Состав формовочных и стержневых смесей включает в себя разнообразные компоненты: огнеупорный наполнитель (песок), связующие агенты (глину и другие крепители), а также добавки для предотвращения пригара.
В производстве используют чистые пески, характеризующиеся минимальным содержанием натрия, оксидов железа и иных вредных примесей, снижающих огнеупорность. Глина в составе песчано-глинистых смесей отвечает за пластичность и прочность материала. Формовочные смеси предназначены для многократного использования, однако в каждом цикле их необходимо обновлять: увлажнять или добавлять песок, связующее и свежие компоненты. Для оптимизации характеристик песчано-глинистых смесей применяются следующие добавки:
- для борьбы с пригаром в чугунное литье добавляют угольную пыль, а для стального — пылевидный кварц;
- для повышения газопроницаемости в состав вводят жидкие отходы целлюлозно-бумажной и гидролизной отраслей, а также древесные опилки.
Общие требования к огнеупорным наполнителям, связующим материалам и специальным добавкам.
Для получения качественной отливки формовочные материалы должны соответствовать ряду критериев:
1) специфике технологии создания стержней и форм;
2) условиям взаимодействия с жидким металлом в фазах заливки, охлаждения и затвердевания;
3) методам приготовления смесей;
4) процессам выбивки форм и извлечения стержней.
Пластичность представляет собой способность смеси менять форму под воздействием нагрузки. Формовочные и стержневые смеси должны обладать этим свойством для точного воспроизведения геометрии модели. Такими характеристиками наделены материалы, способные к деформации при минимальных усилиях, например, при нажатии рукой. Структура формовочных смесей состоит из зерен кварца, окруженных оболочкой связующего. За счет сил сцепления частицы кварца прочно удерживаются вместе. Для их перемещения или разъединения требуется усилие сдвига, величина которого напрямую зависит от вязкости связующего. Следовательно, повышение вязкости связующего ведет к снижению пластичности смеси.
Прочность.
Литейная форма или стержень должны иметь определенный уровень прочности, достигаемый путем уплотнения смеси в ходе изготовления изделия. Прочность должна быть достаточной, чтобы конструкция не разрушилась при транспортировке, сборке, кантовке, извлечении модели или под воздействием гидростатического напора металла при заполнении. В то же время прочность смеси должна быть умеренной в моменты выбивки отливки из формы или извлечения стержня из полости изделия. В период затвердевания форма (стержень) не должна препятствовать усадке металла, чтобы не спровоцировать возникновение внутренних напряжений и трещин. Данное свойство смесей называют податливостью. Стержни оказывают наибольшее сопротивление усадке, поэтому стержневые смеси требуют повышенной податливости — способности легко деформироваться при усадке отливки. При выбивке отливки форма или стержень должны разрушаться легко. Это свойство называется выбиваемостью. Низкая выбиваемость стержневых смесей существенно усложняет процесс очистки отливки. Идеальным показателем считается такая выбиваемость, при которой стержень рассыпается, становясь подобным сухому песку. Показатели прочности определяют во влажном состоянии, в сухом и при нагреве.
Прочность смеси во влажном состоянии характеризует прочность форм, заливаемых жидким металлом (без сушки), и зависит от сплава отливки, ее массы и размеров, сложности конфигурации, способа уплотнения формы (стержня).
Для отливок из тяжелых сплавов (медных, стали, свинца) прочность смесей и соответственно формы должна быть выше, так как такие сплавы в жидком состоянии оказывают большое давление на стенки формы, что может вызвать
деформацию их и появление дефекта отливки, так называемого распора. Чем больше масса, размеры (особенно высота) отливки, тем большее давление должны воспринимать стенки формы и тем большей должна быть прочность
формовочных смесей. При формовке мелких сложных рельефов, букв, узоров, а иногда и плоских поверхностей может получаться нечеткий отпечаток: отдельные песчинки прилипают к поверхности модели, отрываясь от основной массы формовочной смеси. Это явление называется прилипаемостью.
Прилипаемость характеризует поверхностную прочность влажной смеси и зависит от соотношения прочности связей между жидкостью, находящейся в смеси, и поверхностью модели (адгезионные силы) и между жидкостью и зернами песка (когезионные силы). Если первые силы больше вторых, то песчинки смеси прилипают к поверхности модели и при извлечении ее отрываются от основной массы формы. Прилипаемость смеси зависит от связующего и условий
смачиваемости им поверхности модели и зерен песка. Прилипаемость смеси уменьшают за счет снижения содержания влаги или связующего, покрытия модели и ящика несмачивающимися припылами или жидкостями (керосином).
Прочность в сухом состоянии характеризует прочность форм и стержней после сушки. В процессе сушки формовочной (стержневой) смеси снижается ее пластичность и соответственно увеличивается прочность. Сухие формы применяют
преимущественно для изготовления толстостенных крупных отливок из стали и чугуна, медных сплавов. Стержни, как правило, применяются в сухом состоянии, так как они работают в условиях, более тяжелых, чем форма.
При сборке, транспортировке и хранении формы (стержня) можно повредить поверхность формы (стержня), вследствие чего песчинки поверхностного слоя осыпаются. Формовочные (стержневые) смеси должны обладать минимальной
осыпаемостью, от которой зависит поверхностная прочность стержней и форм. Прочность смеси при нагреве до температур заливки металла в форму определяет поведение формы, способность деформироваться в процессе заполнения жидким металлом, затвердевания и охлаждения отливки. Форма (стержень) нагревается и вступает с отливкой в силовое взаимодействие: в процессе заполнения форма работает как толстостенный сосуд, наполняемый жидкостью. При затвердевании и охлаждении отливки форма (стержень) препятствует усадке, вызывая появление
напряжений и деформаций в отливке, которые могут быть настолько большими, что отливка коробится или в ней появляются трещины. В зависимости от конкретных условий нагружения формы (стержня) во время изготовления, транспортировки, сборки формы и ее заливки к формовочным (стержневым) смесям предъявляют различные требования по прочности на сжатие, изгиб, растяжение, срез. В металлоемких формах возникают большие напряжения сжатия под действием статического давления жидкого металла. Поведение таких форм зависит от прочности формовочной смеси на сжатие. Тонкие длинные стержни (например, для отопительных радиаторов) под действием собственной массы (до заливки формы) и жидкого металла (при заливке) изгибаются; прочность этих стержней характеризуется прочностью на изгиб стержневой смеси в сухом состоянии. Стержни с большими свисающими частями подвергаются срезающим нагрузкам и т. д. Поэтому при выборе формовочных (стержневых) смесей учитывают условия нагружения формы (стержня).
Огнеупорность — способность формовочных (стержневых) смесей противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Стенки полости формы при заливке металла нагреваются до температур, равных температуре металла. При заливке стали эта температура составляет 1580—1550°С, чугуна 1340— 1300°С, алюминиевых сплавов 700—730°С. Вследствие этого температура плавления материала формы должна быть выше температуры заливаемого металла, т. е. формовочная смесь должна обладать высокой огнеупорностью — способностью выдерживать высокие температуры без расплавления. Благодаря высокой температуре и протекающим химическим реакциям на границе металл — форма могут образоваться легкоплавкие силикаты металла, проникающие в поры песчаной формы. В результате на поверхности отливок образуется пригар, ухудшающий чистоту ее поверхности. Кроме температуры и химических реакций, на величину пригара влияют пористость формы, а также продолжительность теплового воздействия жидкого металла на стенки формы. Чем выше огнеупорность формовочной (стержневой) смеси и чем более инертна она к химическим реакциям при высоких температурах, тем меньше пригар на отливках. Во многих случаях
стержни со всех сторон окружены жидким металлом и прогреваются им на всю толщину, поэтому стержневые смеси должны приготовляться из более огнеупорных песков.
Газотворность и газопроницаемость.
При нагревании стенок формы (стержня) жидким металлом влага, входящая в состав формовочной смеси, связующие,
добавки (опилки, уголь) образуют большое количество паров и газов. Свойство смеси выделять при нагревании пары газы называется газотворной способностью. Пары и газы, образующиеся в слоях формы, соприкасающихся с жидким
металлом, под действием тепла расширяются и перемещаются как внутрь формы(по каналам между песчинка ми), так и через металл. Гели сопротивление движению паров п газов по каналам между песчинками будет больше сопротивления движению газов через металл, то в отливке могут появиться газовые раковины. Для получения отливок без газовых раковин формовочная (стержневая) смесь должна пропускать газы, т. е. обладать высокой газопроницаемостью. Из стержней, выполняющих полости и отверстия в отливках, газы, образующиеся при разложении связующего, выделяются более интенсивно. Газы выходят через знаковые части, размеры которых могут быть невелики. Это резко повышает
давление газов внутри стержня и способствует образованию газовых раковин в отливке. Поэтому стержневые смеси должны обладать особенно малой газотворной способностью и высокой газопроницаемостью.
Гигроскопичность— способность формовочной (стержневой) смеси поглощать воду из воздуха. Гигроскопичность зависит главным образом от свойств связующего, входящего в состав смеси. Гигроскопичность смеси должна быть
минимальной, так как влагонасыщение поверхности формы (в процессе сборки и выдержки на воздухе) может быть причиной образования газовых раковин в отливке.
Долговечность — способность смеси почти не терять своих свойств при многократном использовании. Долговечность формовочной смеси является важной характеристикой, определяющей экономичность ее использования.
Формовочная (стержневая) смесь после заливки в форму металла частично теряет свои первоначальные свойства. Такие смеси называются отработанными.
Отработанные смеси подвергают регенерации— специальной обработке, при которой удаляется пыль, остатки связующих и т. д. При дальнейшей переработке смеси для повышения прочности в нее добавляют глину. Повторное использование отработанных формовочных смесей, их регенерация значительно снижают расход
свежих формовочных материалов и повышают экономичность производства.