки с навеской после прокаливания, г. Остаточную массу второй навески (X2) в процентах вычисляют по формуле Х2 =

m1 ⋅ 100 , m

где m – масса навески смеси, г; m1 – масса смеси после удаления глинистых частиц и прокаливания, г. Массовую долю глинистых частиц (X) в процентах вычисляют по формуле X = (X1 – X2), где Х1 – остаточная масса первой навески, %; Х2 – остаточная масса второй навески, %. Расхождение между результатами параллельных определений не должно превышать 10%. Если расхождение превышает 10%, испытание повторяют. За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов трех испытаний.

32

3.3.2. Определение среднего размера зерна и коэффициента однородности Средний размер зерна и коэффициент однородности рассчитывают по данным гранулометрического состава (ГОСТ 29234.3–91). Метод определения гранулометрического состава основан на определении количественного распределения частиц по крупности рассевом на ситах. Навеску песка после определения в ней массовой доли глинистых частиц по ГОСТ 29234.1 помещают в верхнее сито комплекта, в котором сита расположены в нисходящем порядке (размер сторон ячейки сит в мм: 2,5; 1,6; 1,0; 0,63; 0,4; 0,315; 0,2; 0,16; 0,1; 0,063; 0,05). Рассев ведут в течение 15 мин, после чего прибор выключают, снимают сита, остатки песка раздельно с каждого сита количественно переносят на глянцевую бумагу (при этом сито тщательно очищают мягкой кистью) и взвешивают. Испытание проводят на двух навесках. Массовую долю остатка песка на сите (Х) в процентах вычисляют по формуле Х =

m1 ⋅ 100 , m

где m1 – масса остатка на сите, г; m – масса исходной навески, г. Допускаемое расхождение между результатами двух параллельных определений не должно превышать 10%. Если результаты испытания отличаются от среднего арифметического более чем на 10%, то определение повторяют один раз. За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов трех определений. Для определения среднего размера зерна и коэффициента однородности строят интегральную кривую распределения частиц по размерам, для чего по оси абсцисс откладывают в логарифмическом масштабе размер сторон ячеек сита в свету, а по оси ординат в ли-

33

нейном масштабе – количество частиц меньше данного размера в процентах (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Интегральная кривая по размерам частиц

Средний размер зерна (Dср) соответствует размеру сторон ячеек сита, через которое проходит 50% песчаной основы. Для определения коэффициента однородности (О) по интегральной кривой находят процентное содержание частиц размером меньше 4/3 Dср и 2/3 Dср. Коэффициент однородности равен разности этих значений. Пример заполнения таблицы с результатами для определения среднего размера зерна и коэффициента однородности приведен в табл. 3.13. Таблица 3.13 Гранулометрический состав формовочного песка Размер сторон ячейки сита в свету, мм

Остаток на сите, г

Остаток на сите, %

Частицы размером меньше сторон ячейки сита, %

2,50

0

0

100

1,60

0

0

100

1,00

0,1

0,2

99,8

0,63

0,4

0,8

99,0

0,40

1,8

3,7

95,3

34

Окончание 3.13 Размер сторон ячейки сита в свету, мм

Остаток на сите, г

Остаток на сите, %

Частицы размером меньше сторон ячейки сита, %

0,315

4,6

9,5

85,8

0,20

18,75

38,5

47,3

0,16

8,9

18,3

29,0

0,10

11,6

23,8

5,2

0,063

2,35

4,8

0,4

0,05

0,15

0,3

0,1

Поддон

0,05

0,1

0

Всего

50,0

100

Dср = 0,206

4/3 Dср = 0,275

2/3 Dср = 0,137

О3 = 63

3.3.3. Определение предела прочности при сжатии формовочного песка во влажном состоянии (ГОСТ 29234.4–91) От пробы песка, отобранной и подготовленной по ГОСТ 29234.0, выделяют навеску массой 2 кг, помещают в лабораторный смеситель и добавляют от 100 до 250 см3 воды, в зависимости от массовой доли глинистых частиц согласно табл. 3.14. Закрывают смеситель крышкой и перемешивают увлажненную смесь в течение 20 мин. Отбирают образец смеси для определения прочности при сжатии. Затем продолжают перемешивание в смесителе с открытой крышкой, через каждые 1–2 мин определяют прочность при сжатии по мере естественного подсыхания смеси. Испытание прекращают с момента снижения прочности смеси. Таблица 3.14 Массовая доля глинистых частиц формовочного песка Массовая доля глинистых частиц, %, не более

Необходимый объем воды, см3

20

150

30

200

50

250

35

Образцы изготовляют в металлической гильзе на лабораторном копре трехкратным ударом груза. Высота образцов должна быть (50±0,8) мм и контролируется тремя рисками, нанесенными на станине и штоке копра. Готовые образцы испытывают на приборе для определения прочности при сжатии во влажном состоянии. Испытания проводят на трех образцах. За предел прочности при сжатии во влажном состоянии принимают среднее арифметическое результатов трех определений, при которых прочность при сжатии будет наибольшей. Расхождение между результатами определений и средним арифметическим трех определений не должно превышать 10%. Если расхождения превышают 10%, смесь увлажняют при перемешивании до наибольшей прочности и определения повторяют дополнительно на трех образцах. За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов пяти определений.

3.3.4. Метод определения влаги формовочного песка Метод основан на определении потери массы навески песка после высушивания до постоянной массы (ГОСТ 29234.5–91). От пробы песка, отобранной и подготовленной по ГОСТ 29234.0, выделяют навеску массой 50 г, помещают в предварительно высушенную до постоянной массы и взвешенную чашу или бюксу и сушат в сушильном шкафу при температуре 105–110°С в течение 30 мин. Затем чашу с песком взвешивают. Дополнительно сушат в течение 15 мин и снова взвешивают. Операцию повторяют до тех пор, пока разность результатов двух последних взвешиваний будет не более 0,02 г. Чашу с песком, высушенным до постоянной массы, охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Массовую долю влаги (Х) в процентах определяют параллельно на двух навесках и вычисляют по формуле X=

( m1 − m2 ) ⋅ 100 , m1

где m1 – масса навески песка до высушивания, г; m2 – масса навески песка после высушивания, г.

36

Расхождение между результатами двух параллельных определений не должно превышать 0,2%. Если расхождение превышает 0,2%, определение повторяют. За результат испытания принимают среднее арифметическое трех определений.

3.3.5. Определение рН формовочного песка по ГОСТ 29234.6–91 От пробы песка, отобранной и подготовленной по ГОСТ 29234.0, выделяют навеску массой 20 г, помещают в стаканчик и приливают 100 см3 дистиллированной воды. Содержимое стакана взбалтывают ручным или механическим способом в течение 10 мин и дают отстояться в течение 10 мин, затем раствор (не взмучивая осадка) переносят в специальный стаканчик вместимостью 50 см3 и определяют его рН на приборе. Испытание проводят на двух навесках. За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов двух определений. Допускаемое расхождение между результатами параллельных определений не должно превышать 0,1 рН. Если расхождение между результатами параллельных определений превышает приведенное значение, определения повторяют на одной навеске. За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов трех определений.

3.3.6. Определение газопроницаемости формовочного песка Метод основан на определении способности образца пропускать через себя воздух (ГОСТ 29234.11–91). Из пробы песка, отобранной и подготовленной по ГОСТ 29234.0, изготовляют образцы в специальной металлической гильзе, собранной без сетки со стороной ячейки 0, 10 мм, на лабораторном копре трехкратным ударом груза. Высота образцов должна быть (50±0,8) мм и контролируется тремя рисками, нанесенными на станине и штоке копра.

37

Гильзу с утрамбованным образцом снимают с копра, снимают надставку и удаляют избыток песка. Устанавливают сетку со стороной ячейки 0,10 мм и прикрывают гильзу надставкой, после чего вынимают подставку. Гильзу с образцом устанавливают на прибор для определения газопроницаемости и проводят измерение. За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов двух определений. Допускаемое расхождение между результатами параллельных определений не должно превышать 5%. Если расхождение между результатами параллельных определений превышает приведенное значение, определение повторяют. За окончательный результат испытания принимают среднее арифметическое результатов трех определений.

3.3.7. Определение потери массы формовочного песка при прокаливании Метод основан на определении потери массы пробы при прокаливании ее в электрической печи до постоянной массы (ГОСТ 29234.13–91). Навеску массой 1 г взвешивают в фарфоровом тигле, прокаленном при температуре (1000±50)°С до постоянной массы. Тигель с навеской помещают в муфельную печь, нагретую не выше 400°, постепенно нагревают до температуры (1000±50)°С и выдерживают при этой температуре в течение 1 ч, затем охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Прокаливание повторяют по 10 мин до достижения постоянной массы. Массовую долю потери массы при прокаливании (Х) в процентах вычисляют по формуле X =

( m1 − m2 ) ⋅ 100 , m

где m1 – масса тигля с навеской до прокаливания, г; m2 – масса тигля с навеской после прокаливания, г; m – масса навески, г. Абсолютные расхождения результатов параллельных определений не должны превышать допускаемых значений, приведенных в табл. 3.15.

38

Таблица 3.15 Массовая доля потери массы при прокаливании формовочного песка Массовая доля потери массы при прокаливании, %

Абсолютное допускаемое расхождение, %

От 0,10 до 0,30 Св. 0,3 до 0,8 Св. 0,8 до 2,0 Св. 2,0 до 5,0

0,05 0,10 0,15 0,20

3.4. Высокоогнеупорные формовочные материалы Для получения крупных чугунных и стальных отливок с чистой поверхностью вместо кварцевых песков применяют другие высокоогнеупорные материалы: хромит, хромомагнезит, циркон, дистен-силлиманит, шамот и др. Эти материалы имеют более высокие теплофизические свойства и меньшую склонность к физико-химическому взаимодействию с железом и его оксидами, поэтому позволяют получать чугунные и стальные отливки с более чистой поверхностью. Теплофизические свойства некоторых высокоогнеупорных материалов приведены в табл. 3.16. Таблица 3.16 Теплофизические свойства высокоогнеупорных материалов Температура плавления, °С

Теплоаккумулирующая способность, Дж/(м2·с1/2·К)

Температурный коэффициент расширения (К−1) в интервале 300–1000°С

Кварцевый песок SiO2

1550– 1713

1260

1,54

13,7·10–6

2650

Дистен-силлиманит Al2O3·SiO2

1800– 1830

1470

0,43

–

3250

Материал

объемного

линейного

Циркон ZrO2·SiO2

2600

1820

0,16–0,63

Рутил TiO2

1560– 1570

1960

0,25–0,92

39

5,5·10 –

–6

ρ, кг/м3

4570 4200– 4300

Окончание табл. 3.16 Температура плавления, °С

Теплоаккумулирующая способность, Дж/(м2·с1/2·К)

Температурный коэффициент расширения (К−1) в интервале 300–1000°С

Хромомагнезит MgO·Cr2O3

2000– 2100

2100

0,8–0,9

–

3900

Хромит FeO·Cr2O3

1600– 1800

2380

0,7

–

3760– 4280

Магнезит MgCO3

2000– 2800

–

–

13,5·10–6

2900

Оливиниты, дуниты (Mg,Fe)2SiO4

1830– 1750

–

–

–

3200– 3500

Шамот (40% Al2O3, остальное SiO2)

1580– 1750

–

–

Муллит 3Al2O3 ⋅ 2SO2

1810

–

–

Материал

объемного

линейного

ρ, кг/м3

(4,5÷6,0)⋅10–6 3000 –

3030

Поскольку эти материалы по сравнению с кварцем имеют более высокую теплопроводность, длительность контакта жидкого металла с формой при их применении снижается.

3.4.1. Хромит Хромит, или хромистый железняк – природный материал, содержащий хромшпинелиды. Химическая формула основного минерала в хромите FeO·Cr2O3, в котором содержится 68% Cr2O3 и 32% FeО. Однако из-за наличия примесей содержание Cr2O3 в хромите намного меньше. Минимальное содержание Cr2O3 в хромите 36%. К особенно вредной примеси в хромите относится CаСO3, который при нагревании разлагается с выделением CO2, что может вызывать образование газовых дефектов. Поэтому содержание СаО в хромите допускается не более 1,5%, содержание SiO2 – не более 7%, постоянно присутствующих примесей (п.п.п.) – не более 2%. Соотношение Cr2O3:FeО в природном материале находится в пределах 2,7–5,0 (в зависимости от месторождения).

40

Для уменьшения газовыделения (п. п. п.), особенно СО2, рекомендуется перед приготовлением формовочных смесей хромит прокаливать при температуре 900–1000°С. Температура плавления хромита (при содержании Cr2O3 до 40%) не превышает 1800°С, плотность – 3760–4280 кг/м3. Хромит имеет более низкий температурный коэффициент объемного расширения, чем кварц. Хромит применяется для приготовления облицовочных смесей (или паст), при производстве крупных стальных и чугунных отливок. Полагают, что при применении хромита отливки с чистой поверхностью получаются в результате его спекания с последующим закрытием пор при нагреве поверхности формы заливаемым и залитым металлом.

3.4.2. Магнезит Магнезит – горная порода, содержащая минерал МgСО3. Чистый МgСО3 имеет цвет от коричневого до светло-серого, плотность 2900 кг/м3. В горных породах наряду с минералом МgСО3 содержатся соединения кальция, кремния и железа. При переработке магнезитовой породы путем обжига из нее удаляется CO2, а магнезит превращается в оксид магния MgO кристаллизующийся как минерал периклаз. Оксид магния имеет свойства, подобные извести, т. е. поглощает влагу из воздуха и гидратируется. Поэтому его обжигают до спекания при температуре свыше 1400°С с добавками оксидов железа. В результате получают металлургический магнезит, имеющий шоколадно-коричневый цвет и содержащий более 85% MgO – основного жаростойкого компонента. Если обжиг происходит при температуре 800–950°С, образуется обезуглероженный каустический магнезит, обладающий вяжущими свойствами. Чистый MgО имеет огнеупорность 2800°С, а магнезитовые изделия – более 2000°C. Зернистый материал для формовочных смесей получают дроблением отходов и боя магнезитовых изделий. Магнезит рекомендуется применять для приготовления облицовочных смесей или противопригарных красок, при получении отливок из высокомарганцовистых и других высоколегированных сталей.

41

3.4.3. Хромомагнезит Хромомагнезит представляет собой продукт обжига при температуре 1500–1600°С смеси, состоящей из 50–70% хромитовой руды и 30–50% металлургического магнезита. Хромомагнезит содержит 40–58% MgО и 16–27% Cr2O3. Огнеупорность его – не менее 2000°С, плотность – 3900 кг/м3. В отличие от магнезита хромомагнезит хорошо противостоит резким изменениям температуры. В литейном производстве обычно применяются отходы и бой хромомагнезитового кирпича. Хромомагнезит используется для приготовления облицовочных смесей, паст и красок, при получении крупного стального литья из легированных сталей. Для приготовления облицовочных смесей используют размолотый хромомагнезит, имеющий остатки на ситах 1–016–50...60%, а на ситах 01–005 – 40...50%; для паст – остаток на ситах 04–016 – 30...40 %, а на ситах 01–005 и в тазике – 60...70%; для красок – остаток на сите 005–90%, остальное – остатки на ситах 01–0063.

3.4.4. Циркон Циркон – природный минерал, химическая формула ZrO2⋅SiO2. В природных цирконовых песках кроме циркона содержатся и другие минералы: кварц, рутил, дистен, ильменит, оксиды железа. С целью увеличения содержания циркона цирконовые пески обогащают до получения так называемого цирконового (обезжелезенного) концентрата, в котором содержится не менее 65% ZrО2 и не более 0,5% ТiО2, 0,1% Fe2О3, 0,1% Al2О3, 0,15% P2О5. Циркон имеет высокую огнеупорность – не ниже 1600°С (при допустимом содержании примесей), малый температурный коэффициент объемного расширения (0,003), высокие плотность (4600– 4700 кг/м3) и теплопроводность. Он применяется в основном для приготовления противопригарных красок для стального литья, иногда для изготовления форм при литье по выплавляемым моделям и в оболочковые формы.

42

3.4.5. Оливин Оливин представляет собой изоморфную смесь форстерита и фаялита. Химическая формула его MgО·FeО·SiО2 (MgО – 23%, FeO – 42 и SiO2 – 35%). Температура плавления форстерита MgО·SiО2 – 1900°С, фаялита – 2FeO·SiO2 – 1200°С. Температура плавления оливина зависит от соотношения содержания оксидов магния, железа и содержания кварца. Поэтому оливин необходимо применять с минимальным содержанием оксидов железа и не смешивать с кварцевым песком. Нежелательной примесью в оливине является серпентин 3MgO·2SiО2·2Н2О. Горные породы, содержащие свыше 80% оливина, называют оливинитами, а породы, содержащие 60–80% оливина, – дунитами. Оливин применяют для облицовочных формовочных смесей при изготовлении крупных стальных и чугунных отливок, что позволяет получать их с более чистой поверхностью, чем при использовании кварцевого песка. Кроме того, использование оливина, в отличие от кварца, не вызывает заболевания рабочих силикозом.

3.4.6. Дистен-силлиманит Дистен-силлиманит содержит дистен и силлиманит, являющиеся модификациями одного и того же вещества (формула Аl2O3·SiO2), но имеющие различную кристаллическую структуру. Структура дистена не претерпевает изменений при нагреве до 1300°С, а силлиманита – до 1545°С. Плотность дистен-силлиманита 3200–3500 кг/м3. Химический состав дистен-силлиманитового концентрата следующий, %: не менее 57 Аl2O3, не менее 39 SiO2, не более 1,0 TiO2, не более 0,8 Fe2О3, не более 0,2 СаО, не более 0,2 Na2О + К2О, 0,4 MgО и 1– 2 ZrО2. Дистен-силлиманит применяется в противопригарных красках для стального литья.

3.4.7. Шамот Шамот получают путем обжига огнеупорной глины до спекания. Химический состав шамота различный и зависит от соотношения SiO2 и Аl2О3. Чем больше в шамоте содержание Аl2О3, тем выше его

43

огнеупорность. Шамоты бывают кислые (SiО2:А2О3 > 4), нормальные (SiО2:А12О3 = 2...4), глиноземистые (SiО2:Аl2O3 < 2). Чистый Аl2O3 (корунд) имеет температуру плавления (2047±8)°С, а шамот (в зависимости от класса) – 1580–1750°С. Химический состав шамота, %: 30–45 А12О3; 54–70 SiO2; 4–7 ТiO2, Fе2О3, СаО, MgО, K2O, Na2O. Основным преимуществом шамота по сравнению с кварцевым песком является малое тепловое расширение, поэтому на отливах не образуется таких дефектов, как ужимины. Шамот дороже кварцевых песков. Он иногда применяется для изготовления форм многократного использования несложной конфигурации и при формовке по сухому для изготовления средних и крупных стальных и чугунных отливок. В литейных цехах из других алюмосодержащих материалов применяются муллит и корунд. Корунд Аl2О3 – минерал синего цвета (сапфир) плотностью 4000 кг/м3. В технике применяется синтетический корунд, получаемый плавлением боксита или чистых глин, богатых оксидом алюминия. Для ускорения обжига применяют добавки 1–2 % TiO2, который образует с корундом твердый раствор и ускоряет рост кристаллов корунда. Синтетический корунд содержит до 95% Аl2О3 и характеризуется наилучшими свойствами: огнеупорностью, термостойкостью при резких изменениях температуры, химической стойкостью и отсутствием объемных изменений. Чистый Аl2О3 применяется для изготовления форм при литье по выплавляемым моделям и в качестве наполнителя противопригарных красок для стального литья. Муллит 3Аl2О3 · 2SiО2 – высокоогнеупорный материал, получаемый путем сплавления каолина с корундом, применяется для изготовления форм при литье по выплавляемым моделям. В ряде случаев применяют и другие высокоогнеупорные наполнители формовочных смесей и противопригарных красок – рутил ТiО2, графит, шунгит.

44

3.5. Рекомендации по применению свежих формовочных песков С учетом содержания вредных примесей, понижающих огнеупорность и противопригарную способность смесей, рекомендуется применять пески следующих групп: для крупного стального литья – 1К1–2, для среднего и мелкого стального, а также для крупного и среднего чугунного литья – 2К1–3, для среднего и мелкого чугунного литья, а также для всего цветного литья – 3К1–4, для мелкого несложного чугунного и всего цветного литья – 4К1–5. Тощие и жирные пески применяют для изготовления песчаноглинистых формовочных смесей для мелкого литья из чугуна и цветных сплавов. Для стального литья жирные пески не рекомендуются, так как в них содержится большое количество вредных примесей. С учетом зерновой структуры грубые пески группы 063 в литейном производстве не применяются, так как они образуют шероховатую поверхность отливок. Очень крупный и крупный песок групп 04 и 0315 используется при получении чугунных и стальных отливок массой свыше 1000 кг. Средний песок группы 02 рекомендуется для мелкого и среднего литья из чугуна и стали. Мелкий и очень мелкий пески групп 016 и 01 применяются при изготовлении тонкостенных чугунных и стальных отливок, а также отливок из цветных сплавов. Тощий песок группы 0063 применяется при производстве индивидуальных поршневых колец и других тонкостенных отливок. Обогащенные пески с низким содержанием глинистой составляющей (до 1,0%) рекомендуется использовать для изготовления форм и стержней по холодной и горячей оснасткам, из самотвердеющих смесей и прессованием под высоким давлением. Наиболее эффективными методами улучшения качества песков являются: гидравлическая обработка песка при высокотемпературной сушке, гидравлическая обработка с оттиркой и термическая обработка. Термическая обработка песка при высокотемпературной сушке (700– 850оС) в специальных установках с “кипящим слоем” при вихревом потоке горячего газа позволяет снизить способность кварцевого песка к расширению и растрескиванию.

45

Кварцевый песок остается основным формовочным материалом во всех странах, несмотря на наличие месторождений оливинового, хромитового и других материалов. Использование высококачественных классифицированных кварцевых песков имеет техникоэкономические преимущества. В отдельных случаях при индивидуальном и мелкосерийном производстве отливок целесообразна замена кварцевых песков некварцевыми. Так, например, смеси на основе хромитовых песков при литье стали дают возможность устранить механический пригар и улучшить качество поверхности отливок. Загрязнение хромитового песка кварцевым недопустимо из-за образования при высокой температуре жидкой фазы, которая ухудшает противопригарные свойства смеси. Формы для крупных отливок необходимо окрашивать. Эффективная регенерация хромитовой смеси достигается в специальной камере с последующей сушкой, воздушной и магнитной сепарацией. Применение хромита в совокупности с бентонитом для чугунного литья обеспечивает получение чистой поверхности отливок без добавки в смесь каменноугольной пыли.

4. Формовочные глины 46

4.1. Происхождение глин Литейными формовочными глинами называются горные породы, состоящие в основном из тонкодисперсных частиц, водных алюмосиликатов, обладающих связующей способностью и термохимической устойчивостью, достаточной для того, чтобы в определенных условиях образовывать прочные и не пригорающие к отливке формовочные смеси. По своему происхождению глины подразделяются на первичные и вторичные. Первичные – остаточные глины разложения – образовались в результате разложения кристаллических горных пород или выпадения из водных растворов, содержащих глинозем и кремнезем, и остались на месте образования. Вторичные глины образовались путем выпадения из водных растворов и перенесения с места своего образования в районы залегания. Состав глин, образовавшихся в результате разрушения горных пород, зависит от пород и степени кислотности или щелочности, характеризуемой концентрацией водородных ионов (рН). В кислой среде (рН<7) образуются каолинитовые, в щелочной (рН>7) – монтмориллонитовые глины. Формовочные глины являются минеральным связующим в формовочных смесях.

4.2. Минералогический состав формовочных глин Минералогический состав глин определяют с помощью рентгенографического и электронно-микроскопического методов анализа. Глины состоят из одного или нескольких минералов, содержащих Al2O3, зерен кварца и небольшой примеси некоторых других минералов, не содержащих глинозема. По содержанию основных глинистых минералов формовочные глины делятся на каолинитовые, каолинитогидрослюдистые и бентонитовые. К первой группе относятся глины, содержащие в основном минерал каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O, его плотность 2,580–2,600 кг/м3, 47

температура плавления 1750–1787°С. При нагреве каолинит претерпевает превращения: при 100–140°С удаляется гигроскопическая вода, при 400–700°С теряется конституционная (химически связанная) вода и наблюдается эндотермический эффект. Каолинит переходит в метакаолинит (Al2O3·2SiO2), и глина теряет связующую способность. При 900–1050°С метакаолинит распадается на смесь аморфных Al2O3 и SiO2. При 1200–1280°С из свободного глинозема и кремнезема образуется минерал 3Al2O3⋅2SiO2 (муллит), что сопровождается также эндотермическим эффектом. Каолинитовые глины находят широкое применение в литейном производстве и особенно для отливок стальных и чугунных деталей. Каолинитогидрослюдные глины представляют собой промежуточные продукты разложения от слюд к каолиниту. По своему химическому составу и физическому состоянию эти минералы непостоянны. Химический состав слюд К2О⋅3Al2O3⋅6SiO2⋅2H2O с температурой плавления 1150–1400°С. В зависимости от содержания Н2О некоторые слюды относятся к гидрослюдам и очень часто составляют значительный процент (до 30%) каолинитовых глин. Основой бентонитовых глин является минерал монтмориллонит Al2O3⋅4SiO2⋅H2O⋅nH2O. В нем возможна замена некоторой части Al3+ на Mg2+, а Si4+ – на Al3+. Особенностью монтмориллонита является способность расширяться в направлении одной из кристаллографических осей. Эти свойства позволяют проникать ионам Н+ и ОН– внутрь кристаллической решетки, что ведет к увеличению набухания глины. Температура плавления монтмориллонита – 1250–1300°С. Он способен отдавать или поглощать влагу из воздуха. При нагревании до 100–150°С из него удаляется гигроскопическая, а также межслойная вода (Н2О); при 600°С он теряет способность набухать в воде. При температуре 735–900°С происходит разрушение кристаллической решетки монтмориллонита и превращение его в аморфное вещество.

48

В глинах обычно присутствует кварц (SiO2), от нескольких долей до 50%; являясь инертным материалом, он снижает связующую способность, пластичность, усадку и увеличивает газопроницаемость. Кроме того, в глинах присутствуют гидраты оксидов железа, карбонаты в виде кальцита, магнезита, доломита, сидерита, гипса, которые являются вредными примесями.

4.3. Структура глин Структура глинистых минералов имеет сложное слоистое строение. Глинистые минералы состоят из октаэдрических образований в виде пластинок толщиной 5⋅10−10м. Элементом октаэдрического образования является октаэдр, состоящий из атомов кислорода и гидроксилов. Внутри октаэдра расположен атом алюминия или магния (рис. 4.1,а). Элементом тетраэдрического образования является тетраэдр, состоящий из атомов кислорода. Внутри тетраэдра расположены атомы кремния (см. рис. 4.1,б).

Рис. 4.1. Схема кристаллических решеток глинистых минералов: а – октаэдр; б – тетраэдр; в – решетка каолинита; г – решетка монтмориллонита

Кристаллическая решетка минерала каолинита состоит из двух слоев: алюмогидроксильного и кремнекислородного, образующих

49

так называемый “пакет” (см. рис. 4.1,в). Ввиду того, что отдельные пакеты каолиновой глины соприкасаются плоскостями различных атомов (кислорода и гидроксилов), они образуют достаточно прочную, так называемую водородную связь. При увлажнении каолиновой глины такие пакеты плохо расщепляются и слабо диспергируют. Это объясняется тем, что межпакетное расстояние каолиновой глины составляет около 2⋅10−10м, а радиус молекул воды – 1,45⋅10-10м, вследствие чего проникновение в межпакетный зазор и расщепление пакета затруднено. Кристаллическая решетка минерала монтмориллонита состоит из трех слоев: двух кремнекислородных и одного гидроксильного (рис. 4.1,г). Так как отдельные пакеты монтмориллонитовой глины соприкасаются плоскостями с одноименными атомами, связь между ними возникает непрочная (валентная). При увлажнении такой глины молекула воды легко проникает в межпакетный зазор, увеличивая его до 20⋅10−10м. Этим и объясняют высокую диспергирующую и связующую способность монтмориллонитовых глин.

Рис. 4.2. Схема глинистой мицеллы: а – адсорбционный слой; б – диффузный слой; в – сольватная оболочка (двойной электрический слой); 1 – ядро (глинистая частичка); 2 – ионы; 3 – противоионы; 4 – подвижные противоионы

При смешивании глин с водой в глинистых суспензиях образуется коллоидный раствор. В таком растворе вокруг глинистого минерала

50

имеются ионы адсорбированного и диффузионного слоев мицелл (коллоидных частиц) (рис. 4.2), которые могут замещаться ионами другого элемента, имеющего тот же знак заряда. К обменным ионам в глинах относятся ионы К+, Na+, Mg2+, Ca2+. При обмене одних ионов на другие свойства глин изменяются. При замене ионов Са2+ ионами Na+ (при обработке глин содой) связующие свойства глин повышаются. Способность глин к ионному обмену измеряется в миллиэквивалентах на 100 г глины.

4.4. Классификация глин В соответствии с ГОСТ 3226–93 и ГОСТ 28177–89 формовочные глины делятся в зависимости от минералогического состава на каолинитовые, каолинитогидрослюдистые и бентонитовые (табл. 4.1). Таблица 4.1 Минералогический состав формовочных глин Наименование вида глины Каолиновая и каолинитогидрослюдистая Бентонитовая

Основной породообразующий минерал Каолинит и каолинит с гидрослюдой Al2O3⋅2SiO2⋅ 2H2О Монтмориллонит Al2O3⋅4SiO2⋅ H2O⋅ nH2O

Каолинитовые и каолинитогидрослюдистые глины делятся на марки в зависимости от предела прочности во влажном состоянии (табл. 4.2). Бентонитовые глины делятся на три группы по пределу прочности при разрыве в зоне конденсации, а каолинитовые и каолинитогидрослюдистые – по пределу прочности при сжатии в сухом состоянии (табл. 4.3).

Таблица 4.2 Предел прочности при сжатии во влажном состоянии формовочных глин

51

Марки

Предел прочности при сжатии во влажном состоянии, Па (кгс/см2), не менее бентонитовой

каолиновой, каолинитогидрослюдистой

П (прочная)

8,826⋅104 (0,9)

4,903⋅104 (0,5)

С (среднепрочная)

6,865⋅104 (0,7)

3,432⋅104 (0,35)

М (малопрочная)

4

1,961⋅104 (0,2)

4,903⋅10 (0,5)

Таблица 4.3 Предел прочности при разрыве в зоне конденсации бентонитовой и при сжатии в сухом состоянии каолинитовой глин

Группа

Предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги, Па,(кгс/см2), не менее

Группа

каолинитовой и каолинитогидрослюдистой

бентонитовой 1 (высокосвязующая)

0,275⋅104 (0,028)

1 (высокосвязующая)

2 (связующая)

34,323⋅104 (3,5)

2 0,196⋅104 (0,020)

(среднесвязующая)

3 (среднесвязующая)

Предел прочности при сжатии в сухом состоянии, Па,( кгс/см2), не менее

24,516⋅104 (2,5)

3 0,147⋅104 (0,015)

(малосвязующая)

14,710⋅104 (1,5)

По химико-минералогическим показателям глины должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 4.4.

Таблица 4.4

52

Химико-минералогические показатели формовочных глин

Признак классификации

Каолинитовые и каолинитогидрослюдные (ГОСТ 3226–93) Норма высокая средняя

Массовая доля монтмориллонита, % Массовая доля Al2O3, % Потеря массы при прокаливании, %

Бентонитовые (ГОСТ 28177–89)

–

–

Норма низкая –

Cв. 33,0 28,0–33,0 23,0–28,0 14,0–18,0 10,0–14,0

высокая средняя 70,0 –

50,0–70,0 30,0–50,0 –

Не 8,0–12,0 4,0–8,0 более 10 Не более 1,5

низкая

– Менее 4,0

Массовая доля железа в пересчете на Fe2O3, %

3,0–4,5

Коллоидальность, %

Св.20,0 14,0–20,0 8,0–14,0 Св.80,0 40,0–80,0 10,0–40,0

1,5–3,0

–

–

–

Концентрация обменных катионов, Св.25,0 15,0–25,0 7,0–15,0 Св.80,0 50,0–80,0 30,0–50,0 мг⋅экв./100 г сухой глины Массовая доля монтмориллонита, %

–

–

–

Св.70,0 50,0–70,0 30,0–50,0

Массовая доля карбоната в пересчете на СаСО3, %

–

–

–

5,0–10,0 2,0–5,0

Менее 2,0

Массовая доля сульфидной серы, %

–

–

–

0,2–0,3

–

Менее 0,2

Водопоглощение, единиц

–

–

–

Св. 6,6

5,1–6,5

1,5–5,0

Примечание. При суммарном преобладании в обменном комплексе ионов натрия и калия природные бентонитовые глины классифицируют как натриевые (Н), при суммарном преобладании ионов кальция и магния – как кальциевые (К).

Гранулометрический состав глин характеризует их степень дисперсности и наличие в них крупнозернистых включений. О степени дисперсности судят по содержанию глинистой составляющей (т. е. частиц размером меньше 0,02 мм), которая определяется путем отмучивания по ГОСТ 3594.12–93. Массовая доля глинистой составляющей для комовых каолинитовых и каолинитогидрослюдистых глин должна быть не менее 65%, для бентонитовых глин – не менее 75%. Оставшаяся после отмучивания часть глины относится

53

к песчаной фракции, чаще всего состоящей из зерен кварцевого песка. К бентонитам относятся глины с размером частиц менее 0,001 мм из минерала монтмориллонита. По гранулометрическому составу и массовой доле влаги порошкообразные глины должны соответствовать требованиям ГОСТ 28177–89 и ГОСТ 3226–93, указанным в табл. 4.5. Таблица 4.5 Гранулометрический состав формовочных глин Наименование показателя

Норма

Остаток, %, не более, на ситах с размером ячеек, мм: – 0,4,

3,0

– 0,16

10,0

Массовая доля влаги, %

6,0–10,0

По термической устойчивости бентонитовые формовочные глины делятся на три марки: Т1 – высокоустойчивые (0,6 единицы); Т2 – среднеустойчивые (0,3 единицы) и Т3 – низкоустойчивые (не нормируются). Настоящие стандарты распространяются на комовые и огнеупорные глины. Комовые огнеупорные глины – природные огнеупорные глины, поставляемые карьерной влажностью. Порошкообразные огнеупорные формовочные глины – продукт переработки огнеупорных глин методом сушки и тонкого измельчения. Примеры обозначения марок формовочных глин: бентонитовых П2Т3 – глина формовочная бентонитовая прочная по пределу прочности при сжатии, связующая по пределу прочности при разрыве и низкоустойчивая по термической устойчивости. Условное обозначение глины включает в себя обозначение ГОСТа, а также буквенный индекс: А – для порошкообразных активированных глин; Н – для натриевых природных глин; К – для кальциевых природных глин, например, П2Т3А ГОСТ 28177–89.

54

Обозначение марок каолинитовых и каолинитогидрослюдистых глин: П3 ГОСТ 3226–93 – глина формовочная огнеупорная прочная по пределу прочности при сжатии во влажном состоянии и малосвязующая по пределу прочности при сжатии в сухом состоянии.

4.5. Свойства формовочных глин Влажность. Вода, содержащаяся в глинах, разделяется на входящую в состав минералов (химически связанная) и не входящую в них (адсорбированная и капиллярная). Влажность формовочных глин определяется по ГОСТ 3594.11–93. Навеску глины массой 20 г сушат в сушильном шкафу при температуре 105–110°С до постоянной массы, затем охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Массовую долю влаги х в процентах вычисляют по формуле Х=

m − m1 ⋅ 100, m

где m и m1 – масса навески глины до высушивания и после высушивания, г. Зерновой состав глин характеризует их степень дисперсности и наличие в них крупнодисперсных включений. Дисперсность глин оказывает существенное влияние на их прочностные свойства. Гранулометрический состав глин определяют по ГОСТ 3594.12–93. О степени дисперсности судят по содержанию глинистой составляющей, т. е. частиц размером менее 0,02 мм. Для большинства глин содержание глинистой составляющей находится в пределах 75–99%. Связующая способность – важнейшее свойство, характеризующее качество глин. С ее повышением уменьшается количество глины, вводимой в состав формовочной смеси, повышаются газопроницаемость и огнеупорность смеси и в большинстве случаев снижается влажность, что уменьшает прилипаемость смеси и улучшает ее формуемость. Однако при изготовлении форм по-сырому глина должна обладать умеренной прочностью в сухом состоянии, так как в противном случае затрудняется выбивка и подготовка отработанной смеси.

55

Связующая способность определяется по пределу прочности образцов во влажном и высушенном состоянии. Сушка образцов проводится при t = 150–180°С в течение 1,5 ч. Прочность во влажном состоянии наиболее существенно зависит от минералогического состава глин, дисперсности глинистых частиц, емкости и состава обменного комплекса. В сырых формовочных смесях находятся свободные молекулы воды. Чем больше слоев этих молекул, тем меньше связь между составляющими компонентами и тем меньше прочность смеси во влажном состоянии. В связи с этим при приготовлении смесей для сырых форм важным является оптимальное соотношение между глиной и водой, которое различно для глин различной минералогической природы и гранулометрического состава. Это соотношение для каждой новой партии глин определяется опытным путем. Предел прочности при сжатии во влажном состоянии определяется на стандартных образцах высоты 50 и диаметром 50 мм по ГОСТ 3594.7–93. Прочность при сжатии в сухом состоянии является основной характеристикой песчано-глинистых смесей, применяемых для изготовления сухих форм. Для получения максимальной прочности смесей в сухом состоянии требуется большее содержание воды чем в сыром. Это обусловлено необходимостью более равномерного распределения глинистой оболочки по поверхности зерен наполнителя. В процессе сушки удаляется сначала капиллярная вода, а, затем адсорбированная. При сушке форм происходит усадка смеси, которая может приводить к образованию макро- и микротрещин и снижению прочности смеси в высушенном состоянии. В связи с этим для получения максимальной прочности сухих форм необходимо правильно устанавливать режимы сушки для каждой смеси с учетом габаритов опок и стержней. Предел прочности при сжатии в сухом состоянии определяется на стандартных образцах высотой 50 и диаметром 50 мм по ГОСТ 3594.6–93. Для оценки связующей способности бентонитовых глин определяют предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги по ГОСТ 28177–89.

56

Метод основан на определении сопротивления образца разрыву при одностороннем поверхностном нагревании. Коллоидальность характеризует глины с точки зрения образования устойчивой водно-глинистой суспензии, влияет на распределение глинистой составляющей в формовочной смеси и тем самым на прочность и пластичность формовочных смесей. Коллоидальность в процентах определяется по ГОСТ 3594.10–93 отношением объема осадка к общему объему водно-глинистой суспензии (%) после отстаивания ее в течение 24 ч. Для испытания в пробирку высотой около 150 мм насыпают 0,5 г воздушно-сухой и размолотой глины и доливают 15 мл дистиллированной воды. После этого содержимое тщательно взбалтывают и добавляют 0,1 г MgO, снова взбалтывают в течение 1 мин и оставляют в покое на 24 ч, после чего замеряют объем образовавшегося осадка. Состав обменных катионов определяется по ГОСТ 3594.2–93, ГОСТ 3594.3–93 специальными методами химического анализа и выражается в мг⋅экв. на 100 г глины. К числу обменных катионов относятся К+, Na+, Mg++, Ca++. Чем выше сумма обменных катионов в глине, тем выше ее качество. При обмене одних катионов на другие меняются свойства глины. Например, при обработке кальциевого бентонита содой происходит замещение катионов Ca++ катионами Na+ и бентонит из кальциевого становится натриевым. Водопоглощение бентонитов характеризует способность глины поглощать влагу, зависит от строения кристаллической решетки глины и количества примесей. По водопоглощению можно ориентировочно определить вид глины. Водопоглощение оказывает некоторое влияние на изменение размеров отпечатка форм, изготавливаемых по-сухому, и на характеристики водно-глинистых суспензий. Коэффициент водопоглощения определяется по ГОСТ 28177–89. Метод основан на определении показателя влагоемкости глины, соответствующего переходу системы “глина–вода” из пастообразного состояния в состояние суспензии. Навеску глины массой 5 г помещают в стакан, добавляют 5 см3 дистиллированной воды и тщательно перемешивают глинистую 57

массу с помощью стеклянной палочки до однородного состояния. Добавляют дистиллированную воду до тех пор, пока мениск не приобретет подвижное состояние. Воду добавляют порциями от 0,5 до 2,5 см3. Порции уменьшают по мере добавления воды. Коэффициент водопоглощения воды (k) вычисляют по формуле k =

m1 , m

где m1 – масса дистиллированной воды, требуемой для перехода системы “глина – вода” в состояние суспензии, г; m – масса навески глины, г. Концентрация водородных ионов (рН) влияет на прочностные свойства формовочных материалов. Наблюдается, что с повышением рН прочность формовочной смеси в горячем состоянии возрастает. Простейший анализ по определению рН позволяет очень быстро узнать, из какого места разработки получена данная партия глины, рН определяется на приборе по ГОСТ 3594.5–77. Навеску глины массой в 8–10 г помещают в стаканчик и приливают 80–100 мл дистиллированной воды. После взбалтывания в течение 10 мин в стаканчик с раствором опускают электроды прибора и определяют рН по шкале. Термическая устойчивость бентонитовых глин основана на определении прочности при сжатии во влажном состоянии после нагрева глины и выдержки ее в течение 1 ч при температуре 550°С. После охлаждения глины в эксикаторе готовят смеси из исходной и прокаленной глины. Затем определяют предел прочности при сжатии для исходной и прокаленной глины. Термическую устойчивость определяют по формуле Т=

σ1 , σ2

58

где σ1 – предел прочности при сжатии во влажном состоянии по результатам испытания прокаленной глины, Па (кгс/см2); σ2 – предел прочности при сжатии во влажном состоянии по результатам испытания исходной глины, Па (кгс/см2). Термическая устойчивость глин определяется по ГОСТ 28177–89.

4.6. Применение формовочных глин Формовочные глины выбирают для приготовления смеси в зависимости от способа формовки, вида заливаемого сплава, образования на отливках наименьшего пригара. Чем выше температура заливки, толщина стенки и масса отливки, тем более огнеупорную и высокопрочную глину необходимо применять. Так, для формовки по сухому стальных и чугунных отливок применяют глины 1-й и 2-й групп по прочности в сухом состоянии, групп Т1–Т3; при формовке посырому – групп Т1 и Т2, а для толстостенных отливок (>70 мм) – глину группы Т1. В массовом производстве при формовке по-сырому бентонитовые глины используют чаще, чем другие виды глин. При этом наилучших результатов достигают при применении бентонитовых глин, активированных содой. При чугунном литье желательно использовать кальциевые монтмориллонитовые глины, а при стальном – натриевые. Рекомендации по применению глин представлены в табл. 4.6. Таблица 4.6 Применение формовочных глин Материал заливки

Характеристика отливки по преобладающей толщине стенки, мм

Метод формовки

Рекомендуемая марка глины

Чугун

10–15

Сырая

(П, С, М) (1–3)Т1

То же

Более 50

То же

(П, С) (1–3) (Т1–Т3)

Сталь

8–20

–>>–

(П, С, М) (1–3) Т1

То же

20–70

–>>–

(П, С) (1–3) (Т1–Т3)

–>>–

Более 70

–>>–

П (1–3) Т1

Сталь

8

Сухая

(П, С, М) (1–3)Т1

Чугун

59

5. Связующие материалы для формовочных и стержневых смесей Во многих случаях, особенно при изготовлении стержневых смесей, формовочная глина не обеспечивает получение надлежащей прочности стержней, поэтому в смеси вводят связующие добавки, обладающие более высоким значением удельной прочности. Такие добавки называют связующими материалами или крепителями. Существует большое количество связующих материалов, которые в большинстве случаев являются побочными продуктами или отходами при различных видах производства.

5.1. Основные требования, предъявляемые к связующим материалам Специальные связующие материалы (добавки) вводят в формовочные и стержневые смеси в количествах, обеспечивающих необходимые качества форм и стержней. К любому связующему материалу в зависимости от условий его применения предъявляются соответствующие требования. Связующие вещества должны обладать следующими свойствами: − равномерно распределяться по поверхности формовочных материалов в течение определенного времени, что обеспечивает постоянство свойств смеси; − предотвращать прилипаемость смеси к модели или стержневому ящику, так как прилипаемость затрудняет изготовление форм и стержней и снижает производительность труда; − придавать смеси текучесть, необходимую для выполнения всех контуров детали, что особенно важно, если эти контуры имеют сложную конфигурацию; − обеспечивать достаточную поверхностную и общую прочность как в сыром, так и в сухом состоянии; − обеспечивать быстрое высыхание форм и стержня при сушке и не обладать гигроскопичностью при хранении и сборке форм;

60

− не выделять много газов при сушке и заливке, так как излишняя газотворная способность смеси способствует образованию газовых раковин в отливках; − обеспечивать податливость формы или стержня, которая необходима ввиду усадки металла при остывании; − не снижать огнеупорность формовочных и стержневых смесей и не увеличивать их пригораемость, что особенно важно при отливке стальных деталей; − обеспечивать легкое удаление стержней из отливок; − связующий материал должен быть дешев, недефицитен и безвреден для окружающих.

5.2. Физико-химические свойства связующих материалов Связующие материалы предназначены для соединения песчинок смеси между собой. На песчинки связующие наносятся в жидком виде и затем затвердевают при сушке, соединяя песчинки. В литейном производстве в качестве связующего применяют вещества жидкие при комнатной температуре, переходящие в жидкое состояние при растворении их в соответствующих растворителях (таких, как вода, ацетон и т. д.), расплавляющиеся и приобретающие свойства жидкости при нагреве (бакелит, формальдегид и т. д.). Таким образом, процесс связывания частиц формовочной смеси можно рассматривать как скрепление твердых тел жидким веществом при определенных условиях. Прочность связывания зависит от сил когезии и сил адгезии. Адгезия (прилипание) – слипание разнородных твердых или жидких тел (фаз) в результате межмолекулярного взаимодействия при соприкосновении их поверхностями. Адгезию широко используют в технике для склеивания, сварки, и пайки. В некоторых случаях адгезия вредна (например, прилипание стержня или формы к оснастке). Для устранения адгезии применяют разделительные покрытия. Адгезия измеряется работой, затрачиваемой на разъединение частиц разнородных фаз на границе раздела.

61

Когезия (от латинского “связанный”) – сцепление, притяжение между частицами одного и того же твердого тела или жидкости, приводящее к объединению этих частиц в единое тело. Причиной когезии является межмолекулярное взаимодействие. Работа, затрачиваемая на преодоление сил сцепления между частицами внутри фазы, называется работой когезии. Работа адгезии Аадг. определяется из соотношения (рис. 5.1) Аадг. = σ12 + σ13 – σ23,

(5.1)

где σ12 и σ13 – поверхностное натяжение на границе “фаза–газ”; σ23 – поверхностное натяжение между фазами (твердой и жидкой). Приведенным уравнением удобно пользоваться в случае, если конденсированные фазы являются жидкостями. Если одна из конденсированных фаз является твердым телом, то формула (5.1) теряет практическое применение, так как поверхностное натяжение твердых тел в настоящее время не может быть непосредственно измерено.

Рис. 5.1. Схема адгезии двух разнородных тел (а) и когезии двух однородных тел (б): 1 – газ; 2 – жидкость; 3 – твердое тело; σij – поверхностное натяжение на границе двух фаз

Однако если конденсированная фаза является жидкостью, то формулу можно изменить и привести к виду, удобному для практического применения. Поместим каплю жидкости на твердую подложку. Капля примет определенную форму, которая будет отличаться от шарообразной (рис. 5.2).

62

Рис. 5.2. Зависимость формы капли жидкости от угла смачивания θ: а – θ = 90°; б – θ < 90°; в – θ > 90°

Условие равновесия спокойно лежащей капли при отсутствии внешних полей σ 13 – σ 23 = σ12 cos θ. После подстановки этого условия в формулу (5.1) получаем Аадг = σ12 (1 + cos θ),

(5.2)

где θ – краевой угол смачивания твердого тела жидкостью. Величина cos θ называется смачиваемостью и находится экспериментально. Знак cos θ определяется знаком разности σ13 – σ23. Если разность положительна, то 0° ≤ θ ≤ 90° и 1 > cos θ > 0. Это соответствует условию смачивания поверхности твердого тела жидкостью. Если разность отрицательна, то смачиваемости не наблюдается и 90° ≤ θ ≤ 180°. Величина адгезии зависит от строения молекул. Высокая адгезионная способность двух фаз будет тогда, когда в состав молекул входят родственные группы – полярные и неполярные. Высокую адгезию к воде имеют группы углеводородов СООН и ОН и низкую – группы с цепочкой СН2. По этой причине не рекомендуется применять одновременно растворимые и не растворимые в воде связующие. Вода, обладающая большой адгезионной способностью к кварцу, вытесняет масла с поверхности песчинки, и они располагаются на поверхности воды в виде тонкой пленки или в виде мелких капель. Это понижает прочность смеси. При затвердевании жидкой пленки происходит сокращение объема под действием развивающихся в пленках усадочных напряжений. 63

Свободно высыхающие верхние слои, уменьшаясь, тянут за собой нижние слои, связанные с подкладкой. При этом пленка может разрываться в виде мелких трещин. Усадка нарушает связи пленки с подкладкой. Если пленка хрупкая, а связь между пленкой и подкладкой превышает прочность хрупкой пленки, то последняя растрескивается и затем осыпается. Хрупкие пленки образуют органические высыхающие связующие, а смеси на их основе имеют низкую поверхностную прочность и высокую осыпаемость. При высыхании пленки молекулы органических веществ располагаются длинными цепями параллельно подкладке. Наиболее прочные пленки образуются, если в них возникают пространственные трехмерные сетки. Связующие, которые вызывают образование прочной пленки, делятся на три группы: 1) затвердевающие после расплавления (канифоль, битум и т. д.); 2) твердеющие при испарении растворителя, например, глина, патока; 3) твердеющие в результате полимеризации полимера (льняное масло, олифа, смолы). Связующие третьей группы обеспечивают наибольшую прочность. Они дают эластичную и прочную пленку, которая не трескается, не окисляется и не отслаивается от песчинок. К этой группе относятся все масла и смолы. Они являются жидкостями, и поэтому стержневые смеси на их основе обладают низкой прочностью во влажном состоянии. Связующие второй группы дают прочность ниже, но отличаются повышенной вязкостью: в качестве растворителя главным образом используется вода. В сочетании с глиной они обеспечивают получение стержневых смесей заданной прочности во влажном состоянии. Связующие первой группы (канифоль, битум) самостоятельно не используются, а входят в состав сложных связующих.

64

5.3. Классификация связующих материалов Классификация связующих материалов (табл. 5.1) разработана профессором А. М. Ляссом (ЦНИИТМАШ). Таблица 5.1 Классификация связующих материалов Группа Удельная Класс А Класс Б Класс В матери- прочность σуд алов Харак- Наимено- Харак- Наимено- Харак- Наименокг/см2 МПа вание святер вание святер вание святер 1% 1% затвер- зующих затвер- зующих затвер- зующих девания материалов девания материалов девания материалов

<3

В-1 Жидкое стекло

А-3 Древесный пек, БТК, канифоль

Б-2 СП, СБ, КТ, КВ, КВС

В-2 Необратимый

А-2 4ГУ (п), ГТФ, ЗИЛ, СЛК, БК, ДП

Необратимый

Б-1 МФ-17, М, МСБ, СМ-1, НАК

Декстрин, пектиновый клей Б-3 Патока, сульфитноспиртовая барда

В-3 Цемент, гипс, Обратимый

<3

3-5

Обратимый

III

3-5

Промежуточный

II

А-1 Льняное масло, олифа, П,ПТ,ПТА, СПТ,КО, пульвербакелит ПС-1, 4ГУ (в)

Промежуточный

>5

Обратимый

>5

Необратимый

I

глины формовочные

В основе классификации связующих материалов, используемых в литейном производстве, лежат два основных признака: а) природа материала (органический, неорганический, водные и неводные); 65

б) характер затвердевания (необратимый, промежуточный, обратимый). Органические материалы не выдерживают высоких температур заливаемого металла и разлагаются, что приводит к облегчению выбивки. Неорганические связующие, напротив, хорошо выдерживают воздействие высоких температур. Они используются для приготовления облицовочных формовочных смесей, а в стержневые смеси добавляются для увеличения сырой прочности. По отношению к воде связующие делятся на водные и неводные. К неводным относятся такие материалы, которые не растворяются в воде и не смачиваются ею, к водным – растворимые в воде. Органические неводные связующие – это растительные масла и масла на основе переработки продуктов нефти. Они обеспечивают наиболее высокую прочность стержней после сушки. Водные и неводные связующие не смешиваются между собой. Их смешивание почти всегда понижает прочность смесей как во влажном, так и в сухом состоянии. Необратимо затвердевающие связующие претерпевают сложные химические изменения при нагреве, вызывающие образование прочной пленки. После охлаждения они не восстанавливают свои первоначальные свойства. В основе их затвердевания лежат процессы полимеризации вещества. Обратимо затвердевающие материалы восстанавливают свои первоначальные свойства после охлаждения (битумы, пеки, канифоль) или при действии растворителя (декстрин, пектиновый клей, барда сульфидного щелока). К группе с промежуточным характером затвердевания относятся связующие, в состав которых входят вещества с обратимым и необратимым характером затвердевания. Необратимо затвердевающие связующие обеспечивают наибольшую прочность сухих стержней >0,5 МПа/1% (> 5 кг/см2/1%), связующие с промежуточным характером затвердевания дают прочность 0,3– 0,5 МПа/1% (3–5 кг/см2/1%), обратимо затвердевающие связующие дают наименьшую прочность до 0,3 МПа/1% (3 кг/см2/1%) .

66

В соответствии с этим связующие разделяются на три группы по удельной прочности на разрыв в сухом состоянии. Удельной прочностью связующего называется прочность, полученная при испытании сухого стандартного образца из смеси с оптимальным содержанием связующих, отнесенная к процентному содержанию связующего в смеси. К классам А и Б относятся органические связующие: А – неводные, Б – водные. К классу В относятся неорганические водные связующие. Связующие класса А проявляют свои связующие свойства, не требуя добавки воды, и не растворяются в ней. Такими материалами являются масла, битумы, канифоль и др. В класс Б входят материалы, способные растворяться в воде, а после ее испарения связывать зерна песка. Такими материалами являются лигносульфонаты технические (ЛСТ), декстрин, патока и др. Класс В содержит жидкое стекло, фосфаты, алюминаты, глину, цемент, гипс и другие неорганические материалы.

5.4. Масла Масла относятся к органическим неводным связующим класса А-1. Первыми органическими связующими, применяемыми для приготовления стержневых смесей, были растительные масла. Их получают из семян льна, конопли, хлопчатника и др. В их состав входят жирные кислоты или сложные эфиры кислот глицеринаглицеридов. Упрочнение смесей с растительными маслами происходит при тепловой сушке в результате полимеризации содержащихся в них жирных кислот. Способность масла к высыханию (затвердеванию) определяют по йодному числу – количеству йода (в г), которое поглощается 100 г масла. Если йодное число больше 150, такое масло называется высыхающим (льняное, конопляное и др.), если йодное число равно 150–100 – полувысыхающим (подсолнечное, хлопковое, кукурузное и др.), а если йодное число < 100 – слабовысыхащим (оливковое, касторовое и др.). В литейном производстве применяют в основном льняное и конопляное масла (ГОСТ 5791–81). Оптимальная добавка масла в стерж-

67

невую смесь – 1,5%, температура сушки – 200–250°С. Стержни с добавкой растительного масла имеют высокую прочность 0,7–1,0 МПа (7–10 кг/см2), хорошую податливость, легкую выбиваемость, негигроскопичны. Однако в сыром состоянии стержни с добавкой растительного масла имеют низкую прочность 3–6 кПа (0,03–0,06 кг/см2). Для увеличения прочности смесей в сыром состоянии в нее вводят глину (до 3%). Однако из-за большой удельной поверхности глина поглощает масло и увеличивает его расход. Поэтому для стержневых смесей с добавкой растительного масла применяют только кварцевые пески с содержанием глины до 2%. Поскольку растительные масла являются в большинстве пищевыми продуктами, в настоящее время они практически не применяются. Заменителями растительных масел являются натуральная олифа, олифа оксоль, связующее 4ГУ и др. (табл. 5.2). Таблица 5.2 Характеристика масляных связующих Масло Растительное Льняное Олифа натуральная Олифа оксоль 4ГУ (в) 4ГУ (п) ОХМ Нефтяное П ПТ ПТА КО УСК Сланцевое ГТФ ПС

Содержание масла в смеси, %

Плотность ρ, кг/м3

Прочность при растяжении, МПа, (кг/см2), не менее

1,5 1,5 2,0 2,0 2,0 3,0

932 930–938 930 920 940 960–970

0,9 (9,0) 0,8 (8,0) 0,5 (5,0) 0,65 (6,5) 0,45 (4,5) 0,22 (2,2)

2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

820–880 860–900 820–850 840–870 850–920

0,8 (8,0) 0,1 (1,0) 1,2 (12,0) 0,8 (8,0) 0,8 (8,0)

1,95 3–4

1010–1030 920

0,56 (5,6) 1,8 (18,0)

68

Натуральная олифа представляет собой льняное или конопляное масло, обработанное при 250°С без доступа воздуха в присутствии сиккативов. Сиккативы (соли жирных, смоляных и нафтеновых кислот) – вещества, хорошо растворимые в растительных маслах и служащие катализаторами для быстрого их высыхания. Олифа оксоль представляет собой продукт окисления растительных масел (55%) с последующим введением сиккативов и растворением в уайт-спирите (45%). Уайт-спирит – фракция перегонки нефти (особо чистый керосин, возгоняющийся при 140–200оС, имеющий плотность 770 кг/м3). Связующие 4ГУ (п) и 4ГУ (в) – это раствор сплава (50%) полувысыхающих и высыхающих масел (соответственно, индекс “п” или “в”) с канифолью (3%) или нефтеполимерной смолой в уайт-спирите (47%). Указанные связующие вводятся обычно в смесь в количестве 1,5–2%. Связующее ОХМ – это обработанное хлопковое масло плотностью 960–970 кг/м3. В 50–60-е годы был разработан ряд связующих на основе продуктов переработки нефти, сланцев и других веществ, которые почти полностью заменили масла. П – раствор окисленного петролатума (побочный продукт при изготовлении смазочных масел из нефти) в уайт-спирите в соотношении 1:1. Плотность 820–880 кг/м3. ПТ – раствор в уайт-спирите окисленного петролатума и таллового масла (до 30%) – побочного продукта при получении целлюлозы. ПТА – раствор в уайт-спирите окисленного петролатума, обработанного аммиаком, и таллового масла. ГТФ – продукт термической переработки эстонских сланцев (генераторная тяжелая фракция). ПС – связующее из 60% П и 40% ГТФ. СЛК – 50% ГТФ и 50% лака-энтиноля. КО – раствор кубовых остатков (от производства синтетических жирных кислот) в уайт-спирите.

69

УСК – раствор кубовых остатков продуктов переработки нефти (30–35%) в органическом растворителе (40–50%) с адгезионной присадкой (0,1–15%). Для снижения температуры его застывания вводят до 15% асфальтовых смолистых веществ. Все масляные связующие являются жидкостями, хорошо смешиваются с песком, позволяют достичь высокой прочности формовочной смеси после сушки, негигроскопичны, смесь к оснастке не прилипает, имеет хорошую выбиваемость. Недостатками масляных связующих являются необходимость длительной сушки, малая термостойкость, низкая прочность в сыром состоянии. Масляные связующие применяют для изготовления стержней 1-го и 2-го классов сложности.

5.5. Полисахариды Полисахариды – высокомолекулярные сложные углеводы. Они являются побочными продуктами производства переработки сахаросодержащих веществ. Упрочнение форм и стержней с такими связующими происходит при тепловой сушке в результате испарения влаги и полимеризации сахаров. При этом из-за диффузии водного раствора связующего и испарения влаги с поверхности формы поверхностные слои ее обогащаются связующим, в результате чего прочность поверхности повышается, а прочность глубинных слоев понижается. К связующим этого класса (класс Б-2, Б-3) относятся мелясса, пектиновый клей, декстрин, крахмалит, гидрол и др. Мелясса (патока) – продукт переработки сахарной свеклы или тростника. Связующие свойства меляссы зависят от содержания в ней сахарозы, глюкозы, фруктозы. Обычно в меляссе содержится 45–50% сахаров. В процессе сушки стержней (при нагреве) мелясса разжижается и обволакивает песчинки. Затем стержни остывают и приобретают необходимою прочность. Однако из-за разжижения меляссы при сушке стержни непрочны, могут дать осадку, поэтому в смесь вводят до 6% глины. Мелясса вводится в смесь в количестве до 2%.

70

Прочность смеси, содержащей 2% меляссы и 6% глины, после сушки при 160–180°С составляет не менее 0,3 МПа (3 кг/cм2). Пектиновый клей – отходы переработки жома плодов и овощей, обработанные кислотами. Прочность смеси при содержании 2,5% пектинового клея после сушки при 160–180°С составляет не менее 1 МПа (10 кг/см2). Декстрин – продукт неполного гидролиза картофельного или кукурузного крахмала (при 120–150°С) разбавленными минеральными кислотами. Крахмал (С6Н10О5)n имеет большую молекулярную массу и не растворим в воде. При нагреве его молекулы расщепляются, и образующийся декстрин становится растворимым. Декстрин поставляется в виде порошка желтого и палевого цвета. Вводится в смесь в количестве 0,5–1,5%. Прочность смеси при содержании 1,25% декстрина после сушки при температуре 160–180°С не менее 0,5 МПа (5,0 кг/см2). Крахмалит – связующее, полученное путем специальной обработки крахмала, вводится в смеси в небольшом количестве (0,015– 0,1%) для автоматических линий формовки. Гидрол – продукт переработки кукурузы на глюкозу. Его свойства подобны свойствам меляссы. ВНИИЛИТМАШем разработано высокопрочное углеводное связующее ЭКР, которое обеспечивает прочностные свойства при формовке по-сырому 0,10–0,28 МПа (1,2–2,8 кг/см2) при влажности менее 3,5%. Недостатками всех водорастворимых органических связующих являются необходимость тепловой сушки и повышенная гигроскопичность. Поэтому при их длительном хранении снижается прочность стержня. Кроме того, водорастворимые связующие дефицитны. В настоящее время их применение сокращается.

5.6. Лигносульфонаты Лигносульфонаты (ЛСТ) относятся к органическим водным связующим класса Б-2 и Б-3 (см. табл. 5.1).

71

По объему применения в качестве связующих лигносульфонаты занимают в литейном производстве третье место после глины и жидкого стекла. Они применяются в формовочных смесях для формовки по-сырому, по-сухому, для изготовления стержней в нагретой оснастке, в жидкоподвижных и сыпучих ХТС, противопригарных красках, в качестве катализатора для отверждения ХТС и др. Лигносульфонаты являются побочными продуктами при производстве целлюлозы из древесины сульфитным способом. ЛТС являются очень дешевыми и недефицитными органическими связующими, обеспечивающими хорошую выбиваемость форм и стержней. В настоящее время используется менее половины получаемых лигносульфонатов, а большая часть их из-за ограниченного применения выбрасывается в канализацию или сжигается. Масштабы применения ЛТС могут быть значительно расширены. Применение ЛТС в литейном производстве – пример безотходной технологии в промышленности. Согласно ГОСТ 13 183–83 производятся ЛСТ марки А (жидкие, содержат сухих веществ не менее 47%, плотность – не менее 1230 кг/м3) и марки Т (твердые, более 76% сухих веществ); pH 20%-го раствора ЛСТ – не менее 4,4. Твердые ЛСТ, хотя и более удобны для транспортирования, особенно в холодное время года (поставляются в виде глыб по 20 кг в бумажных мешках), однако из-за трудностей, возникающих при хранении (слипание), дозировке и растворении, применяются ограниченно. Для формовки по-сырому и по-сухому и для изготовления стержней в нагретой оснастке наиболее подходящими являются ЛСТ с натриевым основанием, а для ЖСС, отверждаемых CrO3, – ЛСТ с кальциевым основанием. ЛСТ применяются в формовочных смесях в сочетании с глиной и другими связующими. Формовочные смеси только с одним ЛСТ не применяются, так как имеют низкие прочностные свойства (0,1–0,3 МПа), что обусловлено возникновением напряжений и трещин в пленке этого связующего при сушке вследствие значительного уменьшения объема ЛСТ (в 2,7 раза).

72

Для уменьшения напряжений в пленках в ЛСТ следует вводить пластификаторы (мочевину, глицерин) или инертные добавки (глину, маршалит), уменьшающие усадку и напряжение при высыхании. Прочность при растяжении формовочных смесей, содержащих 3% глины и 5% ЛСТ, после сушки при 160–180°С составляет не менее 0,6 МПа, а при добавке еще 5% маршалита – 0,6–0,8 МПа. Такой прочности часто недостаточно, особенно для стержней, поэтому ЛСТ комбинируют с другими связующими, например, при изготовлении стержней в нагретой оснастке применяют ЛСТ в сочетании с фенолоспиртом, карбамидной смолой и другими веществами. Недостатком ЛСТ является невысокая термостойкость (≈380°С), что ограничивает область их применения (используются при мелком и среднем литье). Кроме того, ЛСТ, как и все водорастворимые связующие, имеют повышенную гигроскопичность, что приводит к снижению прочности стержня (формы) при хранении. Однако при вводе гидрофобных добавок (бентон, парафин, жиры) в ЛСТ гигроскопичность их уменьшается. На основе ЛСТ и гидрофобных продуктов переработки нефти и сланцев (петролатума, битума) созданы комбинированные (эмульсионные) связующие, которые позволяют достичь более высокой прочности, чем каждое из них в отдельности. Кроме того, эти связующие негигроскопичны. Наиболее распространены следующие эмульсионные связующие: СП – состоит из 95% ЛСТ и 5% окисленного петролатума; СБ – содержит 80–85% ЛСТ и 15–20% ГТФ. Прочность при растяжении формовочных смесей с 4–5% этих связующих после сушки при 220–240°С составляет 0,5–0,6 МПа (5,0– 6,0 кг/см2).

5.7. Синтетические смолы Синтетические смолы относятся к органическим неводным (А-1) и водным (Б-1) связующим. В последнее время в литейном производстве в качестве связующих распространение получают синтетические смолы. Поскольку синтетические смолы являются дорогостоящими, их применяют более экономно, чем другие связующие (в основном для изготовления стержней в горячей и в холодной оснастке и для изготовления оболочковых форм).

73

Рассмотрим синтетические смолы, применяемые для изготовления стержней в холодной оснастке. ХТС с синтетическими смолами начали применять с 1958 года. Вместо традиционной технологии изготовления стержней, при которой стержни после уплотнения подвергались тепловой сушке, использование ХТС позволило коренным образом изменить технологию изготовления стержней и форм. Сущность технологии заключается в следующем: в смесь вводится жидкая смола (в полимерном состоянии) и отвердитель (кислота), при химическом взаимодействии которых происходит поликонденсация смолы до полного ее затвердевания и, как результат, упрочнения стержня (формы). Применяются также способы упрочнения стержней из ХТС со смолой путем добавки в смесь изоцианатов (отвердителей) и с продувкой ее катализатором (аминами, SO2). ХТС со смолами имеют бόльшие преимущества, чем смеси с другими связующими: высокая прочность при малом (1–2%) расходе связующего, повышенная точность размеров стержней (и, соответственно, отливок); отпадает необходимость в тепловой сушке, не требуется применение сушильных плит, возможно использование оснастки из любых материалов (металлов, древесины, пластмасс), конструкция стержневых ящиков проще, чем нагреваемых, и т. д. Смеси со смолами имеют высокую текучесть и за счет этого легко уплотняются даже кратковременной вибрацией. Стержни негигроскопичны, изза высокой прочности уменьшается или полностью отпадает необходимость в применении каркасов, имеют хорошую податливаемость и выбиваемость. Применение ХТС позволяет механизировать и автоматизировать изготовление стержней, повышает производительность труда и чистоту поверхности отливок, снижает брак и себестоимость отливок. Известно, что смолы – это олигомеры, застабилизированные на какой-то промежуточной стадии полимеризации или поликонденсации (в зависимости от способа получения). Полимеризационные смолы получают в результате полимеризации одного или нескольких исходных веществ – манометров – по схеме nA → An. В литейном производстве применяют в основном конденсационные смолы. Их получают в результате поликонденсации не менее чем двух веществ

74

n(aAa) + n(bBb) ↔ a(AB)n b + (2n – 1)ab, где a и b – функциональные группы исходных веществ A и B; n – число молекул исходных веществ; a(АВ)n b – смола, образовавшаяся в результате поликонденсации; 2n – 1 – число молекул выделившихся побочных продуктов ab. Считают, что при получении (синтезе) смол поликонденсация молекул протекает по стадиям: Ф (жидкая смола), В (желатинообразная) и С (твердая). Все смолы, применяемые в качестве связующих, – это полимеры (или, точнее, олигомеры) промежуточной стадии, между А и В, т. е. процесс их поликонденсации прерван при получении смолы. Процесс поликонденсации смолы возобновляют в ХТС путем ввода в нее отвердителя (катализатора). В табл. 5.3 приведены наиболее широко применяемые смолы для ХТС. Таблица 5.3

Синтетические смолы для ХТС Наименование смолы

Марка смолы

Мочевино-формальдегидные (карбамидные) КФ-Ж, КФ-МТ (ГОСТ 14231–88) Мочевино-формальдегидно-фурановые (карбамидо-фурановые)

БС-40, БС-70, БС-80, КФ-40, КФ-90 Фуритолы: 80, 86, 174

Фенолоформальдегидные (фенольные) Фурило-фенолоформальдегидные

ОФ-1, СФ-3042, СФ-480, СФЖ-30-13, СФЖ-301 ФФ-1СМ, ФФ-1ФМ, ФФ-1Ф

Мочевино-фенолоформальдегиднофурановые

Фуритолы: 8, 11, 28, 30, 68, 102, 107, 107М, 125, 127КСФ-1

Самыми дешевыми являются мочевино-формальдегидные смолы. Они являются продуктами конденсации мочевины (карбамида) CO(NH2)2 с формальдегидом CH2O, производятся различных марок, отличающихся одна от другой содержанием сухого вещества, степенью конденсации, вязкостью, содержанием свободного формальдегида и др. Недостатком карбамидных смол является низкая термостойкость (220–480°С), вследствие чего стержни и формы имеют большую газотворность, а при разложении они выделяют азот, что 75

может стать причиной газовой пористости в отливках. Эти смолы применяются в основном для получения отливок из цветных металлов и тонкостенного чугунного литья. Содержание азота в смеси для получения чугунных и стальных отливок не должно превышать 0,2%, а для получения отливок из высоколегированных чугунов и сталей – 0,01%. Поэтому для стального литья можно применять мочевиноформальдегидно-фурановые смолы, содержащие не более 1,5% азота. Кроме того, смеси с мочевино-формальдегидными смолами имеют повышенную гигроскопичность. С целью повышения термостойкости мочевино-формальдегидных смол при их синтезе вводят фуриловый спирт С5H6O2. Такие смолы называют карбамидо-фурановыми. Чем больше введено в смолу фурилового спирта, тем выше их термостойкость. Установлено, что для чугунного литья необходимо содержание в смоле не менее 30%, а для стального – не менее 60% фурилового спирта. Из фуриловых смол наибольшее распространение получили мочевиноформальдегидные смолы, содержащие 40–90% фурилового спирта. Термин “фурановая смола” относится к фенолоформальдегидным смолам, модифицированным фуриловым спиртом. Повышенную термостойкость (400–800°С) имеют и фенолоформальдегидные смолы, являющиеся продуктами поликонденсации фенола С6Н5ОН и формальдегида в присутствии различных катализаторов и добавок. Поэтому эти смолы пригодны для стального и чугунного литья. Высокую термостойкость имеют также фурилофенолоформальдегидные смолы – продукты поликонденсации фурилового спирта с фенолоспиртами, стабилизированные фуриловым спиртом (ФФ-1Ф, ФФ-1ФМ) или гидролизным этиловым спиртом (ФФ-1СМ). Эти смолы применяют для ответственного стального литья. Фурило-фенолоформальдегидные смолы – самые дорогостоящие. Весьма перспективны водорастворимые фенолоформальдегидные смолы СФЖ-30-13 и водоэмульсионная смола СФЖ-301, позволяющие вводить в смесь до 3% глины или применять глинистые пески. Глина при этом адсорбирует низкомолекулярные фракции связующего, в результате чего повышается прочность XТC. Применяются и другие виды смол для ХТС: алкидные, эпоксидные, полиэфирные.

76

Алкидные, или глифталевые, смолы получают при поликонденсации глицерина и фталевого ангидрида. Их отверждают полиизоцианатом и амином. При этом образуются полиуретаны, имеющие высокую прочность. Известны также алкидные смолы, модифицированные растительным маслом. Полиэфирные смолы имеют в молекулах несколько групп ОН. В качестве отвердителя этих смол в ХТС вводятся изоцианаты. Смолы отверждают также продувкой аминами. Через 5 мин прочность достигает 0,2 МПа при содержании 0,7% смолы. В результате исследований было показано, что при содержании 0,7% смолы “Систол” и 0,9% изоцианата добавками 0,03–0,07% уротропина и 0,3% воды можно достичь прочности при сжатии 2,5–3,5 МПа. Известны ХТС с поливиниловым спиртом ( ГОСТ 10779–78), который вводится в смесь в виде 7,5–10%-го водного раствора в количестве 4–5% (по отношению к песку). Отверждение происходит при добавке 0,06–0,18% дикарбоновых кислот, например, лимонной. При этом достигается прочность 1,9–2 МПа. Однако ХТС с поливиниловым спиртом (ПВС) имеют повышенную гигроскопичность, и для ее снижения необходимо в смесь добавлять 0,1–0,5% (от сухого ПВС) силана. Смолы холодного отверждения при хранении самопроизвольно полимеризуются. Чем выше степень их полимеризации сверх оптимальной, тем ниже прочность ХТС с такими смолами. Поэтому срок хранения смол ограничивается (2–6 мес.). Кроме того, для минимального расхода смолы необходимо применять песок высокого качества с минимальным содержанием глины и других примесей, которые поглощают часть смолы и снижают адгезию связующего к песчинкам. В последние годы применяется способ отверждения ХТС со смолами продувкой сухим холодным или горячим воздухом. Все смолы, применяемые для ХТС, пригодны для изготовления стержней в нагретой оснастке. Для изготовления стержней в нагретой оснастке применяются и другие смолы (табл. 5.4). Таблица 5.4 Смолы, применяемые для изготовления стержней в горячих ящиках

77

Марка смолы1

Наименование смолы Фенолоформальдегидные

ВР-1, ВРБ, фенолоспирт, ПК-104, СФЖ-30-13, СФ-480, СФЖ-305, СФП-011Л, ТОЛ-2

Мочевино-формальдегидно-фурановые

КФ-90, КФ-40, фуритол-80, 86, 174

Мочевино-формальдегидные

КФ-Ж

Мочевино-фенолоформальдегиднофурановые

Фуритолы:30, 68, 107, 107М, 125, 127

Феноло-мочевино-формальдегидные

ФПР-24, ФМЛ, СФ-411, ФМ, ФКС

Фурило-фенолоформальдегидные

ФФ-1С

Поливиниловый спирт

ПВС 7/1, 7/18, 16/1, 20/1

П р и м е ч а н и е . 1 Температура отверждения стержней со смолами 220–280°С.

Для изготовления оболочковых форм по нагретым моделям (250–350°С) выпускается специальное связующее ПК-104, представляющее собой тонкоизмельченную смесь новолачно-формальдегидной смолы марки 104 и 8% уротропина – гексаметилентетрамина (СН2)6N4. При конденсации фенола и формальдегида в щелочной среде (pH>7) образуются резольные смолы, а при избытке фенола в кислой среде (pH<7) образуются новолачные смолы. Для ускорения процесса отверждения новолачных смол в них добавляют технический уротропин, в результате чего новолачные смолы приобретают свойства резольной смолы – быстро твердеют после расплавления, превращаясь в результате поликонденсации в более высокомолекулярные неплавкие и нерастворимые соединения. Такие смолы, которые при нагреве размягчаются, а при охлаждении вновь затвердевают, называют термореактивными (в отличие от термопластичных смол). Уротропин при нагреве (при отверждении) разлагается на формальдегид, аммиак и другие газообразные продукты. Выделяющийся формальдегид “сшивает” цепи молекул новолака, образуя трехмерную сетчатую структуру, и придает смоле и оболочке необходимую прочность.

78

В последние годы для изготовления стержней в нагретой оснастке в качестве связующего применяется поливиниловый спирт (ПВС), (ГОСТ 10778–83). Марки ПВС обозначаются дробью: в числителе дано среднее значение динамической вязкости 4%-го раствора, а в знаменателе – среднее содержание ацетатных групп (по высшему сорту). ПВС представляет собой продукт щелочного омыления поливинилацетата. Он вводится в смесь в виде 7,5–10%-го водного раствора (0,375–0,5% в пересчете на сухое вещество). При таком малом расходе ПВС позволяет получить высокую прочность стержней. Недостатком ПВС, как и карбамидных смол, является малая термостойкость. Прочность стержней, отвержденных в нагретой оснастке, значительно выше (при разрыве 1,5–10 МПа), чем из ХТС, так как процесс поликонденсации смолы протекает более полно, а продукты поликонденсации смол удаляются из пленок, в результате чего образуется более прочная трехмерная структура. Поскольку при отверждении смол и при их термодеструкции (нагрев в форме металлом) выделяются вредные вещества – формальдегид, фенол, метанол, необходимо вводить в смесь их минимальное количество, иметь надежно работающую вентиляцию, а процесс изготовления стержней полностью автоматизировать. Вместо феноло-формальдегидных смол предлагаются резорциноформальдегидные, поскольку резорцин менее летуч, чем фенол. К водорастворимым органическим связующим относятся: упаренная кислая вода газогенераторных станций, работающих на древесном угле, КВ (необессмоленная), КВС (необесфенольная растворимая смола), оксизан – упаренный концентрат после экстракции древесной смолы при термическом разложении древесины. Эти связующие по прочности получаемых стержней уступают синтетическим смолам. Их применяют для изготовления стержней 3-го и 4-го классов сложности, упрочняемых тепловой сушкой. Прочность стержней при содержании 3% такого связующего после сушки при 160–180°С не менее 0,7 МПа.

5.8. Силикаты

79

Из силикатов в качестве связующих формовочных и стержневых смесей применяют жидкое стекло и цементы.

5.8.1. Жидкое стекло Жидкое стекло является самым распространенным (после глины), дешевым нетоксичным связующим, применяемым для изготовления форм и стержней, особенно в единичном и мелкосерийном производстве. Основным преимуществом жидкостекольных смесей является возможность упрочнения их в контакте с оснасткой при комнатной температуре. Жидкое стекло представляет собой водный раствор щелочных силикатов переменного состава – Na2O⋅nSiO2 или K2O⋅nSiO2. Если жидкое стекло содержит силикаты натрия, оно называется натриевым, а если силикаты калия – калиевым. В литейном производстве в основном применяют натриевое (содовое) жидкое стекло, как более дешевое и менее дефицитное, чем калиевое. Жидкое стекло оценивают по модулю и плотности. Модуль жидкого стекла определяют по формуле M =

%SiO 2 ⋅ 1,032, %Na 2O

где %SiO2 и %Na2O – процентное содержание SiO2 и Na2O в жидком стекле, 1,032 – коэффициент отношения молекулярных масс оксидов натрия и кремнезема. Согласно ГОСТ 13078–81 жидкое стекло (содовое) выпускается с модулем 2,61–3,0, низкомодульное и 3,01–3,5 – высокомодульное, плотностью 1360–1500 кг/м3. В литейном производстве применяют жидкое стекло с модулем 2,0–3,1. Чем выше модуль жидкого стекла, тем выше его степень полимеризации и тем больше скорость твердения. Это часто является причиной малой живучести смесей, приводит к быстрому нарастанию прочности в начальные периоды твердения, но является причиной снижения прочности через более длительный период твердения например через 24 ч. Поэтому модуль жидкого стекла, применяемого для приготовления смесей, снижают добавкой NaOH. Количество

80

щелочи, необходимое для снижения модуля жидкого стекла с M1 до М2, определяют по формуле n=

129,032 ⋅ Na 2O ⋅ ( M 1 − M 2 ) , M 2C

где n – необходимое количество NaOH, г; Na2O – содержание Na2O в исходном жидком стекле, г; С – массовая доля добавляемого водного раствора NaOH, %. Модуль М и плотность ρ жидкого стекла выбирают в зависимости от принятого способа отверждения формовочной смеси (табл. 5.5). Таблица 5.5 Рекомендуемые модули и плотность жидкого стекла в зависимости от способа отверждения смеси Способ отверждения СО2-процесс ЖСС

ПСС

ХТС

Тип отвердения

М

ρ, кг/м3

Углекислый газ

2,0–2.3

1480–1520

Двухкальциевые силикаты (феррохромовый шлак, нефелиновый шлам)

2,7–3,1

≥1360

Двухкальциевые силикаты (феррохромовый шлак, нефелиновый шлам)

2,7–3,1

≥1420

2,4–2,6

≥1480

2,3–2,5

≥1470

Жидкие отвердители – сложные эфиры, комплексный порошкообразный металлофосфат (антипирен из нефелина)

Отверждение форм и стержней с жидким стеклом было впервые осуществлено (50-е годы) продувкой их СО2. Реакция отверждения жидкого стекла по СО2-процессу Na2O ⋅ nSiO2 + CO2 + mH2O → Na2CO3 + nSiO2 + mH2O. Удельный расход СО2 составляет 0,5–1,5 дм3/г жидкого стекла. Количество СО2, необходимое для достижения максимальной прочности смеси,

81

Q со 2 = A( 0,26 – 0,073М), где Q со 2 – количество СО2, % от массы смеси; А – содержание жидкого стекла, % от массы смеси; М – силикатный модуль. Продолжительность продувки смеси, с, τ = К(320 – 90М), где К – коэффициент, зависящий от содержания жидкого стекла (А) и размера зерен наполнителя (для песка 1К3О302 и А = 5–7%, К ≈ 1). В настоящее время отверждение этих смесей, кроме СО2, производится также с помощью порошкообразных (феррохромовый шлак, нефелиновый шлам) и жидких отвердителей (эфиров, альдегидов). Нефелиновый шлам, %: СаО 54–58; SiO2 28–32; Al2O3 2–4; Fe2O3 2–4; (Na2O+К2О) 2–3 – побочный продукт производства глинозема из нефелиновых руд. Феррохромовый шлак – саморассыпающийся шлак ферросплавного производства, содержащий более 70% двухкальциевого силиката. Химический состав, %: СаО 48–54; SiO2 20–30; Al2O3 4–8; MgO 7–12; Сr2O3 2–12; FеО 0,1–2. Антипирен – порошкообразный материал, получаемый при взаимодействии кислых фосфатов с карбамидом и аммиаком типа а[(NH4)2О] ⋅ b(Аl2О3) ⋅ с(Р2О5) ⋅ nН2О. Антипирен в сочетании с феррохромовым шлаком в жидкостекольных смесях снижает трудоемкость выбивки и ускоряет затвердение смеси. Жидкие отвердители сложного типа – прозрачные маловязкие жидкости от бесцветного до желтого цвета, плотностью 1080–1500 кг/м3, с характерным запахом эфира (этилгликоль, глицериндиацетат, глицеринтриацетат, пропиленкарбонат и др.). Существенным недостатком жидкого стекла как связующего является плохая выбиваемость смесей из отливок. Причиной является расплавление силикатов натрия при нагреве формы металлом с последующим спеканием формовочной смеси при охлаждении, что

82

приводит к резкому увеличению остаточной прочности. По этим же причинам жидкостекольные смеси плохо поддаются регенерации.

5.8.2. Цементы Цементы были первыми связующими, примененными в 30-е годы для изготовления форм, отверждаемых на воздухе, т. е. для получения холоднотвердеющих смесей (ХТС). Цемент получают путем обжига при 1300–1450°С до спекания измельченных смесей природных пород известняка и глины или других минералов. Размолотый продукт обжига (клинкер) с небольшим количеством гипса и других добавок называют портландцементом. В настоящее время для приготовления ХТС, а также для изготовления моделей применяется цемент марок 400 и 500. Упрочнение форм основано на гидратации при взаимодействии с водой минералов цемента с образованием кристаллогидратов, которые, срастаясь, создают связи (каркас) между песчинками формовочной смеси. Реакция основной составляющей цемента (алита) с водой следующая: 2(3СаО ⋅ SiO2) + 6H2O → 3CaO ⋅ 2SiO2 ⋅ 3H2O + 3Ca(OH)2. На первой стадии происходит растворение и гидратация компонентов цемента. Образующиеся гидраты выпадают из пересыщенного раствора в виде кристаллов, и процесс их срастания (полимеризации) продолжается до тех пор, пока все связующее затвердеет. Поскольку растворение и гидратация идут медленно, добавляют ускорители твердения. Цементы по сравнению с жидким стеклом позволяют обеспечить лучшую выбиваемость смесей из отливок, так как при нагреве от отливки они дегидратируются и смеси разупрочняются. Для приготовления ХТС необходимо вводить 10–12% цемента и примерно такое же количество воды. Оптимальное водоцементное отношение в формовочной смеси – 0,7–0,8. однако процесс твердения цементов происходит медленно, иногда 2–3 суток. Прочность через 4 ч составляет 0,1–0,15 МПа. Поэтому ХТС с цементом применяют при изготовлении крупных отливок в единичном производстве. Более быстро твердеют глиноземистые цементы марок 400 и 500, содержащие трехкальциевый алюминат, пятикальциевый трехалю-

83

минат 5СаО⋅3Al2О3, однокальциевый алюминат СаО⋅Al2О3 и однокальциевый двухалюминат СаО⋅2Al2O3. Недостатком цементов, как связующих, является снижение активности при длительном хранении вследствие образования гидратных оболочек на их частицах. Например, при применении цемента марки 400 после хранения его 5 мес. длительность твердения смеси увеличивается втрое. Активность верхнего слоя складируемого цемента снижается в несколько раз уже через 15 сут. Поэтому цемент надо хранить в сухом помещении в герметизированной таре. Твердение ХТС ускоряется при совместном вводе глиноземистого цемента (50–60%) и портландцемента (40–50%) в результате химического взаимодействия между отдельными минералами цементов. Более существенное ускорение и повышение прочности достигается при добавке СаСl2, FeCl3, FeSO4 и совместно карбонатов и алюминатов щелочных металлов.

5.9. Фосфаты Производство отливок с применением ХТС со связующими на основе металлофосфатных композиций – фосфорной кислоты и оксидов металлов (или их соединений): Fe, Mg, Al, Al-Cr, Al-Mg и др. – непрерывно растет. При взаимодействии оксидов металлов и фосфорной кислоты образуются кристаллогидраты – однозамещенные соли ортофосфорной кислоты, обладающие связующими свойствами: FeO + 2H3PO4 + H2O → Fe(H2PO4)2 ⋅ 2H2O. Одни из металлофосфатных композиций, например, на основе оксидов железа и магния, твердеют при комнатной температуре, другие композиции, например, на основе оксидов алюминия и хрома – при нагреве. При твердении и сушке фосфатные композиции приобретают полимерные структуры типа MenOn⋅P2O5⋅kH2O, а после прокаливания – MenOn⋅P2O5. Алюмофосфатные связующие твердеют при 350–400°С, а при добавке к ним одного из металлов (Fe, Cr, Mn, Mg, Ca) образуются соединения типа MenOm⋅Al2O3⋅P2O5, которые твердеют при 20–30°С.

84

Из всех металлофосфатных связующих композиций больше других применяют железо- и магнийфосфатные. Для железофосфатных композиций могут применяться различные материалы, содержащие оксиды железа (табл. 5.6). Таблица 5.6 Материалы, применяемые для железофосфатных ХТС Содержание, %

Материал

FeO

Fe2O3

≤8

≤ 92–100

Крокус

10–20

80–90

Трифолин

10–25

75–90

Железорудный концентрат

24–28

57–68

Железооксидный шлам

10–25

75–90

Плавильная пыль (от электродуговых печей, мартенов, вагранок)

6–10

70–90

Пыль после обнаждачивания отливок

6–11

47–76

Порошок магнитный черный

Окалина железная

100

Металлофосфатные связующие композиции применяют для ХТС, для изготовления стержней, упрочняемых тепловой сушкой и в нагретой оснастке, в сочетании с ЭТС для получения оболочек при литье по выплавляемым моделям. Формовочные смеси с металлофосфатными связующими имеют ряд преимуществ по сравнению с другими связующими: высокие прочность и термостойкость, хорошую выбиваемость, нетоксичность и возможность повторно использовать связующие свойства фосфатов. Хорошая выбиваемость железофосфатных смесей связана с превращением термодинамически неустойчивых фосфатов двухвалентного железа, образовавшихся в отвержденной композиции, в фосфаты трехвалентного железа. Этот переход сопровождается резким разупрочнением структуры. Для магнийфосфатных ХТС применяют магнийсодержащие материалы, которые при взаимодействии с Н3РО4 имеют различную ак85

тивность (время затвердевания) – от 1–3 (для каустического магнезита) до 54–80 с (для хромомагнезита). При твердении композиции MgO–H3PO4 выделяется теплота, по количеству которой можно судить о характере твердения. Из других фосфатов в качестве связующих для формовочных смесей и противопригарных красок применяются хорошо растворимые в воде триполифосфат натрия (Na5P3O10)n, полиметафосфат натрия (NaPO3)n, алюмохромфосфат, натрийалюмофосфат и алюможелезофосфат. Для приготовления противопригарных красок применяют также алюмофосфатное связующее Aln(H3-nPO4)3, в котором n = 1...3. Его получают при взаимодействии глиноземистых материалов с H3PO4 при 60–80°С в присутствии катализаторов.

5.10. Алюминаты В Японии разработан способ формовки, при котором используется песок из Al2O3, а в качестве связующего алюминат натрия. Рекомендуется молярное соотношение Na2O/Al2O3 = 1,5...2. Готовую смесь перед формовкой перемешивают в среде СО2 2–2,5 мин. Форма отверждается СО2, при взаимодействии которого со связующим образуются Na2CO3 и Al(OH)3. После охлаждения отливки форма разупрочняется при смачивании водой: Na2CO3 растворяется в ней, а Al(OH)3 отделяется от песка и остается в воде в виде суспензии. Предлагается также схема регенерации такой смеси, когда растворсуспензию пропускают через фильтр, на котором остаются частицы Al(OH)3. Затем раствор подвергают электролизу для получения Na2O и Na2CO3. Из раствора Na2O и Na2CO3 получают вновь алюминат натрия. Отверждение таких смесей можно осуществлять путем добавки алюминиевого порошка. Смесь, содержащая 5% алюмината натрия и отвержденная CO2, имеет прочность при сжатии 1 МПа, а с 4% NaAlO2, алюминиевым порошком (0,7%) – 2 МПа. После выбивки отливок в отработанную формовочную смесь вводится до 5% воды, производится перемешивание и 2–3-кратная промывка, в результате которой песок полностью освобождается от связующего, и после сушки его снова можно применять. Связующее после фильтрации

86

или выпаривания используется вновь, т. е. при этом регенерируется не только песок, но и связующее.

5.11. Этилсиликаты Этилсиликат – прозрачная, слабоокрашенная в желтый или бурый цвет жидкость с запахом эфира. Этилсиликат является продуктом реакции этилового спирта с хлоридом кремния. SiCl4 + 4C2H5OH → (C2H5O)4Si + 4HCl. В литейном производстве применяют этилсиликат (ЭТС) двух марок: ЭТС-32 и ЭТС-40. Цифры указывают среднее содержание SiO2 в этилсиликате. На основе этилсиликата приготовляют связующие растворы для получения оболочек (форм) при литье по выплавляемым моделям и получения керамических форм. Связующий раствор этилсиликата является коллоидным раствором, который переходит в гель кремниевой кислоты, связывающий песчинки. Для получения связующего раствора этилсиликат (ЭТС) подвергают гидролизу (добавляют в воду), при котором этоксильные группы C2H5O замещаются гидроксильными группами ОН, а линейное строение молекул ЭТС превращается в разветвленное и частично сшитое в результате поликонденсации. По мере такого замещения образуются такие продукты гидролиза (гидролизаты), которые больше напоминают кремниевую кислоту, образующую коллоидный раствор-золь.

При полном замещении этоксильных групп реакция протекает по схеме OH OC2H5 Si OH + 4C2H5OH Si OC2H5 + 4H2O OC2H5 OH ОС2Н5

ОН OH 87

nSi

OH OH

n(SiO2 ⋅ 2H2O). Золь

ОН В действительности степень гидролиза всегда меньше 100%, т. е. в состав мицелл входят и этоксильные группы. Гидролиз этилсиликата проводят раствором воды в спирте, ацетоне или эфироальдегидной фракции, поскольку этилсиликат не растворяется в воде, а реакция гидролиза этилсиликата в воде может идти только на поверхности их раздела. Для ускорения гидролиза применяют катализатор – соляную кислоту (0,2–0,4%-й раствор). На прочность оболочки, скорость твердения, склонность ее к трещинообразованию влияют состав раствора, количество воды, вид растворителя и технология гидролиза ЭТС. Практические исследования показали, что применением совмещенного метода гидролиза ЭТС и получением на его основе суспензии с пылевидным наполнителем можно повысить прочность оболочек в 2–2,5 раза. При интенсивном перемешивании связующий раствор можно получить без дополнительного растворителя, что позволяет уменьшить содержание SiO2 в растворе до 10–14% и увеличить прочность оболочки. В последние годы для литья по выплавляемым моделям в качестве связующего применяют также кремнезоли. Кремнезоли-коллоидные дисперсии SiO2 в воде, стабилизированные гидроксидами щелочных металлов (0,25–0,65% NaOH по массе). Из групп кремнийорганических материалов в качестве связующих противопригарных красок применяют лаки КО-925, КО-921, КО-075, которые отличаются более высокой термостойкостью, чем органические полимеры.

6. Вспомогательные материалы Кроме наполнителя и связующего, в состав формовочных и стержневых смесей входят различные добавки, улучшающие их свойства. К вспомогательным составам и материалам относятся припылы, разделительные смазки и полупостоянные покрытия для оснастки, клеи для ремонта и склейки стержней и форм, замазки для заделки дефектов форм, стержней и отливок, прокладочные жгуты (шнуры)

88

для форм, фитили для образования вентиляционных каналов в стержнях, экзотермические смеси для элементов литейных прибылей с целью подогрева металла прибыли, теплоизоляционные материалы и составы, огнеупорные материалы для литейно-металлургического припаса (керамические элементы для литниковых систем, сетки для фильтрования металла, материалы для футеровки разливочных ковшей и т. п.). Кроме того, в составах формовочных и стержневых смесей используются многочисленные добавки для улучшения или достижения специальных свойств.

6.1. Припылы, разделительные смазки В качестве припылов используются тонкодисперсные порошки серебристого графита, талька, ликоподия и др. Графит кристаллический литейный (ГОСТ 5279–74) применяют для покрытия рабочих поверхностей форм и стержней при получении отливок сложной конфигурации с поверхностью повышенного качества; для получения красок, паст и в качестве припылов при получении отливок, не требующих высокого качества поверхности. Тальк порошкообразный и микротальк (ГОСТ 21234–75, ГОСТ 21235–75, марка ТП) – минерал 3Mg⋅4SiO2⋅H2O. Сажа белая (ГОСТ 13797–84). Эбонитовая пыль (ТУ38–105323–76). Ликоподий – порошок из спор растения плауна. Не смачивается водой. В практике применяется искусственный ликоподий КС, представляющий собой мелкоизмельченный мрамор, плакированный стеарином. Припыливание ликоподием рекомендуется проводить из мешочка, нанося его тонким и ровным слоем. Древесный уголь содержит не более 1,5% золы; влажность не выше 5%, объемная масса 0,3–0,4 г/см3. При просеивании через сито 016 остаток должен быть не более 5%. Дисульфид молибдена (порошок МоS2), обладающий высокими антифрикционными свойствами. Позволяет использовать модели без уклона. Для удержания его на вертикальных поверхностях моделей рекомендуется выполнять поверхности слегка шероховатыми.

89

Разделительные смазки уменьшают прилипаемость смеси к оснастке и снижают ее износ. Разовые разделительные покрытия в виде суспензий серебристого графита в углеводородных или нефтяных растворителях обладают высокими антифрикционными свойствами, однако графит загрязняет модельную оснастку, скапливаясь в углублениях и углах моделей, и может служить источником науглероживания отливок и искажения размеров. Лучшие результаты обеспечиваются с помощью смазок, представляющих собой растворы олеиновой кислоты в нефтяных растворителях. Некоторые составы разделительных смазок для оснастки приведены в табл. 6.1. Таблица 6.1 Разделительные смазки для оснастки Компоненты 1. Машинное масло Графит серебристый 2. Связующее КО Осветительный керосин 3. Парафин Дизельное топливо

Содержание компонентов в смазке, мас. доля, % 85–90 10–15 50–75

Формы ПГС по-сырому (для деревянной и металлической оснастки)

25–50 12–25 75–88

4. Смесь мазута с керосином 5. Лигносульфонаты технические

Область применения

Формы и стержни ЖСС (на жидком стекле)

1:1 10–30

Вода

55–85

Сульфонол

5–15 Окончание табл. 6.1

Компоненты 6. Дизельное топливо и керосин Побочный продукт переработки нефти

Содержание компонентов в смазке, мас. доля, % 80–90

10–20

90

Область применения Автоматические линии формовки по-сырому

7. Полиизобутиленовый каучук (М до 30000) Бензин или керосин или уайт-спирит 8. Смазка СКТ-Р

0,1–5,0

ХТС на смолах (стержни, формы), стержни по SO2-процессу

95,0–99,9 3%-й раствор синтетического термостойкого каучука марки СКТ в уайт-спирите

Для нагреваемой (190–250°) оснастки (термостойкость покрытия 300°)

Полупостоянные покрытия защищают оснастку (в основном деревянную) от преждевременного износа и одновременно уменьшают прилипаемость смеси к оснастке. Примеры некоторых покрытий приводятся ниже. 1. Нитроцеллюлозная эмаль НЦ 5123. Широко употребляемое покрытие. Его недостаток – невысокая влагостойкость. 2. Нитроцеллюлозная эмаль НЦ 5123+3÷5% битумного лака. Введение битумного лака частично устраняет недостатки, свойственные эмали НЦ 5123. 3. Покрытие состава, мас. ч.: эпоксидная смола ЭД-5100; дибутилфтолат 10–15; полиэтилен-полиамин 10–20; химически стойкий лак ХСЛ100. Применяется для металлической и деревянной оснастки при изготовлении стержней из ЖСС на жидком стекле и феррохромовом шлаке. Срок службы деревянной оснастки повышается в 2–3 раза. Отпадает необходимость в использовании разовых разделительных смазок. 4. Покрытие состава, мас.доля, %: низкомолекулярный силоксановый каучук 37–41; бензин “калоша” 39–53; этилсиликат-40 8–18; отвердитель – аминосилан АГМ-9 или кубовые остатки его ректификации АБК-2 1,5–2,5. Износостойкость 30000 съемов. Прочность на истирание до 6 МПа.

6.2. Литейные клеи и замазки Клеи предназначены для склеивания стержней. Клей должен обладать хорошей кроющей способностью при нанесении на склеиваемые поверхности, обеспечивать требуемую прочность склеивания,

91

обладать минимальной гигроскопичностью. Некоторые составы клея для склеивания стержней приводятся ниже (в мас. долях, %). – 50, 1. Огнеупорная глина 3 технические лигносульфонаты (ρ = 1,24÷1,25 г/см ) – 50, вода (сверх 100%) 2. Огнеупорная глина декстрин вода (сверх 100%) 3. Пылевидный кварц

– 20, – 60, – 40, – 65, – 50, – 50,

ЛСТ (ρ = 1,3 г/см3) 4. Тальк

– 30÷36, жидкое стекло (модуль 2,8÷3,0); (ρ = 1,49–1,51 г/см ) – 57–62, кальцинированная сода – 2,8÷3,2, 3

асбест

– 1,7÷2,1, – 2,8–2,9.

вода

Замазки применяются для заделки дефектов на поверхности стержней (швов, трещин, сколов) при их окончательной отделке. Замазки должны иметь хорошую пластичность после подсушки, не должны давать трещин и отслаиваться от стержней. При изготовлении форм и стержней из ХТС для заделки дефектов могут использоваться рабочие составы ХТС с предварительным нанесением на поврежденное место слоя смолы или жидкого стекла с применением крепящих шпилек. При изготовлении отливок из чугуна и медных сплавов применяют замазку, состоящую из кварцевого песка (средний размер зерна 0063) – 65%, серебристого графита – 25%, глины каолинитовой – 15%. После перемешивания на 1 кг состава добавляют 0,3 л воды; для повышения пластичности иногда добавляют 0,5% мыльного порошка. При изготовлении стержней для стальных отливок применяют замазку из каолинитовой глины – 40%, пылевидного кварца – 30%,

92

кварцевого песка – 30%. Полученную массу перемешивают с 2% ЛСТ (плотностью 1,3 г/см3) и водой – 13%. При изготовлении стержней для отливок из алюминиевых сплавов применяют замазку из талька – 63–70%, кварцевого песка (средний размер зерна 01) – 36–38%, декстрина – 1–2%; сверх 100% добавляют ЛСТ – 1–2% (плотностью 1,3 г/см3) и воды – 30–40%. Для магниевых отливок в замазки добавляют 3–6% борной кислоты в качестве защитной присадки.

6.3. Прокладочные жгуты и стержневые фитили Прокладочные жгуты служат для уплотнения разъемов при сборке форм, а также знаков стержней и литниковых чаш. Жгуты должны обладать хорошей пластичностью, достаточной прочностью на растяжение (0,004–0,005 МПа) и противостоять воздействию жидкого металла. В литейных цехах применяются прокладочные жгуты следующих составов. 1. Молотый асбест 60-80%, битум нефтяной (БН-П) 10–20%, минеральное масло 10–20%. 2. Молотая глина 50%, битум нефтяной (БН-П) 25%, вода 25%. 3. Молотая глина 10–15%, кварцевый песок 85–90%, вода (сверх 100%) 20–25%. 4. Бентонит 35–40%, тальк 10–12%, жидкое стекло (плотностью 1,34–1,36 г/см3) 48–55%. Расход жгута составляет 2,5–4,0 кг/т годных отливок. Достигаемое снижение массы заливов при применении жгутов составляет 6–12 кг/т годных отливок. С применением жгутов взамен промазки огнеупорной глиной толщина заливов по знаковым частям и ладу формы сокращается на 40–50%; выход годного литья для средних отливок повышается на 1%, для крупных – на 0,3%. Стержневые фитили облегчают газоотвод из стержней в процессе заливки металла.

93

Для стержней, высушиваемых при температуре 220°С и выше применяются жгуты следующего состава: битум № 5 80%, парафин 15%, петролатум 5%. Для стержней, высушиваемых при температуре ниже 220°С: битум № 3 80%, парафин желтый 20%. Для стержней из песчано-смоляных ХТС рекомендуется применять капроновые шнуры, представляющие собой упругую трубку диаметром 7 мм из капроновых моноволокон и хлопчатобумажных нитей, которую размещают в стержне в процессе подачи смеси в стержневой ящик.

6.4. Экзотермические смеси и теплоизоляционные материалы Экзотермические смеси используют для обогрева прибылей с целью повышения эффективности питания отливок, сокращения массы прибыли и повышения выхода годных отливок. Источником выделяющейся теплоты служит реакция окисления алюминия (в виде порошка, стружки или крупки) или кремния (в составе ферросилиция, силикокальция и др.). 2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe + 873,6 Дж. 4Al + 3O3 = 2Al2O3 + 1675,8 Дж. 3Si + 2Fe2O3 = 3SiO2 + 4Fe + 1381,8 Дж. Составы экзотермических смесей включают следующие пять групп компонентов: − окисляемые компоненты (алюминий, ферросилиций, силикокальций и др.); − окислители (железорудные молотые концентраты, железная окалина, концентраты марганцевых и хромитовых руд, натриевая и калиевая селитра и др.); − катализаторы, снижающие температуру воспламенения термитной смеси (фториды щелочных металлов, криолит); − наполнители (кварцевый песок, шамотный порошок и др.); − связующие (огнеупорная глина, жидкое стекло, ЛСТ, декстрин, синтетические смолы и др.).

94

Основные требования, предъявляемые к экзотермическим смесям: низкая температура воспламенения; стабильное горение смеси с небольшой скоростью; отсутствие обильного газовыделения при сгорании смеси; отсутствие пироэффекта; хорошая формуемость и прочность; отсутствие механического пригара и деформаций; применение недефицитных и недорогих материалов. Расход экзотермической смеси на 1 т годных отливок составляет 60–70 кг. Масса прибыли снижается в 2,5–4 раза (по сравнению с необогреваемыми прибылями), выход годных отливок возрастает до 75–80%. Примеры составов экзотермических смесей, в мас. долях, %: − для стальных отливок: алюминиевый порошок 23, оксид железа 12, марганцевая руда 4, криолит 6, огнеупорная глина 10, декстрин 4, шамот порошкообразный 41; − для отливок из серого и высокопрочного чугуна: алюминиевый порошок 15–20, оксид железа 8–16, криолит 2–4, огнеупорная глина 7–10, декстрин 4–6, шамот порошкообразный до 100%, синтетическая смола 4,5–5,5; − для отливок из медных и алюминиевых сплавов: алюминиевомагниевая крупка (3,5–15% MgO) –-18,5, марганцевая руда 40–52, фтористый натрий 0,5–1,5, натриевая селитра 0,5–6,0, огнеупорная глина 4,0–6,5, жидкое стекло 4–6, кварцевый песок 10–25. Теплоизоляционные материалы и смеси используют в виде пластин, втулок, для облицовки литейных прибылей с целью ограничения потерь тепла жидкого металла в прибыли и увеличения длительности ее работы, а также в качестве засыпок на зеркало металла в ковшах, открытых прибылях и в изложницах при получении слитков с целью снижения теплопроводности через зеркало металла. К теплоизоляционным материалам, применяемым в литейном производстве, относят аглопоритовый песок (кремнистые опаловые породы с примесями глинистых и песчаных материалов), диатомит (осадочная порода из раковин диамитовых водорослей), трепел (пористая опаловая осадочная горная порода), вспученный перлит (зернистый пористый материал, получаемый путем термической обработки измельченных металлических пород), керамзит (песок и гра-

95

вий), отходы слюды, вспученный вермикулит, кремнеземистое волокно, базальтовое волокно, высокоглиноземистую вату и др. Наибольшее применение в технологических процессах литейного производства в качестве теплоизоляционного материала находит вспученный перлит как наиболее доступный, дешевый и технологичный материал.

6.5. Добавки специального назначения Добавки для улучшения свойств смесей на стадии формовки и отверждения. 1. Добавки, снижающие внутреннее трение между частицами песка и улучшающие реологические характеристики смесей (сыпучесть, подвижность, формуемость, уплотняемость). К таким добавкам относятся поверхностно активные вещества (ПАВ), в частности, алкиларилсульфонаты (РАС, КЧНР, НБ, НЧЛ и др.). Рафинированный алкиларилсульфонат (РАС) на основе сульфокислот керосиновых фракций представляет собой натриевые соли нефтяных сульфокислот. Смачиватель НБ – натриевая соль сульфированного продукта конденсации нафталина с бутиловым спиртом (бутилнафталинсульфонат натрия). НЧК – 25%-й раствор аммонийных солей нефтяных сульфокислот нейтральной или слабощелочной реакции. КЧНР – контакт черный нейтрализованный рафинированный на основе натриевых солей алкилароматических кислот, представляющий собой водный раствор кислого нефтяного гудрона, нейтрализованный и рафинированный от масел, смол и сульфата натрия. При введении ПАВ в смеси в количествах до 0,1% улучшается сыпучесть смесей, что особенно важно при пескодувном и пескострельном способе изготовления стержней. При повышении их расхода до 0,2–0,55 и при дополнительном введении воды они проявляют пенообразующие свойства и позволяют перевести смесь при активном перемешивании в жидкоподвижное состояние (ЖСС).

96

2. Добавки для повышения живучести готовой смеси; для жидкостекольных смесей используют водные растворы едкого натра, для песчано-смоляных – добавки аминоспиртов, гликолей. 3. Добавки для повышения прочности смесей, устранения разупрочнения смесей при хранении: продукты синтеза глюкозы или продукты взаимодействия метиламина и полисахаридов (крахмалит). 4. Добавки, химически связывающие вредные выделения и улучшающие санитарно-гигиенические условия труда. Для связывания паров формальдегида при отверждении песчано-смоляных смесей используют добавки мочевины или других аминосоединений. Выделения высокотоксичного фенола при нагреве фенолсодержащих смол могут быть в значительной степени обезврежены при введении в смеси сильных окислителей (марганцевокислый калий, персульфат калия, кальциевая селитра). 5. Добавки улучшающие свойства форм и стержней: 1) добавки, улучшающие теплопроводность смеси. Благодаря действию этих добавок повышается скорость теплоотвода от жидкого металла, быстрее формируется его твердая корка в зоне контакта со стержнем (формой). К такого рода добавкам относятся порошки оксидов железа и марганца, металлические порошки (алюминия, железа, ферросилиция), чугунная или стальная дробь и т. д.; 2) добавки, препятствующие образованию газовых дефектов в отливках из черных сплавов. При термическом разложении азотосодержащих смол выделяются азот и водород, служащие причиной образования пористости и раковин в металле. Эффективным средством предупреждения газовых дефектов является введение тонкодисперсных порошков оксида железа или диоксида марганца. Эти же добавки препятствуют насыщению поверхности отливки углеродом (науглероживанию), что актуально при получении отливок из низкоуглеродистой стали. В качестве материалов на основе оксидов железа применяется сурик железный сухой для лакокрасочной промышленности (ТУ 6–10–1216–72) – природный неорганический пигмент краснокоричневого цвета на основе красковых руд Криворожского месторождения;

97

3) противопригарные добавки. Примерами служат добавки, образующие блестящий углерод в ПГС (каменный уголь, пенополистироловая крошка, специальные масла и др.), добавки фторидов и серы, препятствующие окислению при заливке магниевых сплавов, и многие другие; 4) добавки, легирующие поверхностный слой металла. Добавки этой группы вводят, как правило, в состав противопригарной краски. При контакте с жидким металлом легирующая добавка диффундирует из краски в поверхностный слой отливки, придавая ему требуемые специальные свойства. Например, добавки карбида бора, феррохрома служат для повышения твердости поверхностного слоя отливок из черных сплавов; добавки теллура, свинца, серы, сурьмы, висмута и их соединений снижают твердость поверхностного слоя металла и улучшают его механическую обрабатываемость; 5) добавки для улучшения податливости стержней при высокотемпературном нагреве. Вследствие силового взаимодействия отливки и формы в начальные моменты остывания в затвердевшем металле развиваются внутренние напряжения, которые могут привести к образованию в отливке горячих трещин. Для улучшения податливости формы используют выгорающие добавки (древесную муку или опилки, пенополистироловую крошку и т. п.) или волокнистые и высокопористые молотые материалы (асбест-крошка, вспученные перлит и вермикулит и т. п.). Для высокотермостойких смоляных связующих возможно внедрение добавок пластификаторов (дибутилфтолат, глицерин) или окислителей (КМnO4, NaNO3 и др.). 6. Добавки для улучшения выбиваемости смеси. Кероген непылящий (ТУ 38.10940–75) – однородный порошкообразный концентрат сланца, смешанного со смягчителем – нефтяным маслом ПН-6. Кероген вводят в составы ЖСС, ПСС и смесей по СО2-процессу в количестве 2–3 мас. долей, %. Диспергатор НФ технический (ГОСТ 6848–79) – нейтрализованный продукт конденсации сульфокислот нафталина с формальдегидом. НФ жидкий пожаробезопасен, сухой – горючее вещество с температурой самовоспламенения 564°С; относится к III классу умеренно

98

опасных (по токсичности) веществ. Используется преимущественно в составах смесей по СО2-процессу после дополнительного концентрирования до содержания активного вещества 60–65% на сухой продукт. Позволяет уменьшить содержание жидкого стекла до 3–4 мас. ч. на 100 мас. ч. песка. Возможно использование ХТС с жидкими отвердителями.

7. Подготовка исходных материалов Исходные формовочные материалы, применяемые в качестве компонентов смесей, перед использованием подвергают соответствующей подготовке. Формовочный песок сушат, а затем просеивают. Температуру сушки определяют исходя из содержания в песке глинистой составляющей. Для песков, в которых содержание глинистых составляющих более 10%, температура сушки не должна превышать 99

250–300°С. Пески с меньшим содержанием глинистой составляющей сушат при температуре 500°С. Сушку песка осуществляют в горизонтальных барабанных сушилах.

Рис. 7.1. Схема горизонтального барабанного сушила: 1 – топка; 2 – течка для загрузки песка; 3 – дымосос; 4 – выходное отверстие; 5 – барабан; 6 – привод; 7 – винтовые насадки для распределения высушиваемого материала

Горизонтальное барабанное сушило показано на рис. 7.1. Загрузку песка в барабан 5 производят непрерывно. При вращении барабана, установленного под углом к горизонту, песок движется по наклону под действием собственной массы и распределяется внутри барабана по продольным каналам насадок 7. Высушенный песок поступает в ленточный транспортер, а после охлаждения – к месту потребления. Производительность горизонтальных барабанных сушил в зависимости от модели составляет до 45 т песка в час. Схема установки для сушки песка в «кипящем» слое приведена на рис. 7.2.

100

Рис. 7.2. Схема установки для сушки и охлаждения песка в «кипящем» слое: 1 – сушильная камера; 2 – приемная воронка; 3 – транспортер; 4 – течка; 5 – газораспределительная решетка; 6 – топка; 7 – трубопровод; 8 – шибер; 9 – трубопровод; 10 – вентилятор; 11 – смесительная камера; 12 – воздухораспределительная решетка; 13 – транспортер; 14 и 16 – желоба; 15 – охладительная камера

Влажный песок по ленточному транспортеру 3, через приемную воронку 2 и течку 4 поступает в сушильную камеру 1 на газораспределительную решетку 5. Топливо подается по трубопроводу 7 и сжигается в топке 6. Из топки горячие газы поступают в смесительную камеру 11, в которой они частично охлаждаются холодным воздухом до 900–1000°С, а затем продуваются через газораспределительную решетку 5. При продувке песок переходит в состояние псевдокипения, в процессе которого зерна песка обдуваются горячими газами и трутся друг о друга, частично очищая свою поверхность от примазок других минералов. Высушенный горячий песок по желобу 16 поступает в охладительную камеру 15, в которой он повторно продувается через воздухораспределительную решетку 12, но уже холодным воздухом. К установке воздух нагнетается вентилятором 10 по трубопроводам 9. Регулирование подачи воздуха производят шиберами 8. Охлажденный песок по наклонному желобу 14 поступает на ленточный транспортер 13, а затем к месту потребления. Производитель-

101

ность установок для сушки песка в «кипящем» слое в зависимости от модели составляет от 3 до 24 т/ч. Формовочные пески с высоким содержанием глинистой составляющей (более 10%) после сушки с целью разминания комьев подвергают дроблению с применением оборудования, предназначенного для грубого дробления формовочных материалов. К данному виду оборудования относятся щековые, валковые, молотковые и роторные дробилки. Схема одного из видов этого оборудования – щековой дробилки – приведена на рис. 7.3. Материал, предназначенный для дробления, загружают в зазор 1, образованный подвижной 3 и неподвижной 2 щеками. Дробление кусков осуществляется с помощью эксцентрикового вала, передающего колебательное движение подвижной щеке через шатун 6, который, поднимаясь с помощью распорок 5, приближает ее к неподвижной щеке, а, опускаясь, позволяет ей под действием пружины отойти обратно. Загруженный кусковой материал при этом опускается и измельчается до величины, соответствующей наименьшему расстоянию 4 между щеками, после чего проваливается вниз. Производительность дробилок данного типа составляет до 5–6 м3/ч.

Рис. 7.3. Схема щековой дробилки: 1 – верхний зазор; 2 – неподвижная щека; 3 – подвижная щека; 4 – нижний зазор; 5 – распорки; 6 – шатун

Просеивание песка с целью отделения спекшихся комочков и мелких камней (гальки) производят с помощью полигональных барабанных сит или вибрационных установок (грохотов), имеющих размеры ячеек 3–5 мм.

102

Все высокоогнеупорные наполнители формовочных смесей и противопригарных красок (хромит, хромомагнезит, магнезит и др.) должны иметь такой зерновой состав, который соответствовал бы их назначению. В противном случае их перед применением измельчают (дробят, размалывают) и просеивают. Например, хромитовые пески применяют обычно таких групп: 01, 016 и 02. Кусковой хромит подвергают измельчению в дробильно-размольных машинах: щековых и конусных дробилках, а затем в размольных вальцах или бегунах с просеиванием на ситах до получения фракции 3,2–0,5 мм. Измельчение хромита до размера зерен менее 0,06 производят в трубных мельницах. Формовочную глину используют в сухом молотом состоянии или в виде водной суспензии. Подготовка глины заключается в следующем. Комовую глину сначала подвергают сушке в барабанных сушилках. Температура сушки обычной глины не должна превышать 200–250°С, а бентонитовой – 150–180°С. При более высоких температурах глина будет терять свою связующую способность. Дробление и размол глин обычно происходит в две стадии: грубое и тонкое дробление. Для тонкого дробления используют шаровые мельницы (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Схема шаровой мельницы: 1 – загрузочная воронка; 2 – барабан из стальных пластин; 3, 5 – сита; 4 – лопатки для повторного сбрасывания в барабан крупных частиц; 6 – разгрузочное окно

103

В барабан вместе со стальными шарами загружают глину, которая, прошла стадию грубого дробления. Во время движения барабана шары размалывают глину, которая, проходя через решетчатые стенки, выходит наружу через разгрузочное окно. Глина, не прошедшая через решетчатые стенки барабана, специальными лопастями повторно направляется в барабан для дробления. С целью увеличения производительности шаровые мельницы оснащаются специальными проточными сепараторами, которые улучшают процесс отделения недомолотой глины для повторного размалывания. Производительность шаровых мельниц составляет до 6–7 т/ч. Глинистую суспензию приготавливают следующим образом. Сначала комовую глину замачивают в баках с водой в соотношениях по массе 1:2 – для обычных и 1:4 – для бентонитовых глин. После истечения срока, достаточного для разбухания глины, ее размешивают в лопастном смесителе до получения однородной суспензии плотностью 1,2–1,3 г/см3. Преимуществом использования глинистой суспензии является устранение операций сушки и размалывания, сопровождающихся обильным пылевыделением. Каменноугольную пыль приготавливают в шаровых или молотковых мельницах. Тонкость помола угля должна соответствовать фракциям 005 и 0063, сумма которых должна составлять не менее 70%. Для приготовления песчано-глинистых смесей, предназначенных для чугунного литья, используют глиняно-угольную суспензию, получаемую путем смешивания глинистой суспензии с каменноугольной пылью в соответствующих пропорциях. Сульфитно-спиртовую бражку марки КБЖ разводят в воде до плотности (1,27÷1,30)103 кг/м3, а бражку марки КБТ сначала растворяют в котле водой (на 100 кг бражки 50 л воды), после чего подвергают нагреву. Температура нагрева не должна превышать 90°С, так как при более высокой температуре частично теряется ее связующая способность. Плотность полученной после охлаждения жидкости должна составлять (1,27÷1,30)103 кг/м3. Помимо рассмотренных выше основных компонентов смесей (песка и глины) и способов их подготовки, в качестве основного компонента смесей широко используются также оборотная смесь и 104

регенерированный песок. Оборотную смесь получают из отработанной песчано-глинистой смеси, а регенерированный песок – из отработанных формовочных и стержневых смесей.

105

8. Формовочные и стержневые смеси Качество и стоимость отливок в значительной степени зависят от правильного выбора состава и технологических свойств формовочных и стержневых смесей. Состав смесей зависит от назначения, рода заливаемого сплава, сложности и ответственности отливок, наличия необходимых исходных материалов, серийности производства, технологии изготовления и сборки форм и стержней, планируемой себестоимости отливок. По роду заливаемого сплава различают смеси для стального, чугунного и цветного литья. Смеси для стального литья должны выдерживать температуру заливки сплава 1480–1540°С, для чугуна – 1380–1420°С и цветных сплавов – ниже 1200°С. По назначению смеси разделяют на формовочные и стержневые, а также на единые, облицовочные и наполнительные. Стержневые смеси в отличие от формовочных должны обладать большей газопроницаемостью, прочностью, податливаемостью, огнеупорностью и т. д. Единые смеси применяют главным образом при изготовлении мелких и средних форм в условиях высокомеханизированного производства. При использовании в эти смеси вводится значительное количество свежих материалов для поддержания прочности и газопроницаемости смеси в заданных пределах. Облицовочные смеси применяются для крупных стальных и чугунных отливок в условиях серийного и единичного производства. Они наносятся вокруг модели слоем 15–20 мм и более, в зависимости от толщины стенки отливки. Для улучшения технологических свойств облицовочных смесей в них могут вводить более 50% свежих материалов. Облицовочные смеси используют в тех случаях, когда применение единых смесей дает значительный брак отливок по вине формовочной смеси. Наполнительная смесь наносится поверх облицовочной и занимает остальной объем формы. Наполнительная смесь приготавливается из отработанной смеси с небольшой добавкой свежих материалов или без них и должна обладать высокой прочностью и газопроницаемостью.

106

Естественные смеси. В настоящее время эти смеси применяются редко для изготовления мелких отливок из чугуна и цветных сплавов. Нестабильность состава и свойств этих смесей не гарантирует получения качественных отливок. Глина, входящая в состав естественных смесей, имеет малую связующую способность и низкую огнеупорность. Смеси, в состав которых глина входит как самостоятельная добавка, называются синтетическими. На практике широко применяют синтетические смеси в связи с высокими технологическими свойствами, простотой приготовления, легкостью поддержания постоянного состава и качества смеси. При производстве крупных толстостенных отливок сырые песчано-глинистые формы не могут обеспечить получения качественного литья. На отливках образуется повышенный пригар, возможна деформация формы по причине ее недостаточной прочности, интенсивный прогрев формы существенно увеличивает газотворность и вероятность образования газовых раковин в отливках. В связи с этим формы сушат либо подсушивают с поверхности газовыми горелками, что позволяет повысить поверхностную прочность формы, уменьшить её газотворную способность, снизить затраты и время на изготовление формы. Классификация смесей для изготовления форм и стержней по типу, виду и характеру твердения приведена в табл. 8.1. Таблица 8.1 Классификация смесей по типу, виду и характеру твердения Тип смеси Песчаноглинистая

Вид смеси Категория смеси (по характеру Область применения смеси твердения форм и стержней) (ориентировочная) Не подвергающаяся твердеПластичная нию Теплового твердения

Для форм и стержней (средних и крупных)

Воздушного твердения Теплового твердения Пластичная ПесчаноХимического твердения жидкостекольСамотвердеющая ная Теплового твердения Жидкая Самотвердеющая

107

Для форм и стержней

Для крупных форм и стержней

Окончание табл. 8.1 Тип смеси

Вид смеси Категория смеси (по характеру Область применения смеси твердения форм и стержней) (ориентировочная) Сыпучая

Песчано смоляная

Пластичная

Жидкая

Песчаносульфитная

Песчаноцементная

Пластичная Жидкая

Теплового твердения

Для оболочковых форм и стержней

Теплового твердения

Для мелких стержней

Самотвердеющая

Для мелких, средних и крупных стержней

Теплового твердения Самотвердеющая Теплового твердения

Для мелких стержней

Самотвердеющая Теплового твердения

Для средних форм

Самотвердеющая

Пластичная Жидкая

Для средних стержней

Самотвердеющая

Песчаномасляная Пластичная Теплового твердения (стержневая)

Для крупных форм и стержней Для мелких и средних стержней

8.1. Песчано-глинистые смеси Технология изготовления отливок в сырых песчано-глинистых формах является основной в современных автоматизированных чугуно-сталелитейных цехах крупносерийного и массового производства. Доля литья, получаемого в сырых формах, составляет, %: Японии и ФРГ – 40; Англии – 39; Франции – 29; Италии – 30; России > 60. Формовочные смеси для изготовления сырых форм имеют низкую стоимость и минимальные отходы, так как отработанные смеси легко восстанавливаются, что позволяет сократить расход формовочного песка до 0,4 т на 1 т годных отливок. Максимальная масса отливок из чугуна, полученных в сырых формах из единых песчано-глинистых смесей, составляет 500 кг, а из стали – 400 кг. Опыт отечественных и зарубежных литейных цехов показал, что развитие технологии литья в сырые формы идет в направлении использования высокопрочных смесей с пониженной

108

влажностью, что позволяет получать точные отливки из чугуна и стали массой до 200 кг. При стальном литье для смесей используют кварцевые формовочные пески с содержанием глинистой составляющей до 1%, зерновой группы 02, при мелком литье применяют пески с зерновой группой 016, а при массивном – с зерновой группой 0315. Для предупреждения образования трещин в отливках в состав смеси вводят древесные опилки, а для повышения поверхностной прочности форм в смесь вводят водный раствор лигносульфонатов (сульфитно-дрожжевая бражка). Для предупреждения пригара при массивном литье с применением сухих форм в смесь вводят до 20% пылевидного кварца. Состав и свойства типовых песчано-глинистых формовочных смесей для стального литья приведены в табл. 8.2. При чугунном литье используют в основном кварцевые и тощие формовочные пески зерновой группы 016. При производстве мелкого литья с повышенной чистотой поверхности могут применяться пески зерновой группы 01, а при производстве крупных толстостенных отливок – зерновых групп 0315 и 04. Для предупреждения образования пригара на отливках в состав смесей вводят каменноугольную пыль. Для улучшения податливости и газопроницаемости сухих форм в смесь вводят добавку древесных опилок. Состав и свойства типовых песчано-глинистых формовочных смесей для чугунного литья приведены в табл. 8.3. Характерное отличие смесей для отливок из цветных сплавов состоит в применении мелкозернистых формовочных песков со средним размером зерна 01 и 0063. Для крупных отливок из цветных сплавов применяют пески со средним размером зерен 016 и 02. Содержание глинистой составляющей в формовочных песках может быть значительно больше, чем при литье чугуна и стали. Для предупреждения пригара на отливках из медных сплавов в смесь вводят добавку мазута, а при литье из сплавов на основе магния для защиты металла от окисления вводят добавку борной кислоты или фтористые присадки. Состав и свойства типовых песчано-глинистых формовочных смесей, предназначенных для цветного литья, приведены в табл. 8.4.

109

Таблица 8.2 Типовые составы песчано-глинистых формовочных смесей для стального литья Назначение смеси

1

Характеристика смеси Массовая доля составляющих, % Толщина стенки, Зерно- Общее ПрочГазоВлаж- Оборот- Кварце- Глина Сульмм ность на ность, профитноглиносовый пеная вая дрожсок смесь группа держание ницаемо- сжатие % влажных сть жевая формо- смеси, % образцов, бражка вочного 105 Па (КБЖ) песка (кгс/см2) 2

3

4

5

6

7

8

9

10

< 100,

25

016, 02

8–10

80–100

0,3–0,5

3,5–4,0

80–40

16,5–53,0 3,0–6,0

100–500,

25

0,2

10–12

100– 120

0,4–0,6

4,0–5,0

75–40

20,5–51,5 4,0–8,0

>500

25

02,0315

11–12

100– 130

0,5–0,7

4,5–5,5

60–40

33,5–51,0 6,0–8,5

Единая для формовки по-сырому при массе отливки до 100 кг

25

8–10

80–100

0,3–0,5

3,4–4,5

90–92

11

Облицовочная для формовки по-сырому при массе отливок, кг:

016 02

6,5–8,0

<0,5

1,0–1,5 0,5–1,0

Продолжение табл. 8.2 1

2

3

4

Облицовочная для формовки по-сухому при массе отливок, кг: <500, >500,

50 50

02 02,0315

12–14 12–14

< 10000,

50

0315

12–15

5

6

7

0,5–0,7 (на разрыв сухих образцов 0,8–1,2) 5,0–7,0 70–100 100–120 0,5–0,8 5,0–8,0 (на разрыв сухих образцов 1,0–1,5) >80

0,55–0,65 6,0–7,0

8

80–40 60–40

–

9

10

11

15,5–50,5 4,0–9,0 <0,6 33,0–49,5 6,5–9,0 0,5–1,5

Песок и глина–100

–

Песок и глина–80, 10 000–30 000 Единая для отливок, склонных к горячим трещинам

80

0315

02,0315

12–15

12–14

>50

70–100

111

0,55–0,65 6,0–7,0

–

пылевидный кварц–20

–

80–40, древесные 12,5–45,5 4,0–9,0 1,5–2,4 0,35–0,60 5,0–7,0 опилки 2–4

Формовочные смеси, применяемые в современных технологических процессах для автоматических линий (табл. 8.5), представляют собой много компонентные системы. Они должны обладать комплексом свойств (прочностью, газопроницаемостью, огнеупорностью, долговечностью и т. д.), обеспечивающих высокое качество отливок и заданную производительность линии. Особенностью этих смесей является минимальное содержание (до 3%) высококачественных бентонитов в сочетании с крахмалсодержащими добавками (крахмалит от 0,01 до 0,1%) и ПАВ (от 0,01 до 0,07%). Такие смеси при минимальном содержании влаги (от 3,0 до 3,8%) обладают следующими преимуществами: − повышенной чистотой поверхности отливок за счет образования легкоплавкой силикатной корочки на поверхности формы; − снижением содержания бентонита, необходимого для получения заданной прочности смесей, в 2–2,5 раза по сравнению с содержанием каолинитовой глины, что приводит к увеличению газопроницаемости, огнеупорности и т. д.; − легкой выбиваемостью отливок из форм; − повышением податливости форм, что способствует снижению возможности образования ужимин; − повышением текучести смесей.

113

Таблица 8.5 Типовые составы формовочных смесей для автоматических линий

Сталь

3

94–96,5

3–5

0,4–0,7 0,4–0,5

1

94,5–95,5

3–5

0,3–0,4

–

0,01–0,03 3,4–3,8

0,03–0,05 3,3–3,7

Уплотняемость, %

100

75–80 40–45 70–75

100

60–85 40–45

70–90

45

Текучесть, %

60–90

0,05–0,1 0,04–0,05 3,0–3,2 150–200 0–0,02

Формуемость, %

Газопроницаемость

0–0,05

Прочность на сжатие, кПа

0,3–0,5 0,2–0,3 0,02–0,05 0,02–0,04 3,2–3,4 100–140

Влажность, %

0,2–0,3 0,1– 0,2

3–4

ПАВ

2–4

94,5–97

Крахмалит

95,5–97,5

2

Уголь

1

Бентонит

Кварцевый песок

Свойства смесей

Оборотная смесь

Чугун

Способ уплотнения

Материал

Состав смеси, %

75

120

80–85

100

75–80 40–45 70–75

2

94–96,5

4–5

0,4–0,6

–

0,02–0,05 0,03–0,07 3,2–3,5 100–140

100

80–85 40–45

3

93,2–95,5

4–6

0,5–0,7

–

0,04–0,1 0,05–0,07 3,0–3,2 150–200

120

80–85

45

75–80 75 75–80

П р и м е ч а н и е . 1 – при встряхивании с подпрессовкой; 2 и 3 – при прессовании под высоким давлением без уплотнения с предварительным уплотнением.

114

8.2. Песчано-жидкостекольные смеси Песчано-жидкостекольные смеси широко применяются при единичном и серийном изготовлении форм и стержней. Одной из причин широкого использования этих смесей является возможность упрочнения форм и стержней без теплового воздействия. Упрочнение может быть осуществлено выдержкой на воздухе (подвяливание), продувкой углекислым газом, или введением в смесь химического реагента, вызывающего аналогично углекислому газу коагуляцию жидкого стекла. Второй причиной является то, что благодаря использованию тепловой сушки продолжительность процесса упрочнения этих смесей значительно меньше, чем песчано-глинистых. Третьей причиной широкого применения данных смесей можно считать относительно низкую стоимость жидкого стекла, простоту его изготовления и нетоксичность этих смесей. Существенным недостатком песчано-жидкостекольных смесей является плохая выбиваемость и регенерируемость вследствие повышенной спекаемости жидкого стекла с формовочным песком, а также ограниченное использование отработанных смесей в связи с тем, что в приготовляемых смесях накапливается содержание оксида натрия Na2О, который снижает огнеупорность смесей. При изготовлении форм и стержней применяют два вида песчаножидкостекольных смесей: пластичные и жидкие. Пластичные смеси применяют в качестве облицовочного слоя. Упрочнение готовых форм и стержней осуществляют воздушной сушкой – подвяливанием на воздухе в течение 2–8 ч; тепловой сушкой при температуре 220– 250°С в течение 0,5–1 ч и химическим путем. При химическом упрочнении применяют продувку форм и стержней углекислым газом, вводя в смесь порошкообразные добавки феррохромового шлака или нефелинового шлама, а также жидкие добавки – ацетаты этиленгликоля (АЦЭГ) либо пропиленкарбонат. Время отверждения пластичных самотвердеющих смесей (ПСС) составляет около 40–60 мин, при этом смесь приобретает значение прочности на разрыв в пределах 0,07÷0,13 МПа (0,7÷1,3 кг/см2), а по прошествии более длительного времени прочность повышается до 0,7 МПа (7,0 кг/см2) и более.

115

Важное преимущество смесей с продувкой СО2 и ПСС по сравнению с обычными способами изготовления форм и стержней состоит в том, что упрочнение смесей происходит в контакте с оснасткой, что повышает точность размеров отливок. Состав и свойства песчано-жидкостекольных смесей приведены в табл. 8.6 и 8.7.

116

Таблица 8.6 Состав и свойства пластичных песчано-жидкостекольных смесей для изготовления форм и стержней (СО2-процесс)

NaОН**

Битум***

0–3

–

5–7

0,5–1,5

–

–

3–5

–

–

4–6

4–5

–

3–4

–

–

3–5

–

–

Стержневая при стальном 95–97 литье Облицовочная для форм при чугунном литье

91–93

Стержневая при чугунном 95–97 литье Облицовочная при цветном литье

92–96

4–5

–

0–3

Стержневая при цветном литье

90–99

0–5

–

–

1–5

на разрыв после продувки СО2

Жидкое стекло

–

на сжатие по-сырому

Древесные опилки

4–5

Газопроницаемость (не менее)

Каменноугольная пыль

92–96

3–3,5

100

0,1–0,3

2,0

0,5–1,0 0–2 3,5–4,0

150

0,1–0,2

3,5

5–6

1,0–1,5

–

3,0–4,0

80

0,1–0,3

2,0

4–5

0,5–1,0

2

3,5–4,0

120

0,1–0,2

3,0

4–5

0,5–1,5

–

3,0–4,0

60

0,1–0,2

2,0

3–5

0,5–1,0 0–2 3,5–4,0

80

0,1–0,2

2,5

Примечания: *При изготовлении смесей для форм допускается замена части песка регенератом. **В виде водного раствора плотностью 1,3 г/см3.

117

Свойства смеси Прочность,105 Па (кгс/см2)

Влажность, %

Асбестовая крошка

Облицовочная для форм при стальном литье

Формовочная глина

Назначение смеси

Кварцевый песок*

Массовая доля составляющих, %

***В виде раствора в уайт-спирите плотностью 0,86–0,92 г/см3. Таблица 8.7 Состав и свойства пластичных песчано-жидкостекольных самотвердеющих смесей для изготовления форм и стержней (ПСС-процесс)

Газопроницаемость (не менее)

0,2–0,4 0,8–1,2 1,5–1,8 2,3–2,8

–

5–7 0,5–1,0 2–3 3,5–4,0 100

0,12– 0,15

0,2–0,3 0,7–1,0 1,3–1,6 2,0–2,5

Облицовочная для форм при чугунном литье

91–93 4–5 3–4

Стержневая при стальном и чугунном литье

93–98

Влажность, %

0,12–0,15

Феррохромовый шлак

6–8 0,5–1,5 4–6 3,5–4,0 120

NаОН**

–

96–58 2–4

Жидкое с текло

Асбестовая крошка

Прочность, 105 Па (кгс/см2)

–

Облицовочная для форм при стальном литье

–

Свойства смеси

Каменноугольная пыль

Формовочная глина

Назначение смеси

Кварцевый песок*

Массовая доля составляющих, %

0–4 2–3 4–6 0,5–1,0 4–6 3,4–3,8 120

на сжатие после до введения введения шлака шлака

* При изготовлении смесей для форм допускается замена части песка регенератом.

118

1

2

3

0,07–0,09 0,13– 0,16 1,0–1,3 1,5–2,0 2,5–3,0

Примечания: ** В виде водного раствора плотностью 1,3 г/см3.

на разрыв, после выдержки, ч

Пластичные самотвердеющие смеси (ПСС) приготовляют по двухстадийной технологии. Сначала делают базовую смесь состоящую из формовочного песка, глины, молотого угля, жидкого стекла и воды. Смесь высокопластичная, прочность на сжатие во влажном состоянии 0,015 МПа (0,15 кг/см2). На участке формовки в лопастном смесителе в базовую смесь вводят отвердитель – феррохромовый шлак или др. После перемешивания в течение 45–60 с готовая смесь подается в опоку и распределяется по поверхности как облицовочная. Жидкое стекло и отвердитель взаимодействуют во всем объеме смеси, в результате чего она затвердевает. После изготовления формы из нее сразу можно удалять модель, через 30 мин на поверхность формы можно наносить противопригарное покрытие, а через 4–6 ч заливать металлом. Жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС). Эти смеси имеют высокую текучесть, так как они подобно жидкости могут быть залиты в опоку или стержневой ящик. Другое важное свойство этих смесей – самозатвердевание. Их применяют при изготовлении средних и крупных по величине форм и стержней, так как в этом случае, ввиду отсутствия операции уплотнения смеси, их использование наиболее эффективно. Перевод в жидкое состояние достигается за счет введения в смесь добавок пенообразователей – поверхностно-активных веществ (ПАВ). Пузырьки пены разделяют зерна песка, уменьшают силы трения, что и придает смеси свойство текучести. Текучесть смеси можно изменять в зависимости от ее состава и времени перемешивания. Время сохранения текучести также можно регулировать, оно составляет 9–10 мин. Смесь приобретает достаточную прочность через 20–30 мин. Газопроницаемость этих смесей может превышать 1000 ед., прочность на сжатие через 4 ч после заливки составляет 0,2–0,4 МПа (2–4 кг/см2). Применение ЖСС позволяет резко повысить производительность труда, исключить ручной труд при изготовлении форм и стержней, устранить энергоемкую операцию сушки, механизировать производство крупных отливок. Состав и свойства ЖСС, предназначенных для изготовления форм и стержней при стальном и чугуном литье, приведены в табл. 8.8.

119

Таблица 8.8 Состав и свойства жидких песчано-жидкостекольных самотвердеющих смесей для форм и стержней (ЖСС- процесс) Массовая доля составляющих, %

Облицовочная для форм при 96,0 4,0 – стальном литье Облицовочная для форм 94,6 4,0 1,4 при чугунном литье Наполнитель- 94,6 4,0 1,4 ная для форм Стержневая

95,25 4,0

–

Газопроницаемость после выдержки образцов, ч Влажность, %

РАС

NаОН*

Жидкое стекло

Жидкая композиция

Древесный пек

Каменноугольная пыль

Феррохромовый шлак

Назначение смеси

Кварцевый песок

Сухие составляющие

Свойства смеси

1

2

3

5

24

Прочность на разрыв, 105 Па (кгс/см2), после выдержки образцов, ч

1

2

3

5

24

–

7,0 0,3

0,12

5,0– 6,0

–

80– 100

100– 200– 300– 200 300 500

1,5– 2,0

2,0– 3,0

3,0– 6,0

6,0– 8,0 8,0

–

7,0 0,3

0,12

5,0– 5,8

–

60– 100

100– 150– 300– 150 250 350

1,5– 2,0

2,0– 3,0

3,0– 5,0

5,0– 7,0 7,0

–

4,0 0,3

5,0– – 5,8 0,15– 5,2– 20– 0,20 6,0 30

250– 350– 300 500 150– 300– 200 400

0,5– 0,6

0,8– 1,2

1,3– 1,5

2,5– 3,0– 3,0 3,5

2

2,5

3,0

5,0

6,5 6,5

–

0,12

–

200

40– 60

60– 120

П р и м е ч а н и е . * В виде водного раствора плотностью 1,3 г/см3.

120

7,0

Для придания ЖСС газопроницаемости применяют пеногасители (НЧК). НЧК – нейтрализованный черный контакт – 25%-й раствор аммонийных солей нефтяных сульфокислот нейтральной или слабощелочной реакции. Добавкой НЧК можно быстро восстановить газопроницаемость даже при низкой температуре (3–5°С) воздуха. Применение НЧК исключает необходимость сушки форм и стержней с целью восстановления газопроницаемости. Песчано-жидкостекольные холоднотвердеющие смеси с жидкими отвердителями сложноэфирного типа (ацетаты этиленгликоля, пропиленкарбонат) обладают высокой сыпучестью и низкой прочностью в исходном (влажном) состоянии – не более 0,003 МПа при сжатии. Эти ХТС содержат 3,5–4,0% жидкого стекла, легко уплотняются вибрацией и вручную, позволяют получить широкий диапазон значений живучести, имеют высокую прочность и технологичны. Для приготовления смесей применяют жидкое стекло модуля 2,6÷3,0, плотностью 1,35 г/см3. Жидкие отвердители составляют 0,3–0,4%. Живучесть ХТС с жидкими отвердителями при 20°С составляет 6÷15 мин, прочность при сжатии, МПа через 1 ч – 0,5÷1,4; 2 ч – 1,0÷1,85; 4 ч – 1,6÷2,5; 24 ч – 2,5÷6,0. Осыпаемость смесей через 24 ч менее 0,1–0,2%. Газопроницаемость ХТС определяется в основном зерновым составом песка и составляет 150–200 ед. Ввиду повышенной хрупкости в отвержденном состоянии, ХТС, отверждаемые жидкими отвердителями, применяются в основном для изготовления средних и крупных форм. Помимо хрупкости, к недостаткам этих смесей относятся: − отставание в скорости отверждения внутренних слоев формы (стержня) по сравнению с внешними зонами; − усадка при отверждении смеси в оснастке и зажим оснастки; − затрудненная выбиваемость при нагреве смеси выше 700°С; − более сложная регенерация и ограниченное повторное использование полученного регенерата (не более 50%).

121

8.3. Песчано-смоляные смеси Связующими материалами в песчано-смоляных смесях являются синтетические смолы. Процесс твердения синтетических смол связан с переводом полимеров с низкой молекулярной массой в полимеры с высокой молекулярной массой. Процессы отверждения синтетических смол, в зависимости от структуры получаемых полимеров, называют полимеризацией или поликонденсацией. В зависимости от типа синтетических смол их твердение может происходить в присутствии катализаторов и без катализаторов, у которых отверждение достигается тепловым воздействием. Песчано-смоляные смеси (ПСС) достаточно дорогие и поэтому применяются в основном для оболочковых форм и стержней. ПСС имеют ряд преимуществ перед песчано-жидкостекольными: − легкое удаление стержней (они высыпаются при выбивке отливок из форм); − высокая производительность процесса при времени контакта с горячей оснасткой от 15 до 60 с; − возможность регенерации отработанных смесей. К недостаткам ПСС относят их токсичность – при заливке форм выделяются вредные вещества, такие, как фурфулол, формальдегид и др., поэтому в литейном цехе необходимо обеспечивать усиленную вентиляцию. В литейном производстве применяют сыпучие, пластичные и жидкие песчано-смоляные смеси. Сыпучие смеси в исходном состоянии характеризуются отсутствием связи между зернами. Они применяются при изготовлении форм и стержней. Упрочнение смесей осуществляется с помощью тепловой обработки в два этапа: первый этап – в течение 20–30 с – в контакте с модельной или стержневой оснасткой, нагретой до 180–240°С; второй – в течение 1–4 мин – в печи с температурой рабочего пространства 350–450°С. При изготовлении сыпучих смесей используют термоактивные фенолоформальдегидные смолы (см. табл. 5.4). Применяют плакированные и неплакированные песчано-смоляные смеси. В плакированных смесях смола покрывает тонкой пленкой зерна формовочного песка. В табл. 8.9 приведены состав и свойства плакированных песчано-смоляных смесей.

122

Таблица 8.9 Состав и свойства сыпучих плакированных песчано-смоляных смесей для изготовления оболочковых форм и стержней Прочность образцов после тепловой обработки, 105 Па (кгс/см2)

Массовая доля составляющих, % Кварцевый песок

Уротропин**

Борная кислота

Стеарт кальция

на изгиб

на разрыв

6,0

1,1–1,2

–

–

–

80–90

25–35

Холодный

Для алюминиевого литья

01

100 ПК–104

5, 0

1,1–1,2

–

–

–

50–70

20–25

Для магниевого литья

01

100 ПК–104

5,0

1,1–1,2

–

0,5

–

50–70

20–25

Горячий

Для стального и чугунного литья

016, 02

–

0,4–6,0

–

0,1

80–90

25–35

Марка смолы

100 ПК–104

Количество

016, 02

Для стального и чугунного литья

Зерновая группа

Растворитель*

Назначение смеси

Добавки

Количество

Метод плакирования

Связующий материал

100 СФ–015 4,0–6,0

Примечания: * В качестве растворителя используется водно-спиртовой раствор (1:3). ** Вводится в виде 30%-го водного раствора.

123

Плакирование песчано-смоляных смесей может быть произведено горячим и холодным способами. При горячем способе плакирования смола переходит в жидкое состояние в смесителе под действием горячего песка. При интенсивном перемешивании смола обволакивает зерна формовочного песка и при последующем охлаждении и перемешивании застывает на зернах в виде тонкой пленки. После просеивания и окончательного охлаждения смесь хранится в коробах, откуда распределяется по стержневым автоматам. При холодном плакировании перевод смолы в жидкое состояние происходит за счет растворения ее ацетоном или другими растворителями. При перемешивании смеси с одновременной продувкой через смеситель холодного воздуха растворитель испаряется и смола в виде тонкой пленки остается на зернах формовочного песка. Плакирование позволяет получить смеси с высокими физико-механическими (на 25–30%) и технологическими свойствами. Для приготовления песчано-смоляных смесей применяют обогащенные кварцевые пески с содержанием глинистой составляющей не более 0,5%, так как глина существенно увеличивает расход смолы, удорожает смесь и ухудшает ее свойства. Пластичные песчано-смоляные смеси упрочняют как за счет введения добавок катализаторов, ускоряющих протекание реакций полимеризации смолы, так и тепловой обработки. Песчано-смоляные смеси, твердение которых осуществляется за счет введения катализаторов, получили название − холоднотвердеющие смеси (ХТС). Изготовленные из них стержни упрочняются непосредственно в стержневых ящиках и не требуют тепловой обработки. В настоящее время наибольшее распространение получили ХТС, из которых изготовляют стержни различного класса сложности при единичном и серийном производстве отливок. При изготовлении ХТС применяют синтетические смолы, представленные в табл. 5.3. В качестве катализаторов при изготовлении ХТС наибольшее распространение получили бензосульфокислота (БСК) и ортофосфорная кислота (ОК). БСК используется в виде водного раствора плотностью (1200÷1250) кг/м3 в качестве катализатора для отверждения смол ОФ-1, ФФ-1Ф и др. ОК в виде водного раствора плотностью (1200÷1550) кг/м3 используется в качестве катализатора для отвер124

ждения смол КФ-90, УКС-Л и других смол карбамидофуранового класса. Состав и свойства пластичных песчано-смоляных ХТС, предназначенных для изготовления стержней, приведены в табл. 8.10. Одной из разновидностей теплового метода упрочнения стержней, изготовленных из песчано-смоляных смесей, является их выдержка в нагретом до определенной температуры стержневом ящике. Этот метод называют процессом изготовления стержней в горячих ящиках. В зависимости от класса применяемых смол, температура нагрева ящика составляет от 220 до 280°С, а выдержка в нем стержня продолжается в течение 40–70 с. В горячих ящиках изготавливают в основном мелкие стержни сложной конфигурации в условиях массового производства. Для изготовления смесей, упрочняемых в горячих ящиках, применяют следующие марки синтетических смол: смесь фенолоспирта с карбамидом, ФФ-1С, КФ-90 и некоторые другие. Для ускорения процесса отверждения песчано-смоляных смесей в горячих ящиках используют водный раствор соляной кислоты, а также катализаторы ЛСФ, АМ и др. Катализатор ЛСФ представляет собой концентрат сульфитно-спиртовой барды, подкисленной ортофосфорной кислотой; применяется при использовании смолы КФ-90. Состав и свойства пластичных песчано-смоляных смесей, предназначенных для изготовления стержней в горячих ящиках, приведены в табл. 8.11.

125

Таблица 8.10 Состав и свойства пластичных песчано-смоляных самотвердеющих смесей для изготовления стержней Время выдержки стержня в ящике, мин

–

Живучесть, мин

–

Газопроницаемость

Количество

Наименование

Количество

ФФ–1Ф 1,8–2,5 БСК 0,5–0,7

Добавки Количество

100

Катализатор

Свойства смеси

Наименование

Для стальных отливок

Связующий материал Марка смолы

Назначение смеси

Формовочный песок марок (1-3) К(1-3) О2016

Массовая доля составляющих, %

200–250 10–12 15–30

Прочность на сжатие, 105 Па (кгс/см2), после выдержки, ч

1

4

24

4–6

10–15

>35

Силан 0,05–2,0 1,5–1,8 БСК 1,0–1,2 (продукт от массы 200–250 8–12 15–20 20–26 30–46 50–70 112–23) смолы

100

ОФ–1

Для стальных и чугунных отливок

100

КФ–90 2,5–3,5 ОК 0,5–0,7

–

–

200–250 5–10 10–15 8–10 25–30 30–40

Для чугунных отливок

100

КФ–40 2,0–3,5 ОК 0,5–0,7

–

–

200–250

5–6

8–10

6–8

25–30 30–35

Для отливок из цветных сплавов

100

УКС–Л 2,5–3,5 ОК 0,5–0,6

Фурило- 20–40 от массы 150–200 вый смолы спирт

3–5

6–8

7–9

20–27 30–35

126

Таблица 8.11 Состав и свойства пластичных песчано-смоляных смесей, предназначенных для изготовления стержней в горячих ящиках

Время упрочнения

Влажность, %

–

–

–

0,3

Оксид железа

0,7

1,0

200

30–90 0,04–0,05

10–15

0,7

Оксид железа

0,7

1,0

200

30–70 0,04–0,05

20–28

100

ФФ-1С

3,0–3,5

10%-й раствор соляной кислоты

100

КФ-90

2,75

ЛСФ

127

1,0–1,2 250–300 30–90 0,04–0,05

после тепловой обработки

–

во влажном состоянии

0,5

Количество

Карбамид

Прочность стандартных образцов, 105 Па (кгс/см2)

Наименование

2,5

Добавки

Количество

Для чугунных отливок

Фенолоспирт

Катализатор Наименование

Для стальных и чугунных отливок

Количество

100

Марка смолы

Назначение смеси

Кварцевый песок

Связующий материал

Свойства смеси Газопроницаемость

Массовая доля составляющих, %

23–28

128

Жидкие смеси применяют для изготовления стержней, твердение которых осуществляется как за счет тепловой обработки, так и за счет введения катализатора. В качестве добавки, способствующей переводу смеси в жидкое состояние, применяют сульфонол НП-1. Состав и свойства жидкой песчано-смоляной смеси для изготовления стержней в горячих ящиках при чугунном литье приведены в табл. 8.12. При изготовлении жидких самотвердеющих смесей применяют синтетические смолы марок КФ-35, КФ-90 и МСФ-1. В качестве пенообразователя в смесь вводят сульфонол НП-1, а в качестве катализатора – 70%-й раствор бензосульфокислоты (БСК). Состав и свойства жидких песчано-смоляных самотвердеющих смесей для изготовления стержней приведены в табл. 8.13.

129

Таблица 8.12 Состав и свойства жидких песчано-смоляных и песчано-сульфитных смесей, упрочняемых в горячих ящиках, для изготовления стержней при чугунном литье

130

Сульфонол 0,1 НП-1

1,0

12

110

60

65

0,5–0,7

Сульфонол 0,4 НП-1

1,0

20

120

50

90

0,7–1,0

Количество

охлажденных образцов

0,5–1,0

нагретых образцов

0,6

Текучесть, мм

Фенолоспирт

4,0

Живучесть, ч

Мочевина

Прочность на срез, 105 Па (кгс/см2)

Вода

100

3,0

Наименование

Количество

КБЖ

Пенообразователь

Количество

Марка (1-3)К(1-3) О30315

Песчано-сульфитная

100 Смола М-70

(1-3)К(1-3) О302

Песчано-смоляная

(1-3) К(1-3) О2016

Наименование смеси

Связующий материал Наименование

Формовочный песок

Свойства смеси Время выдержки стержня в ящике, ч

Массовая доля составляющих, %

Таблица 8.13 Состав и свойства жидких песчано-смоляных самотвердеющих смесей для изготовления стержней при стальном, чугунном и цветном литье Свойства смеси 1 Вода

Количество

Пенообразователь Наименование

Количество

Катализатор Наименование

Количество

Связующий материал Марка смолы

Назначение смеси

Кварцевый песок (1-3)К(1-3) О3 016

Массовая доля составляющих, %

Для стальных и чугунных отливок

100

МФС-1 70%-й Сульфонол 0,10–0,15 1,5–2,0 или 2–3 раствор 0,8–1,0 НП-1 КФ-90 БСК

Для отливок из цветных сплавов

100

КФ-35

Выдержка, ч 24 1

Газопроницаемость

24

Прочность на сжатие, 105 Па (кгс/см2)

50–80 100–200 1,2–3,0 9–15

70%-й Сульфонол 0,10–0,15 1,5–2,0 50–100 100–220 1,2–3,0 9–15 2–3 раствор 0,8–1,0 НП-1 БСК

131

8.4. Песчано-сульфитные смеси Данный тип смесей характеризуется тем, что в качестве связующего материала в них используют сульфитно-дрожжевую бражку СДБ в количестве 2–5%. Основу СДБ составляют лигносульфонаты, и процесс твердения связывают с их поликонденсацией. Твердение данного типа смесей осуществляется за счет тепловой обработки или за счет введения добавок химических реагентов (окислителей), вызывающих поликонденсацию лигносульфонатов и самотвердение. При тепловой обработке процессу поликонденсации лигносульфонатов предшествует процесс возгонки растворителя (воды), содержащегося в связующем материале, который сопровождается резким сокращением объема связующего и возникновением в пленках на зернах песка микротрещин, вызывающих снижение прочности смеси. С целью предупреждения процесса образования микротрещин используют два способа. Первый способ основан на введении в смесь добавки пластификатора, который создает условия для устранения напряжений, вызывающих образование микротрещин. В качестве пластификатора используют техническую мочевину в количестве 12% от содержания связующего материала в смеси. Второй способ основан на введении в смесь мелкозернистых добавок, создающих каркас в пленках связующего, который разобщает их на мелкие зоны; при этом процессы, связанные с возгонкой растворителя в пленках связующего, протекают без значительных концентраций внутренних напряжений. В качестве такой добавки используют пылевидный кварц в соотношении к связующему материалу 1:1. При самотвердении смеси возгонки растворителя не происходит. В этом случае содержащаяся влага в связующем материале лишь локализуется (защемляется) пространственно-сетчатой структурой макромолекул лигносульфонатов. В качестве добавок, вызывающих самотвердение песчано-сульфитных смесей, используют хромовый ангидрид Сr2O3, бихроматы натрия и калия и персульфат аммония в количестве от 0,2 до 0,7% от массы смеси. По сравнению с песчано-смоляными данный тип смесей экономичнее, так как в состав его входит недорогой и недефицитный свя-

132

зующий материал, а также менее токсичная упрочняющая добавка. Применяют пластичные и жидкие песчано-сульфитные смеси. Пластичные смеси используются для изготовления мелких стержней, упрочняемых в горячих ящиках в условиях крупносерийного и массового производства, а также для изготовления самотвердеющих литейных форм и стержней взамен песчано-глинистых и песчаножидкостекольных смесей при чугунном и стальном литье. При изготовлении смесей, предназначенных для получения стержней в горячих ящиках, помимо указанных выше добавок, в состав смеси вводят строительный гипс или мылонафт, которые повышают прочность стержней при извлечении из ящика, а также добавку поливинилацетатной эмульсии (ПВАЭ), снижающей гигроскопичность стержней. Продолжительность твердения стержней в ящиках, нагретых до 230–280°С (толщина стенок изготовляемых стержней не должна превышать 30–40 мм), составляет 1,0–2,0 мин. Состав и свойства пластичных песчано-сульфитных смесей для изготовления стержней в горячих ящиках для чугунных и стальных отливок приведены в табл. 8.14. При изготовлении самотвердеющих смесей в их состав в качестве отвердителя вводят добавку хромового ангидрида в виде водного раствора плотностью 1,3·103 кг/м3, а также синтетических жирных кислот (СЖК), предотвращающих пенообразование в процессе приготовления смесей. Самотвердеющая смесь с добавкой СЖК относится к легкоуплотняемому виду, поэтому изготовление форм и стержней может быть осуществлено на вибростолах. Состав и свойства пластичной песчано-сульфитной самотвердеющей смеси для изготовления форм и стержней для чугунных и стальных отливок приведены в табл. 8.15.

133

Таблица 8.14 Состав и свойства пластичных песчано-сульфитных смесей, упрочняемых в горячих ящиках для изготовления стержней при стальном и чугунном литье

Мылонафт*

ПВАЭ

Влажность, %

Газопроницаемость

влажных на сжатие

сухих на разрыв

сухих на разрыв после 24 ч

100

КБЖ

Пылевидный кварц

100

Прочность образцов, 105 Па (кгс/см2)

Гипс

100

Добавки

Мочевина

(1-3)К(1-3) О3016

Связующие материал

Свойства смеси

Количество

(1-3)К(1-3) О302,

Массовая доля составляющих, %

Наименование

Формовочный песок марок

5

0,4–0,6

1,0

–

–

–

2,0

100–140

0,04–0,06

8–10

6,0

5

–

–

5

–

–

2,0

120–160

0,03–0,05

10–12

4,0

5

–

–

–

0,75

0,5

2,6

140–170

0,05–0,06

25–27

18,0

П р и м е ч а н и е . * 10%-й водный раствор.

134

Таблица 8.15 Состав и свойства пластичных песчано-сульфитных и жидких песчано-цементных самотвердеющих смесей для изготовления форм и стержней при чугунном и стальном литье

Жидкая песчаноцементная

(1-2)К(1-2) О202 (1-2)К(1-2) О20315 (1-2)К(1-2) О202 (1-2)К(1-2) О20315

100

–

–

ГлинозеКБЖ мистый (плот100 цемент 7,0–8,0 ностью 9,0–11,0 марки 1,15 г/см) 400–500

135

Количество

Добавки Наименование

Количество

Отвердитель Наименование

Количество

Наименование

Количество

КБЖ 2,0–3,0

Пенообразователь

ХромоСЖК 0,05 вый 0,15 12–20 ангидВода 2,5–3,5 рид

–

–

Хлористое 0,2–0,3 железо

–

Прочность на сжатие, 105 Па (кгс/см2)

Текучесть, мм

Пластичная песчаносульфитная

Связующий материал Наименование

Марка

Наименование смеси

Количество

Формовочный песок

Свойства смеси

Живучесть, мин

Массовая доля составляющих, %

Выдержка, ч

–

1,5–2,0 >7

1

24

100 1,0–1,2 >7

Жидкие песчано-сульфитные смеси применяют для изготовления форм и стержней. Упрочняют их как за счет тепловой обработки, так и за счет введения в смесь химических реагентов, вызывающих самотвердение. При изготовлении смесей, предназначенных для получения стержней в горячих ящиках, в качестве добавки, способствующей переводу смеси в жидкое состояние, используют сульфонол НП1, а для повышения прочности стержня при его извлечении из ящика – фенолоспирт. Продолжительность упрочнения стержней в ящике, нагретом до 300°С, составляет 1,0–1,5 мин. Состав и свойства жидкой песчано-сульфитной смеси для изготовления стержней в горячих ящиках для чугунных отливок приведены в табл. 8.12. При изготовлении самотвердеющих смесей для перевода их в жидкое состояние вводят добавку РАС. В качестве добавок, вызывающих твердение смеси, вводят хромовый ангидрид, бихромат натрия и персульфат аммония, а в качестве катализатора – добавку медного купороса. При использовании персульфата аммония с целью повышения активности его действия в смесь вводят добавку феррохромового шлака. Состав и свойства жидких песчано-сульфитных самотвердеющих смесей для изготовления форм и стержней для чугунных и стальных отливок приведены в табл. 8.16.

136

Таблица 8.16

Массовая доля составляющих, %

Живучесть, мин

Текучесть, мм

Феррохромовый шлак

Прочность на сжатие, МПа

РАС

0,5

Хромовый 0,3–0,4 0,2–0,3 2–3 ангидрид

–

3,0–3,5 105–110 4–6 0,25–0,28 1,0–1,1

2

100

КБЖ

5,0

РАС

0,5

Бихромат 0,4–0,5 0,4–0,5 2–3 натрия

–

3,0–3,5 105–110 4–6 0,22–0,25 1,0–1,2

3

100

КБЖ

5,0

РАС

0,5

Персульфат 0,6–0,7 аммония

0,2

137

–

0,5–1,0 3,0–3,5 105–110 3–6

0,20

после сушки

5,0

через 1 ч

КБЖ

Вода

100

Формовочная глина

1

Количество

Количество

Медный купорос

Добавки

Наименование

Наименование

Отвердитель

Количество

ПеноСвязующий мате- образователь риал

Свойства смеси

Наименование

(1-2)К(1-2)О2016, (1-2)К(1-2)О202

Формовочный песок марок

Наименование смеси

Состав и свойства жидких песчано-сульфитных самотвердеющих смесей для изготовления форм и стержней при стальном и чугунном литье

1,2–1,5

138

8.5. Песчано-цементные смеси Песчано-цементные смеси применяют главным образом для изготовления крупных форм и стержней в условиях единичного производства отливок. В качестве связующего материала для данного типа смесей используют цемент в количестве 7–10%. Твердение песчано-цементных смесей связывают с выделением из пересыщенного водно-цементного раствора кристаллогидратов, которые, срастаясь друг с другом, образуют прочный кристаллический каркас, связывающий зерна формовочного песка. При использовании портландцемента такими кристаллогидратами преимущественно являются гидросиликаты кальция, а при использовании глиноземистого цемента – гидроалюминаты кальция. С целью ускорения процесса твердения песчано-цементных смесей в их состав вводят специальные добавки, такие, как патока, хлористый кальций, железный корпус, а для улучшения выбиваемости – небольшие добавки СДБ (до 2,5%). Песчано-цементные смеси относят к категории самотвердеющих смесей. Применяют пластичные и жидкие песчаноцементные смеси. Состав и свойства пластичных песчано-цементных смесей для изготовления форм и стержней при стальном и чугунном литье приведены в табл. 8.17. При изготовлении жидких песчано-цементных смесей в состав их вводят СДБ в количестве 9–11%, которая проявляет себя как пенообразующее поверхностно-активное вещество. Состав и свойства жидких песчано-цементных смесей, предназначенных для изготовления форм и стержней для стальных и чугунных отливок, приведены в табл. 8.15.

139

Таблица 8.17 Состав и свойства пластичных песчано-цементных самотвердеющих смесей для изготовления форм и стержней

Кварцевый песок

Наименование

Количество

Патока

Хлористый кальций

КБЖ

КВС

Железный купорос

1

90–92

Портландцемент марок 400 и 500

8–10

3,0

0,3–0,5

–

–

–

2

93

Глиноземистый цемент марок 400 и 500

7,0

–

–

2,5

1,0

0,5

Связующий материал

Продолжительность Прочность выдержки на сжатие, 105 Па (кгс/см2) до извлечения модели или раскрытия Выдержка, ч ящика, ч

Свойства

Наименование смеси

Массовая доля составляющих, %

140

Вода

Газопроницаемость

Добавки

1

4,0–5,0 200–300 0,15

2,5

150–200

2,0

24

7–9

2,0–3,0

7–9

1,0

8.6. Песчано-масляные стержневые смеси Название данного типа смесей условное, так как в настоящее время вместо масляных связующих широко используются их заменители (связующие П, ПТ, ГТФ, КО и др.), не содержащие в своем составе растительных масел. Песчано-масляные смеси широко применяют для изготовления ответственных стержней I, II и III классов в условиях мелкосерийного и крупносерийного производства отливок. Упрочнение стержней, изготовленных из данного типа смесей, как правило, осуществляют тепловой обработкой – сушкой, температура которой зависит от природы применяемого связующего материала и колеблется от 170 до 180°С при использовании в качестве основного связующего крепителя М, декстрина, пектинового клея, а при использовании крепителей П, ПТ, ГТФ – до 200–220°С. Помимо связующих материалов, в состав песчано-масляных смесей вводят добавки формовочной глины с целью повышения прочности стержней во влажном состоянии и предупреждения их деформации под влиянием собственной массы, а также добавки СДБ. Кроме указанных выше добавок, при литье сплавов на основе магния в состав смесей вводят специальные добавки: борную кислоту, фтористую присадку, которые предупреждают процесс окисления сплава в литейной форме. Состав и свойства песчано-масляных стержневых смесей, предназначенных для стальных, чугунных и цветных отливок, приведены в табл. 8.18 и 8.19.

141

Таблица 8.18 Типовые составы и свойства стержневых смесей для стальных и чугунных отливок Массовая доля составляющих, % Связующий материал*

Свойства смеси

2-й группы

3-й группы

Формовочная глина

КБЖ

Влажность, %

Газопроницаемость (не менее)

влажных на сжатие

сухих на разрыв

Прочность образцов 105 Па (кгс/см2)

1-й группы

Добавки

Количество

Обогащенный кварцевый или кварцевый песок Зерновая группа

Класс сложности стержней

I

02, 0315

100

2–3

–

–

–

1–3

2–3

130

0,03–0,07

7–10

II

02, 0315

100

–

2–3

–

1–3

2–4

2,5–3,5

100

0,06–0,12

5–7

100

–

–

3–6

0–4

3–4

3–5

100

0,1–0,15

4–6

016 III

02 0315

П р и м е ч а н и е . * Связующий материал выбирают в соответствии с табл. 5.1.

142

Таблица 8.19 Состав и свойства смесей для изготовления стержней при литье из цветных сплавов

Сплав

На основе алюминия и магния На основе меди

Массовая доля составляющих, % Класс Обогащенный сложСвязующий кварцевый или Добавки ности материал кварцевый песок стержней Зерновая Коли- Наиме- Количе- ФормоКБЖ группа чество нование ство вочная

Свойства смеси

Влажность, %

Прочность Газообразцов, 105 Па про(кгс/см2) ницаемость влажных сухих на (не ниже) на сжатие разрыв

I

02

100

П

2,0–2,2

–

–

2,0–3,0

100

0,03–0,06

5–8

II

02

100

ГТФ

0,9–2,0

–

1,5–2,0

2,0–3,0

80

0,06–0,1

5

III

016

100

ДП

2,0–3,0

3,0–4,0 1,5–2,0

3,0–4,0

70

0,1–0,15

3–5

2,0–3,0

100

0,03–0,06

5–8

3,0–4,0

90

0,08–0,1

4–6

3,0–4,0

80

0,1–0,2

3–5

I

02

100

П

2,0–2,2

–

II

02

100

ГТФ

3,0–3,5

3,0

III

02

100

ДП

3,0–4,0

–

1,5–2,0 3,0–4,0 1,5–2,0

П р и м е ч а н и е. При литье из магниевых сплавов в смесь вводится присадка серы (0,5–1,0%) и борной кислоты (0,5–0,6%).

143

9. Противопригарные покрытия 9.1. Механизм образования пригара и способы его предупреждения Пригаром называют дефект в виде трудно отделяемого слоя на поверхности отливки, образовавшегося вследствие физико-химического взаимодействия формы или стержня с расплавом и его окислами. Различают два вида пригара: механический и химический. Механический пригар образуется вследствие проникновения расплавленного металла в поры формы. Чем больше температура сплава и гидростатическое давление, а также размер пор в смеси, тем больше механический пригар. Для того, чтобы возник механический пригар, сплав должен проникнуть в поры формы или стержня на глубину не меньше диаметра зерна формовочного песка (0,1–0,315 мм). В этих условиях возникает капиллярное давление, которое может способствовать (при условии смачивания сплавом формы) либо препятствовать (когда сплав не смачивает форму) проникновению сплава в поры формы. Сплав проникает в поры формы под действием гидростатического и капиллярного давления. Глубина проникновения металла в поры формы может быть найдена из выражения h=H −

2σ ⋅ cos θ , ρ⋅r

где h – глубина проникновения металла в поры формы; Н – гидростатический напор сплава в форме; σ – поверхностное натяжение сплава; θ – краевой угол смачивания; ρ – плотность сплава; r – радиус пор. Капиллярное давление будет препятствовать (при 90°< θ <180°) либо способствовать (при 0°< θ <90°) проникновению сплава в поры формы. Жидкий неокисленный сплав не смачивает поверхность формы, и поэтому капиллярное давление будет препятствовать образованию пригара на отливках. Исключить или значительно уменьшить образование механического пригара возможно созданием восстановитель-

144

ной атмосферы в полости литейной формы и на границе “металл – форма” при заполнении ее сплавом до момента образования на поверхности отливки твердой корочки затвердевшего сплава. Химический пригар возникает на отливках в результате физикохимического взаимодействия на границе “металл – форма” в результате сложных реакций между металлом отливки, его оксидами и материалом формы. В отличие от механического пригара зерна формовочного песка в прогреваемом слое связываются главным образом продуктами химических реакций, протекающих при высоких температурах, преимущественно силикатами. Оксиды железа хорошо смачивают кварцевый песок и под действием капиллярного давления легко проникают в поры формы, вступая в реакцию с кремнеземом: 2FeO + 2SiO2 → 2FeO · SiO2 В сплавах с высоким содержанием марганца образованию пригара способствует аналогичная реакция между закисью марганца и кремнеземом 2Mn + 2SiO2 → 2MnO · SiO2 Образующиеся в результате этих реакций легкоплавкие силикаты после затвердевания цементируют зерна песка в слой пригара. Для уменьшения пригара в формовочные и стержневые смеси вводят специальные противопригарные добавки. При производстве крупных стальных отливок в качестве противопригарных добавок в облицовочные формовочные и стержневые смеси вводят: 15–30% пылевидного кварца (> 94,5% SiO2), до 25% цирконового песка; до 15% серебристого графита (кристаллического), обладающего большой термохимической устойчивостью до 1800°С. Пылевидный кварц уменьшает пористость, цирконовый песок и серебристый графит увеличивают огнеупорность смесей. При чугунном литье для уменьшения пригара в смеси вводят пылевидный каменный уголь. В период заливки формы частицы угольной пыли сгорают, выделяя СО и СО2, образующие газовую прослойку между формой и жидким металлом. В начальный момент заливки и в период снятия теплоты перегрева при дефиците О2 на поверхности отливки образуется в основном оксид углерода СО. Кроме 145

того, СО создает в форме восстановительную атмосферу, которая препятствует образованию оксидов сплава, способствующих смачиванию зерен формовочного песка и проникновению металла в поры формы. Каменный уголь должен выделять при сгорании не менее 30% летучих веществ и не более 11% золы. В нем должно быть не более 2% серы и 12% влаги. Дисперсность помола угля и его содержание в смеси зависят от толщины стенок отливок и могут быть выбраны по табл. 9.1. Таблица 9.1 Дисперсность и содержание угля в формовочной смеси Толщина стенок отливок, Содержание угля в масс.д., Размер зерен мм % 3–5

0

–

5–10

3

0063

10–25

3–4

016

25–50

4–5

02

50

6–8

0315

Мазут в качестве противопригарной добавки применяют в облицовочных смесях для мелких чугунных отливок и отливок из медных сплавов, получаемых в сырых песчано-глинистых формах. Действие его подобно каменноугольной пыли. Мазут обладает меньшей зольностью, поэтому смеси более долговечны и газопроницаемы. Обладая большей газотворностью, содержание мазута в смеси не должно превышать 1–1,5%. При литье магниевых сплавов в формовочные и стержневые смеси вводят защитные присадки (табл. 9.2), которые, интенсивно выгорая в процессе заливки металла, образуют между сплавом и стенками формы или стержня газовую прослойку с инертной атмосферой, препятствующей окислению отливки и горению сплава.

Таблица 9.2

146

Состав защитных присадок для магниевых сплавов Присадка

Состав

Смесь

Фтористая

Не менее 61,5% фтора; 22,5% аммония; 4,5–5,5% бора

Формовочная

Серный цвет

Не менее 98% серы

Стержневая

Борная кислота

Не менее 99% Н3ВО3

ВМ

Мочевина СОNH2; коагулянт Al2(SO3) · 18Н2О; борная кислота Н3ВО3

Количество присадки, %

Формовочная Стержневая Формовочная

4–8 2 До 0,3 4–6

9.2. Противопригарные краски и пасты Введение противопригарных добавок в состав формовочных и стержневых смесей не всегда может обеспечить получение отливок без пригара. Одним из наиболее распространенных способов предупреждения образования пригара на отливках является нанесение защитных покрытий на поверхность изготовленных форм и стержней, которые препятствуют проникновению жидкого металла в поры смеси и химическому взаимодействию оксидов металла с материалом формы. Формовочные краски должны обладать следующими свойствами: − иметь большую температуру плавления и не размягчаться от соприкосновения с расплавом; − оставаться постоянными по составу во время их приготовления, хранения и использования; − обладать хорошей кроющей способностью; − слой краски, нанесенный на поверхность формы или стержня, не должен трескаться при сушке форм и стержней; − после подсушки удерживаться на поверхности формы или стержня. Противопригарные краски состоят из огнеупорной основы (наполнителя), связующего материала и растворителя. Для предупреждения преждевременного осаждения наполнителя, т. е. с целью повышения устойчивости красок, в их состав вводят стабилизаторы. В 147

качестве стабилизатора применяют такие вещества, которые неограниченно набухают в жидкости и тем самым создают условия, препятствующие осаждению частичек наполнителя. В состав красок также вводят специальные добавки, предупреждающие брожение (формалин), ускоряющие их упрочнение (катализатор) и др. В качестве наполнителей красок используют пылевидный кварц, графит, тальк, циркон, а также некоторые другие материалы. Пылевидный кварц применяют для покрытий форм и стержней при стальном литье, графит – для покрытий форм и стержней при чугунном и цветном литье, тальк – при цветном литье и циркон – при крупных стальных отливках. Для приготовления красок применяют водорастворимые и органорастворимые связующие материалы. В состав водорастворимых красок входят органические связующие материалы: сульфитно-дрожжевая бражка, декстрин, патока, крахмалит, древесный пек – и не органические материалы: жидкое стекло, сульфат алюминия [(Al2(SO4)3 · 18H2O], сульфат магния (MgSO4 · 7H2O), триполифосфат натрия (Na5P3O10)n. В составе органорастворимых красок (самовысыхающих – не требующих сушки) в качестве связующих применяют органические материалы: нитролак 644, поливинилбутираль и кремнийорганические материалы: лак КО-075 и смолу К-9. Для разведения красок до требуемой плотности используют воду или органические жидкости. В качестве органических растворителей красок применяют уайт-спирит, этиловый спирт, растворитель 646, растворитель обувного гарнитоля. В качестве стабилизаторов в состав красок вводят добавку бентонита, а также высокомолекулярные вещества, такие, как поливиниловый спирт (ПВС), карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ). Помимо своего назначения, стабилизаторы являются и связующими материалами, повышающими прочность слоя краски. При подборе составов противопригарных красок принимается во внимание вид сплава, масса изготовляемых отливок, особенности формовочных или стержневых смесей. Учитывая многообразие факторов, определяющих требования к противопригарным покрытиям,

148

оптимальные составы красок, как правило, устанавливаются опытным путем.

9.2.1. Водные противопригарные краски Водные краски применяют главным образом для форм и стержней, подвергаемых сушке. В отдельных случаях их также применяют при изготовлении форм и стержней из самотвердеющих смесей, но при этом необходимо использовать поверхностную подсушку слоя краски. Состав и свойства водных противопригарных красок с органическими и неорганическими связующими материалами приведены в табл. 9.3 и 9.4. Водные краски с неорганическими связующими материалами применяют главным образом при массивном чугунном и стальном литье. Характерной особенностью этих красок является использование в качестве связующего материала водных растворов сульфатов алюминия и магния, а также триполифосфата натрия, которые придают краскам высокую термостойкость. Последняя достигается благодаря тому, что в процессе теплового разложения этих связующих материалов при температурах 700–1000°С они прочно спекаются в химически инертное к оксидам металла состояние. Упрочнение красочного слоя происходит после испарения влаги при температуре 100–200°С, поэтому формы и стержни, окрашенные такими красками, подвергают сушке при указанной выше температуре.

149

Таблица 9.3 Состав водных противопригарных красок с органическими связующими материалами

Назначение красок

Марка пасты

Циркон

Графит скрытокристаллический

Графит кристаллический

Тальк

КБЖ

Бентонит

Декстрин

Крепитель КВ

Патока

Крахмалит

Крепитель ДП

Растворитель (вода)

Связующий материал

Пылевидный кварц

Наполнитель

Плотность краски, 103 кг/м3

Массовая доля составляющих, %

Для стального литья

СТ

91–95

–

–

–

–

2–6

3

–

–

–

–

–

25

1,40–1,45

Для массивного стального и чугунного литья

ЦБ

–

92–96

–

–

–

2–6

2

–

–

–

–

–

16

1,8–2,0

–

–

84

–

–

–

5

–

5,5

5,5

–

–

35

1,3–1,35

3,1

–

Для чугунного литья ГП-2 Для отливок из цветных сплавов

ГП-1

–

–

89,2

3, 3

–

3,3

–

–

–

1,1

35

1,28–1,30

ТП-2

–

–

–

–

92,4

–

1,8 3, 4

–

–

–

2,4

36

1,40–1,42

ТП-1

–

–

–

–

92,5

–

3,1

–

–

1,6

2,8

35

1,35–1,40

–

П р и м е ч а н и е. Для предупреждения процесса брожения в состав красок вводят формалин из расчета 40 г на 100 кг пасты. Данные составы красок приготавливаются из паст, которые поставляются централизованно.

150

Таблица 9.4 Составы водных противопригарных красок с неорганическими связующими материалами для чугунного и стального литья Массовая доля составляющих, % Наполнитель

Связующий материал

Растворитель

Водные растворы

НаименоваДистенние Жидкое Бенсмеси Циркон силлима- стекло сульфата сульфата триполи- тонит нит алюминия магния фосфата плотплотнатрия ностью ностью плотностью 1250 кг/м3 1200 кг/м3 1150 кг/м3 1

68

–

5

–

2

68

–

–

3

68

–

–

4

–

45

5

68

–

Водный раствор ПВС или КМЦ вязкостью по В 3–4, с Плотность краски, 103 кг/м3 Вода 20–22 35–40 50–55

–

–

–

–

27

20

–

–

2

10

–

15

–

–

–

–

–

15

–

–

–

–

–

15–20

–

151

–

–

1,92–1,95

–

–

–

1,95–2,00

–

17

–

1,90–1,95

–

40

–

–

1,45–1,50

–

–

–

12–17 1,90–1,95

Номенклатура и свойства наиболее распространенных промышленно выпускаемых водных противопригарных красок, а также рекомендации по их применению представлены в табл. 9.5. Таблица 9.5 Номенклатура готовых противопригарных красок из порошков, выпускаемых промышленностью Марка противопригарной краски

Наполнитель

Свойства разведенных красок Влажность Область Вязкость порошка, %, Плотность применения разведенной условная, с, не более краски, кг/м3 не более

ГС-1М

Графит

9,0

1300–1320

25

КГС-1

Кварц, графит

4,0

1380–1430

18

ТС-1М

Тальк

9,0

1460–1520

25

ТГС-1М

Тальк, графит

9,0

1340–1380

25

ДСК-1

Дистенсиллиманит

4,0

1670–1680

25

ЭС-1

Электрокорунд

2,0

1810–1910

22

ЭКС-1

Электрокорунд

2,0

1940–1980

25

Отливки из чугуна, цветные сплавы Стальные отливки

Они поставляются в виде порошкообразных композиций, содержащих все необходимые компоненты (наполнитель, связующее, стабилизаторы, технологические добавки). Для получения готовых к употреблению противопригарных красок эти порошки разводят в воде до нужной консистенции. В табл. 9.6 приведены составы самотвердеющих водных красок, которые не требуют подсушки. В качестве связующего материала в них применяют сульфитнодрожжевую бражку. В качестве окислителя связующего, который придает краске способность к самотвердению, используется добавка персульфата аммония [(NH4)2S2O8]. Для получения требуемой плотности при оптимальном количестве воды в состав краски вводят добавку технической мочевины. В отличие от обычных водных красок, у которых при сушке происходит испарение воды, из данных красок вода не испаряется, а лишь химически связывается, поэтому в отдельных случаях, во избежание вскипов жидкого металла, формы и

152

стержни целесообразно подсушивать. Водные самотвердеющие покрытия применяют для окраски форм и стержней, изготовленных из самотвердеющих смесей, при стальном и чугунном литье. Таблица 9.6 Составы самотвердеющих противопригарных красок Массовая доля составляющих, %

Для чугунного литья

0–0,5 0–0,5 4,0 14–19 2,0–2,2

8,0

0–0,5 0–0,5 4,0 14–19 1,8–2,0

Растворитель (вода)

8,0

–

Персульфат аммония

–

–

Оксид цинка

–

Техническая мочевина

Связующий материал КБЖ

Плотность краски 103 кг/м3

Графит кристаллический

Для 72,5–73,5 – стального 50 22,5–23,0 литья

Добавки

Графит скрыто-кристаллический

Пылевидный кварц

Наименование краски

Циркон

Наполнитель

–

–

33,0–33,5 16,5

10,0 10–15 0–0,5 2,5 25–30 1,35–1,40

–

–

46,0–50,0

10,0 10–15 0–0,5 2,5 25–30 1,35–1,40

–

9.2.2. Самовысыхающие противопригарные краски Данный тип красок имеет быстроиспаряющиеся неорганические растворители, для возгонки которых нет необходимости применять сушку. Самовысыхающие покрытия применяют для форм и стержней, изготовляемых из самотвердеющих смесей. В табл. 9.7 приведены составы самовысыхающих противопригарных красок. В качестве связующих материалов в состав красок вводят древесный пек, нитролаки 644 и 68, поливинилбутираль, причем нитролаки и поливинилбутираль одновременно с основным своим назначением выполняют также функцию стабилизатора. В качестве растворителей в состав красок вводят этиловый спирт, уайт-спирит или растворитель 646. Краски № 1 и 2 с цирконовым наполнителем применяют при стальных отливках. Краски № 3, 4, 5 и 6 на графитовом наполнителе применяют при чугунном, а краску № 7 на тальковом наполнителе – при цветном литье.

153

Таблица 9.7 Составы самовысыхающих красок с органическими связующими материалами Массовая доля составляющих, % Графит скрытокристаллический

Графит кристаллический

Тальк

Древесный пек

Нитролак 644

Нитролак 68

Поливинилбутираль

Растворитель

Этиловый спирт

Уайт-спирит

Растворитель

Циркон

Связующий материал

Номер краски

Наполнитель

Плотность, 103 кг/ м3

1

53

–

–

–

–

10

–

–

37

–

–

1,80–1,90

2

60

–

–

–

–

–

–

2,5

–

37,5

–

1,75–1,85

3

–

37

13

–

–

–

37

–

–

–

13

1,25–1,30

4

–

30

12

–

–

–

41

–

17

–

–

1,25–1,28

5

–

45

5

–

5,5

–

–

–

–

44,5

–

1,25–1,28

6

10

35

–

–

–

–

–

2,5

–

52,5

–

1,15–1,25

7

–

–

–

42

–

–

–

2,5

–

55,5

–

1,75–1,85

Противопригарные самовысыхающие краски в виде готовых к употреблению суспензий на основе связующего форлака выпускаются централизованно (ТУ 4191−004−00224656−00) (табл. 9.8). Эти краски наиболее эффективны при использовании холоднотвердеющих смесей. Таблица 9.8 Номенклатура готовых самовысыхающих противопригарных красок на основе форлака Время Марка противоПлотность Область примеВязкость, высыхания, пригарной Наполнитель краски, нения с 3 мин, не более краски кг/м ПГС-1А

Графит

1050–1000

22–26

60

Отливки из чугуна и цветных сплавов

ПДС-1А

Дистенсиллиманит

1280–1320

28–32

60

Стальные отливки

ПТС-1А

Тальк

1220–1250

26–30

60

Отливки из чугуна

154

Лак представляет собой раствор модифицированного высокополимерного связующего в органическом растворителе, после испарения которого формируются прочные эластичные пленки. Растворителем лака служит растворитель антипригарных красок, состоящий из спирта этилового, ацетона и бензина-растворителя.

9.3. Приготовление противопригарных красок В литейных цехах для приготовления покрытий, а также при разведении централизованно поставляемых противопригарных композиций, обычно применяют краскомешалки, основные типы которых представлены на рисунке. Наилучшее качество перемешивания обеспечивают лопастные мешалки с отражательными перегородками и частотой вращения рабочего вала 100−200 об/мин. Использование таких аппаратов позволяет существенно сократить длительность процесса приготовления покрытий. При выборе или изготовлении мешалок рекомендуются следующие соотношения основных геометрических параметров установок (см. рисунок, а): D/d = 1,6 ÷ 3; D/b1 = 10 ÷ 12; d/h2 = 1 ÷ 6; H/d = 1 ÷ 1,3; H/h1 = 1,2 ÷ 1,4; d/b2 = 5 ÷ 10.

а

б

в

г

Схемы основных типов краскомешалок: а – лопастная с отражательными перегородками (n = 100÷300 об./мин); б – лопастная (n = 60÷100 об./мин); в – рамная или якорная (n = 30÷60 об./мин); г – краскомешалка, работающая на сжатом воздухе

155

Иногда применяют барботажные аппараты (см. рисунок, г), в которых перемешивание обеспечивается сжатым воздухом, пропускаемым через слой суспензии. Однако данный способ малоэффективен, приводит к насыщению покрытия пузырьками воздуха. При разведении централизованно выпускаемых покрытий в мешалку следует сначала заливать воду (30−60% от ее оптимального содержания), затем отдельными порциями загружать поставляемый концентрат (пасту, порошок или гранулированный продукт). Массу перемешивают в течение 30−60 мин, выдерживают 60−120 мин, перемешивают снова 30−60 мин и добавляют воду до необходимой плотности. Однородность полученной суспензии оценивают путем нанесения на стеклянную пластинку. На пластинке не должны присутствовать включения, выступающие над слоем покрытия. При изготовлении покрытий из отдельных компонентов рекомендуется сначала готовить жидкую композицию, т. е. раствор связующего, суспензирующего и других веществ, образующих истинные или коллоидные растворы. Рецептуру этой композиции необходимо рассчитывать таким образом, чтобы содержание в ней растворителя было на 20−30% меньше того количества, которое требуется для получения суспензии с заданной плотностью. Затем в жидкую систему вводят наполнитель, тщательно перемешивают и добавляют остальной растворитель. При получении самовысыхающих покрытий целесообразно предварительно изготовлять жидкую композицию (лак) с содержанием растворителя, позволяющего при совмещении этой композиции с самотвердеющим количеством наполнителя создавать суспензию необходимой плотности. Такая технология обеспечивает сокращение операций, связанных с дозированием летучих растворителей, и получила распространение при использовании компонентов, для растворения которых требуется длительное время (несколько часов), например в случае применения поливинилбутираля. Водные покрытия можно готовить в два этапа. На первом этапе осуществляется совмещение компонентов с получением пастообразной массы. Для этого используют чашечный смеситель (бегуны). На втором этапе пасту разводят водой до необходимой плотности. Обработку компонентов в бегунах целесообразно осуществлять в такой 156

последовательности: загрузка и предварительная гомогенизация – смешение сыпучих материалов и введение веществ, обладающих поверхностно-активными свойствами (например, ЛСТ), загрузка жидких составляющих и доведение массы до пастообразного состояния. Покрытия, изготовляемые по данной технологии, отличаются более высоким качеством, поскольку в чашечном смесителе наряду со сдвиговым обеспечивается раздавливающее воздействие, а тем самым – эффективное диспергирование. Для получения паст можно использовать и другие типы смесителей, например, двухвальные смешивающие установки с Z-образными лопастями. Противопригарные пасты и натирки обычно готовят в смешивающих бегунах в той же последовательности, что и покрытия.

9.4. Нанесение и сушка противопригарных покрытий Традиционными методами, широко используемыми в литейных цехах, являются окраска кистью и пневматическим распылением. В условиях массового производства широкое распространение получила технология нанесения покрытия окунанием. На формы и стержни для тонкостенных отливок массой до 300−500 кг покрытия обычно наносят одним слоем; при производстве отливок большей массы следует применять двухразовую окраску. В последнем случае для первого слоя надо использовать покрытие с более низкой плотностью, чем для второго слоя. При использовании традиционных покрытий одноразовая окраска обеспечивает создание слоя толщиной 300−500 мкм, а двухразовая – до 800 мкм (имеется в виду толщина отвержденного покровного слоя). Водные покрытия, в том числе самотвердеющие, наносят кистью, распылением, окунанием; самовысыхающие – кистью. Перед окраской покрытие должно быть тщательно перемешано, при необходимости отфильтровано. Тепловая сушка водных покрытий должна осуществляться при температуре, не вызывающей деструкцию связующего. Покрытия с

157

органическими связующими (крахмалитом, декстрином и др.) следует сушить при 200−250°С. Для повышения эффективности сушки и предотвращения возможного перегрева покрытия (с органическим связующим) сушильные камеры надо оборудовать вентиляционными установками (вытяжной и рециркуляционной).

10. Регенерация отработанных смесей 158

Различают регенерацию песков и регенерацию смесей. При регенерации смесей стремятся к сохранению активного связующего на зернах формовочного песка, а при регенерации песков – к удалению пленок отработанного связующего с зерен песка. Регенерация смеси возможна при обратимом характере затвердевания связующего материала, что характерно для монтмориллонитовых и каолинитовых глин и применяется при литье отливок в песчано-глинистые формы. Регенерации подвергают отработанные смеси с участков выбивки форм и стержней, в том числе из гидрокамер, а также отвальные смеси из различных точек литейного цеха. К числу основных операций процесса регенерации отработанных смесей относят: дробление комьев смеси, отделение металлических включений, отсев спекшихся комочков смеси, отделение инертных наслоений с поверхности зерен песка, удаление пылеобразных веществ и охлаждение полученного продукта до температуры окружающей среды. Основные операции процесса регенерации осуществляются как в воздушной, так и в водной среде. Помимо основных, в процессе регенерации отработанных смесей осуществляются также и побочные операции, в частности, осветление сточных вод и сгущение шлама.

Технологические схемы процессов регенерации На рис. 10.1 приведена технологическая схема переработки песчано-глинистых смесей, поступающих с выбивных решеток. Конечным продуктом по этой схеме является оборотная смесь. Из-под выбивной решетки 1 смесь поступает на ленточный конвейер 3 и далее, пройдя через магнитный сепаратор 2, транспортируется в дезинтегратор 4, где разрыхляется и передается на грохот 5 для отсева спекшихся комочков. Подготовленная таким образом смесь поступает в бункер 6, − а затем в гомогенизатор 7. В гомогенизаторе смесь сначала увлажняется, а затем поступает в испарительноохладительную установку 8, где она по температуре и влажности доводится до требуемых норм. Из охладителя смесь через элеватор 9

159

Рис. 10.1. Технологическая схема переработки песчано-глинистых смесей, поступающих с выбивных решеток: 1 – выбивная решетка; 2 – магнитный сепаратор; 3 – ленточный конвейер; 4 – дезинтегратор; 5 – грохот; 6 – бункер; 7 – гомогенизатор; 8 – испарительно-охладительная установка; 9 – элеватор; 10 – бункеры

и систему транспортеров поступает в бункер 10 для потребления. Данная схема переработки отработанной смеси является наиболее совершенной и применяется в крупных литейных цехах с большим потреблением формовочных и стержневых смесей. В цехах с меньшим объемом производства применяется более упрощенная схема переработки отработанных смесей, которая позволяет использовать полученную оборотную смесь в виде компонента при приготовлении формовочных смесей в количестве 90−95%. Отливки с приставшей к ним смесью, а также стержни, находящиеся в отливках, направляются в очистное отделение. В результате очистки отливок в очистном отделении получают смесь примерно в количестве 10% от всей отработанной смеси. Эта смесь, а также отходы из-под сит поступают в отвальный бункер. В отвальных смесях содержится 60−70% годных зерен песка, поэтому эти смеси подвергаются регенерации с целью выделения годных зерен песка для повторного применения. На рис. 10.2 представлена технологическая схема процесса регенерации отработанных и отвальных смесей смешанного типа, основными примесями которых являются продукты разрушения жидкого стекла, феррохромового шлака, угля и сульфитно-спиртовой бражки.

160

Рис. 10.2. Технологическая схема регенерации отработанных и отвальных смесей смешанного типа: 1 – магнитный сепаратор; 2– грохот; 3, 4 – дробилки; 5 – бак; 6 – насос; 7 – конический классификатор; 8 – спиральный классификатор; 9 – оттирочная машина; 10 – мешалка; 11 – бак; 12 – дренажный закром; 13 – барабанное сушило; 14 – барабанный охладитель

Отвальные смеси из различных участков цеха подаются на общий ленточный транспортер. Пройдя под магнитным сепаратором 1 дробилки 3 и 4 и грохот 2, они смешиваются с водой и поступают в бункер 5. Затем отработанные смеси в виде пульпы с помощью насоса 6 по трубопроводам передаются в конический классификатор 7. Одновременно в конический классификатор передается пульпа от гидрокамер, предварительно подвергнутая магнитной сепарации и грохочению. Из конического классификатора продукт поступает на спиральный классификатор 8 и оттирочную машину 9, где отделяются инертные пленки связующего с поверхности зерен песка. Затем продукт перемешивается с водой в мешалке 10 и в виде пульпы с помощью насоса передается во второй, а затем в третий спиральный классификатор для дополнительной оттирки инертных пленок с поверхности зерен песка. После этих операций продукт поступает в дренажный закром 12, а затем в барабанное сушило 13 и барабанный охладитель 14. Из конического и спиральных классификаторов сливные воды самотеком поступают в бак 11, а из него – на участок осветления вод и сгущения шлама. На рис. 10.3 приведена технологическая схема регенерации отработанных стержневых смесей, поступающих из гидрокамер.

161

Рис. 10.3. Технологическая схема регенерации отработанных смесей, поступающих из гидрокамер: 1 – гидромонитор; 2 – гидрокамера; 3 – грохот; 4 – насос; 5 – конический классификатор; 6 – спиральный классификатор; 7 – дренажный закром; 8 – барабанное сушило

Конечный продукт регенерации – формовочный песок (регенерат). Из-под решетки гидрокамеры 2 отработанная стержневая смесь, вымываемая из отливки с помощью гидромонитора 1, попадает на грохот 3, где производится отсев спекшихся комочков смеси. Из бункера, расположенного под грохотом, с помощью насоса 4 смесь в виде водно-песчаной пульпы по трубопроводу направляется в конический классификатор 5, в котором осуществляется частичное отделение сливными водами пылеобразных продуктов. Из этого классификатора смесь поступает в спиральный классификатор 6, в котором производится оттирка инертных пленок с поверхности зерен песка, после чего продукт поступает в дренажный закром 7 для удаления свободной влаги. Из дренажного закрома с помощью грейферного крана продукт поступает в барабанное сушило 8, а затем для потребления – в смесеприготовительное отделение цеха. Регенерированный песок содержит не более 1% органических включений – продуктов разрушения связующих материалов отработанных смесей. На рис. 10.4 приведена технологическая схема регенерации отработанных песчано-смоляных самотвердеющих смесей, поступающих также от выбивных решеток.

162

Рис. 10.4. Технологическая схема регенерации отработанных песчано-смоляных самотвердеюших смесей, поступающих от выбивных решеток: 1 – выбивная решетка; 2 – магнитный сепаратор; 3 – вибропитатель; 4 – щековая дробилка; 5 – роторная дробилка; 6 – грохот; 7 – сепаратор-обеспыливатель; 8 – камерный насос; 9 – разгрузочный бункер; 10 – охладитель; 11 – бункер установки для приготовления смесей

Из-под выбивной решетки 1 горячая смесь по вибропитателю 3, пройдя магнитный сепаратор 2, попадает в щековую дробилку 4, где производится дробление спекшихся комков. Из щековой дробилки по системе транспортеров после вторичной магнитной сепарации смесь поступает в роторную дробилку 5, в которой производится отделение инертных пленок связующего с поверхности зерен песка. Из роторной дробилки смесь, пройдя через грохот 6, попадает в сепараторобеспыливатель 7, где производится отделение пылеобразных составляющих от кондиционной части зернового продукта. Из сепаратора с помощью камерного насоса 8 по трубопроводу продукт сначала поступает в разгрузочный бункер 9, а затем в охладитель 10, откуда по системе пневмотранспортера охлажденный продукт передается в бункер смесителя непрерывного действия 11 для использования в качестве огнеупорной основы формовочных и стержневых смесей. Данная схема регенерации песчано-смоляных смесей позволяет получить продукт, который можно использовать в качестве заменителя свежего формовочного песка в количестве до 70−90%.

163

Список литературы 1. Боровский Ю. Ф. Формовочные и стержневые смеси / Ю. Ф. Боровских, М. И. Шацких. − Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. − 86 с. 2. Васильев В. А. Физико-химические основы литейного производства: Учебник для вузов. − М.: Интермет Инжиниринг, 2001. − 336 с. 3. Гуляев Б. Б. Формовочные процессы / Б. Б. Гуляев, О. А. Корнюшкин, А. В. Кузин. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. − 264 с. 4. Формовочные материалы и смеси / С. П. Дорошенко, В. П. Авдокушин, К. Русин, И. Мацашек. − Киев: Выща шк.; Прага: СНТЛ, изд-во техн. лит., 1990. − 415 с. 5. Формовочные материалы и технология литейной формы: Справочник / С. С. Жуковский, Г. А. Анисович, Н. И. Давыдов, Н. Н. Кузьмин, Э. Л. Атрощенко, И. П. Ренжин, Б. Л. Суворов, С. Д. Тепляков, А. А. Шпектор; Под общ. ред. С. С. Жуковского. – М.: Машиностроение, 1993. − 432 с. 6. Илларионов И. Е. Формовочные материалы и смеси: Монография / И. Е. Илларионов, Ю. П. Васин. − Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1992. − Ч. 1. − 223 с. 7. Сварика А. А. Покрытия литейных форм. − М.: Машиностроение, 1977. − 216 с. 8. Степанов Ю. А. Формовочные материалы / Ю. А. Степанов, В. И. Семенов. − М.: Машиностроение, 1969. − 157 с. 9. ГОСТ 2138−91. Пески формовочные. Общие технические условия. 10. ГОСТ 29234.0−91 – ГОСТ 29234.13−91. Общие требования к методам испытаний формовочных песков. 11. ГОСТ 3594.0 −77 – ГОСТ 3594.12−77. Глины формовочные. Методы испытаний. 12. ГОСТ 3594.0−93 – ГОСТ 3594.15−93. Глины формовочные огнеупорные. Методы испытаний. 13. ГОСТ 3226−93. Глины формовочные огнеупорные. Общие технические условия. 14. ГОСТ 28177−89. Глины формовочные бентонитовые. Общие технические условия. 164

СОДЕРЖАНИЕ Введение.......................................................................................................................................... 3 1. Понятия о формовочных материалах и их основные виды................................................ 5 1.1. Свойства формовочных и стержневых смесей ................................................................ 5 1.2. Гидравлические свойства ................................................................................................... 6 1.3. Механические свойства .................................................................................................... 10 1.4. Технологические свойства ............................................................................................... 12 1.5. Теплофизические свойства............................................................................................... 16 2. Структура формовочных, стержневых смесей и красок .................................................. 19 3. Исходные материалы............................................................................................................ 25 3.1. Минералогический состав формовочных песков .......................................................... 25 3.2. Классификация формовочных песков............................................................................. 26 3.3. Технологические требования к формовочным пескам ................................................. 29 3.3.1. Определение глинистых частиц формовочных песков ............................................. 31 3.3.2. Определение среднего размера зерна и коэффициента однородности.................... 34 3.3.3. Определение предела прочности при сжатии формовочного песка во влажном состоянии (ГОСТ 29234.4−94)............................................................................... 36 3.3.4. Метод определения влаги формовочного песка......................................................... 37 3.3.5. Определение рН формовочного песка по ГОСТ 29234.6−91.................................... 38 3.3.6. Определение газопроницаемости формовочного песка ............................................ 38 3.3.7. Определение потери массы формовочного песка при прокаливании ..................... 39 3.4. Высокоогнеупорные формовочные материалы ............................................................. 40 3.4.1. Хромит ............................................................................................................................ 41 3.4.2. Магнезит ......................................................................................................................... 42 3.4.3. Хромомагнезит............................................................................................................... 43 3.4.4. Циркон ............................................................................................................................ 43 3.4.5. Оливин ............................................................................................................................ 44 3.4.6. Дистен-силлиманит ....................................................................................................... 44 3.4.7. Шамот.............................................................................................................................. 44 3.5. Рекомендации по применению свежих формовочных песков ..................................... 46 4. Формовочные глины............................................................................................................. 48 4.1. Происхождение глин......................................................................................................... 48 4.2. Минералогический состав формовочных глин ............................................................. 48 4.3. Структура глин .................................................................................................................. 50 4.4. Классификация глин ......................................................................................................... 52 4.5. Свойства формовочных глин ........................................................................................... 56 4.6. Применение формовочных глин...................................................................................... 60 5. Связующие материалы для формовочных и стержневых смесей ................................... 61 5.1. Основные требования, предъявляемые к связующим материалам.............................. 61 5.2. Физико-химические свойства связующих материалов ................................................. 62 5.3. Классификация связующих материалов ......................................................................... 66 5.4. Масла .................................................................................................................................. 68 5.5. Полисахариды.................................................................................................................... 71 5.6. Лигносульфонаты.............................................................................................................. 72 5.7. Синтетические смолы ....................................................................................................... 74 5.8. Силикаты ............................................................................................................................ 81 5.8.1. Жидкое стекло................................................................................................................ 81 5.8.2. Цементы .......................................................................................................................... 84 5.9. Фосфаты ............................................................................................................................. 85 5.10. Алюминаты..................................................................................................................... 87 5.11. Этилсиликаты................................................................................................................. 88 6. Вспомогательные материалы............................................................................................... 90

165

6.1. Припылы, разделительные смазки .................................................................................. 90 6.2. Литейные клеи и замазки.................................................................................................. 93 6.3. Прокладочные жгуты и стержневые фитили ................................................................. 94 6.4. Экзотермические смеси и теплоизоляционные материалы .......................................... 95 6.5. Добавки специального назначения.................................................................................. 97 7. Подготовка исходных материалов .................................................................................... 101 8. Формовочные и стержневые смеси................................................................................... 107 8.1. Песчано-глинистые смеси .............................................................................................. 109 8.2. Песчано-жидкостекольные смеси.................................................................................. 115 8.3. Песчано-смоляные смеси................................................................................................ 122 8.4. Песчано-сульфитные смеси............................................................................................ 131 8.5. Песчано-цементные смеси.............................................................................................. 137 8.6. Песчано-масляные стержневые смеси .......................................................................... 139 9. Противопригарные покрытия ............................................................................................ 142 9.1. Механизм образования пригара и способы его предупреждения.............................. 142 9.2. Противопригарные краски и пасты ............................................................................... 145 9.2.1. Водные противопригарные краски ............................................................................ 147 9.2.2. Самовысыхающие противопригарные краски ......................................................... 151 9.3. Приготовление противопригарных красок................................................................... 153 9.4. Нанесение и сушка противопригарных покрытий ...................................................... 155 10. Регенерация отработанных смесей ................................................................................. 157 Список литературы .................................................................................................................... 162

166