Для обеспечения высокого качества отливок в песчаных формах критически важны формовочные смеси, свойства которых детерминированы качеством используемого сырья. Структура такой смеси включает наполнитель, связующее вещество и специализированные добавки.
К наполнителям предъявляются требования высокой огнеупорности, термической стабильности, инертности к металлу, механической прочности, низкого коэффициента теплового расширения, однородности фракций и экономической доступности. В ранние периоды литейного дела наполнителями служили кварцевые пески и маршалит. С ужесточением стандартов качества стали применять разнообразные природные и синтетические компоненты. Приоритетной характеристикой наполнителей является строгость их гранулометрического состава. По размеру частиц наполнители делят на две категории: пески (до 0,1 мм) и порошки (менее 0,063 мм). Песчаная фракция применяется в смесях, а порошковая — в красках, противопригарных пастах и добавках. Связующие компоненты определяют прочность составов как в исходном, так и в нагретом состоянии. В литейном производстве используется широкий спектр связующих. В рамках данной задачи их целесообразно рассматривать в связке с отвердителями или реагентами. Ключевыми параметрами связующих являются прочность отвержденной смеси на сжатие, температура начала деструкции и уровень газообразования. Анализ мировых и отечественных трендов показывает, что для форм оптимальны огнеупорная глина, цемент, жидкое стекло и синтетические смолы; для стержней — жидкое стекло с различными отвердителями, а также фенольные, карбамидные и фосфатные связующие. Добавки предназначены для корректировки технических параметров. В виде тонкодисперсных порошков они повышают плотность и активируют систему «наполнитель – связующее», увеличивая прочность, а также выступают порозаполнителями, препятствуя проникновению металла. Существуют также функциональные добавки (ванадий, магний, алюминий и др.), составляющие основу красок для легирования поверхности. Добавки к связующему классифицируют на отвердители, модификаторы и пенообразователи (ПАВ). Основные требования к смесям. Свойства смесей классифицируются на технологические, рабочие и общие. Технологические включают прочность (влажную и упрочненную), выбиваемость, текучесть, живучесть, долговечность и осыпаемость; рабочие — огнеупорность, газопроницаемость, газотворность, податливость, прочность при нагреве, склонность к пригару и теплофизику. Общие свойства, зависящие от исходного сырья, определяют химизм, минералогию, зернистость, пористость и плотность. Качество отливок зависит от совокупности всех этих характеристик. Процессы уплотнения и упрочнения смеси. Разрыхленная смесь после смесителя обладает крайне низкой прочностью. В ходе уплотнения прочность растет, что позволяет применять метод формовки по-сырому. Уплотнение также обеспечивает плотное прилегание смеси к модели или стержневому ящику. Используются методы трамбования, прессования, вибропрессования, встряхивания, вакуумирования, а также пескодувные, пескострельные и пескометные способы. Уплотнение ведет к изменению структуры и росту плотности. Параметр уплотняемости отражает способность смеси к росту плотности. Уплотнение измеряется работой, затраченной на единицу объема стандартного образца (Ø50 мм). Из-за влияния этого процесса испытания проводятся при стандартизированном уплотнении: три удара копра массой 6,35 кг с высоты 50 мм. Технологическая степень уплотнения — это такая плотность распределения смеси, которая гарантирует отсутствие дефектов в отливках. Экспериментально доказано, что качественные результаты достигаются при относительной плотности 85-90% от максимально возможной.
Виды смесей и методы их упрочнения.
- Смеси для формовки по-сырому. Использование сырых форм имеет ряд преимуществ перед сухой заливкой, включая сохранение производственного цикла и повышение производительности цеха. Однако метод ограничен массой и габаритами отливки из-за теплового воздействия на сырую форму. По способу подготовки смеси делят на природные (естественные компоненты) и синтетические (смешивание наполнителя, связующего и добавок). По назначению они бывают облицовочными, наполнительными или едиными. Также выделяют смеси для стального литья, цветных металлов, а также для серого и ковкого чугуна.
- Смеси для формовки по-сухому. Применение сырой заливки ограничено сложностью и весом изделий. Сушка повышает прочность форм, которая зависит от типа связующего, влажности и режима термообработки. Для средних и тяжелых отливок применяются природные, полусинтетические или синтетические составы. Синтетические смеси готовят из кварцевого песка и глинистых связующих. Поскольку бентонит в малых дозах не дает нужной прочности, используют каолиновые или гидрослюдистые глины (10-20% от состава) для достижения прочности от 60 кПа (сырая) до 1000 кПа (сухая).
Газопроницаемость сухих форм повышают добавками опилок или ЛСТ (2-4%). Смеси с жидким стеклом. Жидкое стекло — это коллоидный раствор силикатов щелочных металлов. По методу отверждения выделяют: смеси, твердеющие под воздействием CO2, и смеси, отверждаемые кислыми катализаторами или дегидратацией. Первая группа — базовые химически твердеющие смеси по CO2-процессу, где углекислый газ продувается через песок с 5-7% жидкого стекла (плотность 1,48-1,52 г/см³). Влажность подбирается для максимизации прочности. Для улучшения свойств вводят добавки: сахариды повышают сырую прочность, глинистые связующие с гидроксидами щелочных металлов стабилизируют стекло. Выбиваемость улучшают органикой или минералами, а химическую инертность к легированным сталям — использованием хромомагнезита, корунда или циркона. Вторая группа включает смеси, твердеющие при физической дегидратации или взаимодействии с кислотными катализаторами. К ним относятся составы, самозатвердевающие при сушке на воздухе (например, с 4% бентонита и 0,5% NaOH), где при испарении влаги образуется гидратированный силикат натрия. Также существует процесс без экзотермического эффекта с применением γ-2CaO•SiО2 (феррохромовый шлак, 3-4% в смеси с 6-8% жидкого стекла), требующий быстрого использования. Другой вариант — наливные (вспененные) смеси, где ПАВ снижают поверхностное натяжение, позволяя заливать встряхиваемую массу в ящики. Быстротвердеющей является смесь с 75%-м ферросилицием, вызывающая сильный нагрев; здесь важно соотношение жидкого стекла к ферросилицию (около 3,8-3,9 при m=2,4). Минусы жидкостекольных смесей — плохая выбиваемость и трудности регенерации. Для решения этой проблемы применяют сложные эфиры (моно-, диа-, триацетин), эфиры этиленгликоля или кремнефтористоводородную кислоту (6-12% раствор), что облегчает вымывание.
Формовочные смеси с фенолоформальдегидными смолами. ФФ-смолы делятся на водные растворы (фенольные или крезолоформальдегидные) и порошковые (новолаки). Жидкие резолы синтезируют из фенола и формальдегида в щелочной среде, часто модифицируя полиамидами или сахаридами. Содержание смолы в смесях составляет 2-4%. Жидкие связующие твердеют при 190-220 °С или при катализе. Порошковые смолы применяются для оболочковых форм и стержней; они твердеют при нагреве с добавлением гексаметилентетрамина. Оболочковые формы создают методом плакирования: зерна песка обволакивают раствором смолы в этаноле, затем испаряют растворитель и добавляют гексаметилентетрамин, после чего смесь твердеет при контакте с горячей моделью. Формовочные смеси с мочевиноформальдегидными смолами. В литейном деле востребованы термореактивные карбамидные смолы, получаемые поликонденсацией мочевины и формальдегида в кислой среде. Они обычно поставляются в виде водных растворов. Процесс их синтеза варьируется по концентрации и pH. Карбамидные смолы модифицируют для повышения стабильности, пластичности или снижения гигроскопичности. Модификаторы вводят либо при производстве смолы, либо при смешивании. Для ускорения медленного термического отверждения используют инертные катализаторы (например, борную кислоту), которые активируются только при нагреве. Содержание смолы аналогично ФФ-смесям, но температура отверждения ниже (150-170 °С). Из-за высокого содержания азота амидные смолы подходят только для чугуна и цветных металлов, так как могут вызвать пористость в стали. Формовочные смеси с фурановыми смолами. Фурановые смолы — это сополимеры фурфурилового спирта с мочевиной или фенола с формальдегидом. Они идеальны для быстрого твердения при комнатной температуре. Скорость процесса регулируют температурой, перемешиванием и дозой катализатора (обычно минеральных кислот в этаноле). Затвердевание занимает минуты, поэтому используют шнековые смесители непрерывного действия. Снижение концентрации катализатора повышает живучесть смеси, но требует нагрева (230-250 °С) для отверждения.