|
Пески. К формовочным пескам
относят горные породы, существующие в природных условиях в виде россыпей,
образованных зернами тугоплавких, прочных и твердых минералов. В литейном
производстве наиболее часто используют кварцевые пески.
Кварц, являющийся одной из форм существования кремнезема
(Si02), обладает высокой огнеупорностью (1713 °С), прочностью, твердостью (7
по шкале Мооса) и низкой химической активностью.
Недостатками кварца, как основы формовочных и стержневых
смесей, являются его аллотропические изменения при нагреве и охлаждении. При
температуре 575 °С (5-кварц переходит в а-кварц, чго сопровождается
увеличением его объема на 2,4 %. При охлаждении нагретого а-кварца происходит
обратное превращение с сокращением объема. В каждом производственном цикле
при нагреве от заливаемого в форму Металла и последующем охлаждении эти
изменения объема при сравнительно невысокой теплопроводности кварца приводят
к возникновению напряжений и растрескиванию кварцевых зерен и обогащению
смеси пылевидными частицами.
В целях повторного использования отработанной смеси
(восстановления свойств) после каждого производственного цикла в нее вводят
3—15 % свежих кварцевых песков.
Природные кварцевые пески содержат примеси оксидов железа,
полевого шпата, слюды и других минералов. Полевой шпат и слюда содержат
оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов. Все эти примеси являются
вредными, так как снижают огнеупорность кварца, образуя с ним и оксидами
заливаемого металла сложные легкоплавкие силикаты типа п SiO2-т FeO p Na20.
Поэтому содержание вредных примесей, особенно в песках, предназначенных для
использования при литье стали, чугуна и других высокотемпературных сплавов,
ограничивается.
В природных кварцевых песках часто содержится глина. Если
она имеет хорошие связующие свойства, то такая примесь можег рассматриваться
как полезная.
Наряду с минералогическим составом важным свойством песка
является его зерновое строение, которое характеризуется размером, формой и
однородностью зерен. От зернового строения зависят теплофизические,
механические и технологические свойства смеси, а также его газопроницаемость.
Перед зерновым анализом от песка отделяется отмучиванием в воде глинистая
составляющая, к которой относятся все частицы размеров <0,02 мм.
Формовочные пески подразделяют на классы в зависимости от
содержания глинистой составляющей, кремнезема и вредных примесей ( 5).
Обогащенные кварцевые пески содержат минимальное количество
глинистых составляющих и вредных примесей, в кварцевых песках их несколько
больше. Пески, содержащие 2—50 % глинистой составляющей, называют глинистыми.
Материалы, содержащие более 50 % глинистой составляющей, относятся к глинам.
После определения глинистой составляющей определяют
крупность и однородность зерен песчаной основы. Для этого остаток,
получившийся после отмучивания глины, просеивают на ситах.
Рассев песка производится на приборе, который сообщает
стопке сит с навеской песка вращательные движения с периодическими
встряхиваниями. После окончания просева (через 15 мин) навеску песка на
каждом сите взвешивают. В зависимости от размера зерен основной фракции пески
подразделяют на группы ( 6).
Размер зерна определяется размером стороны ячейки сита, на
котором остается зерно после прохождения через предыдущее сито. Основной
фракцией песка считается наибольшая сумма остатков на трех смежных ситах.
Группа песка обозначается номером среднего сита основной фракции. В
зависимости от величины остатка основной фракции на крайних ситах пески
делятся на две категории — А и Б. К категории А относятся пески с остатком
основной фракции на крайнем верхнем сите большим, чем на крайнем нижнем сите,
а к категории Б — пески с остатком на крайнем нижнем сите большем, чем на
крайнем верхнем.
Необогащенные кварцевые пески по характеру распределения
зерен подразделяют на пески с сосредоточенной зерновой структурой, у которых
преобладающая масса зерен (не менее 70 %) остается на трех смежных ситах, и
пески с рассредоточенной зерновой структурой, у которых преобладающая масса
зерен на трех ситах составляет не менее 60 %.
Пески обогащенные и природные полужирные, жирные и очень
жирные должны иметь сосредоточенную зерновую структуру.
Форма зерен песка может быть округлой, полуокруглон и
остроугольной.
При маркировке песков на первое место ставят класс, затем
группу и категорию, например, 2К02А. Песок этой марки относится к классу 2К,
с основной фракцией средней крупности, оставшейся на ситах 0315, 02 и 016
Категория А показывает, что на сите 0315 остаток больше, чем на сите 016.
Иногда вместо кварцевых песков применяют другие материалы,
например, хромистый железняк, хромомагнезит, циркон и др. Формовочные и
стержневые смеси, в состав которых входят эти материалы, имеют повышенные
теплоаккуму- лирующую способность и химическую инертность по отношению к
заливаемым металлам и их оксидам. При заливке металла в формах возникают
меньшие температурные напряжения и изменения объема, так как у этих
материалов отсутствуют аллотропические превращения. Использование этих
материалов позволяет получать, например, крупные и массивные стальные отливки
с чистой поверхностью (без пригара) с более высокой точностью размеров.
Зерновой состав песков
Глины. Формовочные глины, используемые для связывания
зерен песка, являются горными породами, которые в своем естественном
состоянии после увлажнения обладают высокой пластичностью. Вокруг глинистых
частиц, несущих на своей поверхности электрический заряд, образуются
гидратные оболочки, обеспечивающие легкое скольжение частиц относительно друг
друга при сохранении их сцепления и без нарушения сплошности материала при
деформации. Количество удерживаемой воды зависит от основного минерала глины,
размера частиц этого минерала и от присоединенных к нему веществ. Чем больше
воды на поверхности
способна удерживать глина, тем выше ее связующая
способность и пластические свойства.
В зависимости от минералогического состава глины
подразделяют на каолиновые (К), бентонитовые (Б) и полиминеральные (П).
В каолиновых глинах основным минералом является каолинит
Al203-2Si0, -2Н20, имеющий слоистую кристаллическую решетку. На границах
каждого слоя с одной стороны имеются ионы кислорода, а с другой —
гидроксильные группы. Валентные связи между соседними слоями отсутствуют, и
их взаимодействие определяется силами Ван-дер-Ваальса.
Вода окружает многослойный кристалл гидратной оболочкой.
Чем меньше отдельные кристаллы, входящие в состав глины, тем больше общий
объем гидратных оболочек и тем выше ее связующая способность.
По краям пластин каолинита всегда имеются группы
SiOi", неиспользованные валентности которых обусловливают химическую
активность пограничного слоя кристалла. В природных условиях к анионам
SiOt" присоединяются катионы Na+, К+, Са2+, Mg2+, А13+ и др. При
увлажнении происходит диссоциация, анионом является сам кристалл каолинита, а
катионами — присоединившиеся элементы. Анионы и катионы при этом удерживают
вокруг себя некоторое количество воды. Количество удерживаемой воды зависит
от свойств катионов. Наибольшее количество воды удерживают глины, содержащие
ионы Na+, затем идут глины, содержащие К+, и далее глины, содержащие ноны
щелочно-земель- ных металлов.
Все основные технологические свойства формовочных глин
определяются их минералогическим составом, размером частиц, количеством и
составом присоединенных катионов.
При нагреве в глинах протекают процессы, вызывающие
постепенное и скачкообразное изменение их связующих свойств. Прочность
формовочных смесей, в состав которых входит глина, при нагреве до 100 °С и
несколько выше увеличивается, что объясняется повышением сцепления между
глинистыми частицами по мере удаления гигроскопической влаги. В интервале
350—650 °С из глины удаляется кристаллизационная влага, и она теряет свои
связующие свойства.
Бентонитовые или монтмориллонитовые глины обладают более
высокой связующей способностью. Основным минералом является монтмориллонит
Al203'4Si02-H20'/i Н20. Эти глины также имеют слоистое строение, но по
границам слоев расположены только ионы кислорода, и связь между соседними
слоями более слабая по сравнению с каолиновыми глинами. Молекулы воды не
только находятся на поверхности кристалла, но и между его слоями. Поэтому
кристаллы обладают способностью к внутрикристалличе- скому набуханию:
расстояние между слоями кристалла увеличивается примерно в 3 раза.
По прочностным свойствам формовочные глины во влажном
состоянии делят на группы: прочносвязующие (П), среднесвязую- щие (С) и
малосвязующие (М). При этом предел прочности при сжатии для стандартной
смеси, в состав которой входит бентонитовая глина, должен быть не менее 1,3»
105 Па (для П); 1,1 -105 Па (для С); 0,9-105 Па (для М) и для каолиновой
глины соответственно 1,1 -Ю5 Па; 0,8-105 Па; 0J5'105 Па.
По прочностным свойствам в сухом состоянии глины
подразделяют на подгруппы: прочносвязующие (1), среднесвязующие (2) и
малосвязующие (3). При этом предел прочности при сжатии для стандартной смеси
в сухом состоянии, в состав которой входит бентонитовая глина, должен быть не
менее 5,5-105 Па; 3,5-105 Па; 3-Ю5 Па и для каолиновой глины соответственно
4,5» 105 Па; 3-105 Па; 2-105 Па.
По содержанию вредных примесей (Fe203, Na20 + К20, СаО +
MgO) глины делят на группы с низким (Tj), средним (Т2) и высоким (Т3)
содержанием примесей. При этом массовая доля этих примесей не должна
превышать соответственно 6; 12,5 и 21 %. Чем меньше в глине примесей, тем
выше ее термохимическая устойчивость.
Маркируют глины в зависимости от минералогического
состава, прочностных свойств во влажном и сухом состояниях и количества
вредных примесей. Так, например, марка БП1Т2 означает, что глина
бентонитовая, прочносвязующая во влажном и сухом состояниях и со средним
содержанием вредных примесей.
Вспомогательные материалы. Формовочные и стержневые смеси,
в которых связующим является глина, обладают рядом недостатков. Для получения
высокой прочности смеси в нее необходимо вводить большие количества глины и
воды, что значительно снижает газопроницаемость смеси и увеличивает пригар на
отливках. Такие смеси характеризуются плохими податливостью и выбиваемостью.
Для улучшения свойств смеси в нее взамен глины вводят
вещества , называемые связующими. Связующие должны обеспечивать: высокую
общую и поверхностную прочность форм и стержней после сушки или другой
обработки;
высокую текучесть, хорошую газопроницаемость и низкую га-
зотворную способность;
высокую податливость и выбиваемость смесей за счет
снижения их прочности к моменту начала усадки отливки;
отсутствие прилипания смесей к моделям и стержневым
ящикам.
Перечисленные требования должны выполняться при введении
сравнительно малых количеств связующего (0,5—6 %). Основными
классификационными признаками этих материалов являются их химическая природа,
способность сообщать смесям прочность, отношение к воде, их гидрофильность и
гидрофоб- ность ( 7).
Деление связующих на классы (Л, Б, В) позволяет
ориентировочно предопределять свойства смесей: их прочность во влажном
состоянии, текучесть, податливость, выбиваемость, а также возможность комбинации
связующего с глиной. К классу А относятся органические связующие, не
растворимые или не смачиваемые водой; к классу Б — органические связующие,
растворяемые или смачиваемые водой, к классу В — неорганические связующие,
растворяемые или смачиваемые водой.
По удельной прочности сгуд связующие всех классов делят на
три группы
Суд = 100а/[р (100 — v)h
где сг — предел прочности при растяжении сухого образца (в
расчете на 1 % связующего); р — общее количество связующего, вводимого в
смесь; v — содержание растворителя в связующих. В состав испытуемой смеси
вводят оптимальное количество связующего, определяемое ГОСТами или
техническими условиями.
Удельная прочность зависит от характера затвердевания
пленок связующего. Если при затвердевании протекают глубокие необратимые
химические изменения, например, окисление, полимеризация или поликоиденсация
молекул, то удельная прочность связующих более 5-Ю5 Па/% и соответственно при
обратимом затвердевании удельная прочность менее 3-105 Па/%. Некоторые
связующие обладают промежуточным характером затвердевания, при котором
одновременно протекают обратимые и необратимые процессы.
Органические связующие (А, Б), имеющие широкий диапазон
технологических свойств, при высоких температурах сравнительно легко
разлагаются и обеспечивают хорошую податливость и выби- ваемость.
Неорганические связующие (В) хорошо выдерживают воздействия высоких
температур, но имеют более низкую податливость и выбиваемость.
Синтетические смолы (А-1 и Б-1) в настоящее время находят
широкое применение при изготовлении стержней, твердеющих в нагреваемой и
холодной оснастке. Фенолформальдегидные и фу- рановые смолы, твердеющие в
результате процессов поли конденсации, имеют высокую термостойкость,
используются в стальном литье; менее термостойкие карбамидные смолы — в
цветном литье.
Олифа и льняное масло (А-1) высыхают вследствие окисления
и полимеризации.
Жидкое стекло (В-1), представляющее собой водный
коллоидный раствор силиката натрия, применяют для изготовления формовочных и
стержневых смесей с последующей тепловой и химической сушкой форм и стержней
Основной характеристикой жидкого стекла является его модуль М — отношение
числа грамм- молекул диоксида кремния Si02 к числу грамм-молекул оксида
натрия Na20. Обычно М = 2-3. Чем выше модуль, тем быстрее идет затвердевание
смесей с жидким стеклом, но конечная прочность смеси тем выше, чем ниже
модуль. Жидкое стекло с низким (М = 2), средним (М = 2,5) и высоким (М = 3)
модулями применяют для форм и стержней, твердеющих соответственно при
тепловой обработке, продувке углекислым газом и выдержке на воздухе.
Затвердевание жидкого стекла с высоким модулем
характеризуется процессом последовательного перехода водного коллоидного
раствора сначала в золь, а затем в твердый кремнегель. Жидкое стекло с низким
модулем твердеет преимущественно с образованием геля бисиликата натрия
(Na20-2Si02).
Повышение податливости и улучшение выбиваемости жидко-
стекольных смесей достигают введением сахаросодержащпх добавок (гидрола).
Введение в смеси сложных эфиров органических и неорганических кислот
(ацетатов глицерина) позволяет снизить необходимое количество жидкого стекла
на 30 % и существенно увеличить выбиваемость смесей. Положительным свойством
жидкого стекла является отсутствие вредных выделений во время заливки форм.
Древесный пек и канифоль (А-3), сульфитно-спиртовая брага
(ССБ) и патока (Б-3) имеют относительно невысокую удельную прочность и чаще
применяются совместно с другими материалами.
Широкое распространение на практике получили
комбинированные связующие (А-2 и Б-2), которые получают растворением,
смешиванием и эмульгированием. Растворение используют, когда связующие имеют
одинаковую химическую природу и растворяются в одинаковых растворителях.
Смешивать можно связующие разной химической природы (органические и неорганические),
но обязательно водные с водными, а неводные — с неводными.
При эмульгировании дополнительно вводится поверхностно-
активное вещество (ПАВ), которое, адсорбируясь на поверхности капель или
частиц, препятствует соответственно их слиянию или сцеплению, т. е.
разделению (расслоению) системы на две отдельные фазы. Эмульсии, полученные
таким образом, могут представлять собой капли или частицы неводного
связующего, распределенные в воде и стабилизированные каким-либо ПАВ, и капли
воды, распределенные в неводном связующем. Примером эмульсии первого типа
может служить связующее СП (группы Б-2), в котором капли окисленного
петролятума (5 %), представляющего собой масло на основе нефтепродуктов,
распределены в воде и стабилизированы сульфитно-спиртовой бардой (95 %),
которая сама является связующим.
В связующих групп А-2 и Б-2 часто в небольших количествах
содержится глина, придающая смесям прочность в сыром состоянии. Применение
комбинированных связующих снижает расход дефицитных и дорогостоящих связующих
и позволяет получать стержневые смеси заданной прочности в сухом и сыром
состояниях, с высокой газопроницаемостью и минимальной газотворностью.
Для улучшения технологических, механических,
теплофизических и других свойств в смеси вводят добавки. В смеси для стального
литья вводят пылевидный кварц, который, располагаясь между зернами
песка,уменьшает пористость смеси и увеличивает ее теплоаккумулирукмцую
способность. Эго приводит к более раннему образованию твердой корки на
поверхности отливки и снижению механического к химического пригаров.
Уменьшение проходного сечения пор также способствует уменьшению пригара.
В формовочные смеси для чугуна, заливаемого во влажные
формы, вводят каменноугольную пыль, которая во время заливки газифицируется и
создает в форме более восстановительную атмосферу, препятствующую окислению
металла и образованию на отливках пригара.
В формовочные смеси для ответственного чугунного литья с
целью повышения поверхностной прочности сырых форм вводят до 0,1 % крахмалита
(кукурузного крахмала), что снижает брак отливок по засорам.
С целью предотвращения воспламенения магниевых сплавов в
формовочные смеси «водят добавку ВМ, в состав которой входят борная кислота,
техническая мочевина и сернокислый алюминий. На поверхности магниевого сплава
образуются плотные пленки, защищающие его от окисления кислородом воздуха и
парами воды из формы. В стержневые смеси с этой же целью добавляют серу
(0,25—1 %). Выделяющиеся газообразные продукты снижают концентрацию кислорода
и паров воды вокруг отливки и предохраняют ее от возгорания.
При изготовлении чугунных отливок в смеси для сухих форм
добавляют опилки, которые при сушке уменьшаются в объеме, а при заливке
металла выгорают, образуя дополнительные поры. В результате формы имеют
повышенную газопроницаемость, податливость и выживаемость.
Добавки можно вводить для повышения теплопроводности,
текучести сме* сей, устранения их прилипания к модельной оснастке, а также в
других целях. Поверхносгпо-активиые вещества позволяют получать смеси с
принципиально новыми свойствами. Так, например, введение в смеси с жидким
стеклом ПАВ ДСРАС или контакта Петрова в количестве до 0,1 % переводит смесь
из сыпучего в жидкоподвижное состояние за счет снижения поверхностного
натяжения жидкой составляющей и образования в межзеренных пространствах песка
мелкодисперсной пены. Жидкие смеси можно заливать в опоку или стержневой ящик
без использования обычных формовочных и стержневых машин, уплотняющих смесь.
Смесь затвердевает через 20—40 мин после введения в нее отвердителя, содержащего
двукальциевый силикат 2Ca0-Si02. Эти смеси благодаря своим качествам получили
в настоящее время широкое применение.
|