Исходные формовочные материалы

Категория:
Литейное производство


Исходные формовочные материалы

Пески

Песками называют горные породы, существующие в природе в виде россыпей. К числу формовочных песков относят пески, образованные зернами тугоплавких, прочных и твердых минералов. На практике, главным образом, применяют пески, образованные зернами кварца.

Кварц обладает высокой огнеупорностью (1713 °С), прочностью и твердостью (по шкале Месса — 7). Кварц является одной из форм существования кремнезема (Si02). Благодаря тугоплавкости, высоким механическим качествам, низкой химической активности, а также вследствие низкой стоимости, кварцевые пески широко применяют как основу формовочных и стержневых смесей.

Недостатком кварца является его способность к аллотропическим изменениям при нагреве и охлаждении. При 575° С |3-кварц переходит в а-кварц, причем плотность кварца уменьшается с 2,62 г/см3 до 2,56 г/см3 (объем кристалла увеличивается на 2,4%). При охлаждении нагретого а-кварца происходит обратное превращение. В области высоких температур (выше 870° С) происходят новые изменения кристаллического строения кремнезема и образуются новые минералы: тридимит, кристобалит, а выше 1470° С — аморфное кварцевое стекло.

Высокотемпературные превращения протекают медленно и требуют длительной выдержки песка при соответствующей температуре. В отсутствии катализаторов (например, СаО) эти превращения в формовочных смесях практически не наблюдаются. Наоборот, переход р-кварц а-кварц имеет место в каждом производственном цикле. В результате зерна песка, успевшие прогреться до 575° С, часто растрескиваются, что, в свою очередь, приводит к обогащению отработанной смеси пылевидными частицами. С целью повторного использования отработанной смеси и для восстановления ее свойств, после каждого производственного цикла в нее добавляют 3-15% свежего кварцевого песка.

Природные кварцевые пески не бывают свободными от загрязняющих их примесей: зерен полевого шпата, частиц слюды и других минералов. Полевой шпат и слюда содержат окислы щелочных и щелочно-земельных металлов. Эти минералы менее тугоплавки, чем кварц, и способны вместе с кварцем и окислами залитого металла образовывать сложные легкоплавкие силикаты (например, типа raSi02mFe0-pNa20).

Содержание полевых шпатов и слюд, особенно в песках, предназначенных для использования при литье стали, чугуна и других высокотемпературных сплавов, ограничивается.

В природных кварцевых песках часто содержится глина. Если эта глина обладает высокими качествами, то такая примесь может рассматриваться как полезная.

К числу важных природных свойств кварцевого песка, кроме минералогического состава, относится его зерновое строение, т.е. размер, форма и однородность образующих этот песок зерен. Зерновое строение песка очень влияет на его газопроницаемость, механические и технологические свойства. Перед зерновым анализом пески всегда отделяют от глины отмучиванием ее в воде, так как частицы глины обволакивают зерна кварца и искажают их размер. В воду в виде взвеси переходит не только глина, но и мелкие частицы любого другого состава (при стандартном способе отмучивания — все частицы размером ^0,022 мм). Отделенную отмучиванием часть песка условно называют глинистой составляющей.

Формовочные пески классифицируют по содержанию глинистых составляющих, кремнезема и вредных примесе.

Пески с содержанием до 2% глинистых составляющих и не менее 90% Si02 называют кварцевыми песками. Пески, содержащие менее 90% кремнезема (полевые шпаты при этом составляют не менее 80% всех некварцевых минералов) называют кварцевыми- полевошпатными. Пески, содержащие более 2% глинистых составляющих, называют глинистыми. Материалы, содержащие более 50% глинистых составляющих, относят к глинам.

После определения глинистой составляющей определяется крупность зерен песчаной основы и их однородность. Для этого остаток, получившийся после отмучивания глины, просеивают на ситах. Каждому ситу присвоен номер, соответствующий размеру стороны ячейки, выраженному в миллиметрах.

Рассев зерновой части песка производится на приборе, который сообщает стопке сит вращение в горизонтальной плоскости со скоростью около 300 об/мин. В приборе имеется устройство, производящее периодические удары (около 180 в минуту) по крышке стопки сит. Эти удары обеспечивают дополнительное встряхивание. После просева в течение 15 мин стопку разбирают и остатки каждого сита и с поддона, находящегося под нижним ситом, взвешивают Если большая масса зерен (70%), называемая основной Лоакцией песка, остается на трех смежных ситах, то зерновую cTDVKTVpy песка считают сосредоточенной. Если же основная масса песков распределяется более чем на трех смежных ситах, то структуру песка считают рассредоточенной. По величине зерен основной фракции пески делят на 8 групп.

В зависимости от остатков основной фракции на крайних ситах пески делят на две категории А и Б. К категории А относятся пески с большим остатком на крайнем верхнем сите (из 3-х смежных), к категории Б — пески с большим остатком на крайнем нижнем сите.

При маркировке песков на первом месте ставят класс, затем группу и категорию, например, 2К.02А. Песок этой марки относится к классу 2К, средней крупности с основной фракцией, оставшейся на ситах 0315, 02 и 016; категория А показывает, что на сите 0315 остаток больше, чем на сите 016. Если исследуемый песок содержал бы 12% глинистых составляющих при прежнем зерновом составе, то его марка была бы П02А.

В особо сложных случаях кварцевые пески в формовочных смесях заменяют другими материалами, которые обычно выбирают так, чтобы они имели следующие преимущества перед кварцем:
1. Повышенные теплопроводность и теплоаккумулирующую способность, вызывающие быстрое понижение температуры отливки.
2. Химическую инертность по отношению к сплавам и окислам сплавов, способных взаимодействовать с кремнеземом.
3. Отсутствие аллотропических изменений при нагреве и, соответственно, меньшие изменения объема.

Применение этих материалов взамен кварцевых песков в формовочных смесях для крупного стального и частично чугунного литья позволяет получать отливки с чистой (без пригара) поверхностью, а также регулировать скорость кристаллизациУотливок.

К материалам, заменяющим кварцевый песок, относятся хромит, хромомагнезит, циркон, оливинит, дунит и др.

Хромит (хромистый железняк) Fe0Cr203 плавится около 1850 °С, обладает высокой теплоаккумулирующей способностью, инертен по отношению к окислам металлов, применяется для получения крупных стальных отливок с чистой поверхностью.

Хромомагнезит используют при отсутствии хромита, для чего бой хромомагнезитового кирпича подвергается размолу.

Циркон. Цирконовый песок обладает высокой огнеупорностью (плавится около 2000 °С), высокой теплоаккумулирующей способностью, не взаимодействует с окислами металла. Эти свойства циркона позволяют получать стальные отливки без пригара.

Оливинит и дунит — магнезиальные силикаты. Минерал [оливин образует горную породу оливинит, содержащую, кроме оливина, серпентин, образующийся из оливина под действием кислорода воздуха и воды. В зависимости от содержания серпентина в оливините образуются различные породы. В литейном производстве применяют только породы, содержащие до 20% серпентина (оливинит) и 20-40% серпентина (дунит). Температура плавления этих материалов 1750-1830° С, они инертны по отношению окислов железа. При замене ими кварцевого песка в формовочных смесях, стальные и чугунные отливки получаются без пригара.

Глины

Формовочные глины служат для связывания зерен песка. К глинам относят горные породы, которые в своем естественном состоянии после увлажнения обладают высокой пластичностью. Они способны деформироваться без нарушения сплошности и сохранять приданную им форму после снятия внешних сил. Это их свойство объясняется тем, что глинистые частицы несут на своей поверхности электрический заряд и вокруг них образуются гидратные оболочки. Гидратные оболочки обеспечивают легкое скольжение одной частицы по другой, а также обусловливают сцепление глинистых частиц между собой, благодаря чему не нарушается сплошность материала при деформации.

Степень набухания глин в воде, т.е. количество удерживаемой ими воды зависит от основного минерала, входящего в состав глины, от величины частиц этого минерала и от присоединенных к нему веществ. Чем больше глина способна удержать на поверхности воды, тем выше ее связующая способность и пластические свойства.

Во многих глинах, применяемых для формовочных и стержневых смесей, основным минералом является каолинит А1203 X X 2Si02-2H20.

На границах каждого слоя с одной стороны имеются ионы кислорода а с другой — гидроксильные группы. Между двумя соседними слоями отсутствуют валентные связи. Их взаимодействие определяется силами Ван-дер Ваальса.

Вода окружает многослойный кристалл гидратной оболочкой. Чем меньше отдельные кристаллы, входящие в состав глин, тем больше будет общий объем гидратных оболочек и тем выше окажется связующая способность глин.

По краям пластин каолинита всегда имеются группы Si04, неиспользованные валентности которых обусловливают химическую активность пограничного слоя кристалла. В природных условиях к анионам SiOt” присоединяются катионы Na+, К+> Са2+, Mg2+, А134” и др. Если частицу глины поместить в воду, то произойдет диссоциация образовавшегося комплекса, подобно тому, как происходит диссоциация соли. Анионом будет являться сам кристалл каолинита, а катионами — ранее присоединившиеся к нему калиний, натрий, кальций или ионы других металлов. Анион и катионы в водной среде будут удерживать вокруг себя некоторое количество молекул воды. Количество иммобилизованной воды зависит от свойств катионов, присоединенных глинистой частицей. Наибольшее количество воды удерживают глины, содержащие ионы Na+, затем глины, содержащие К+, потом глины, имеющие в своем составе ионы щелочно-земельных металлов и т. д. Таким образом, наличие катионов по краям глинистого кристалла способствует удержанию воды и развитию пластических свойств глины и связующей способности.

Рис. 1. Строение кристалла каолинита

Минералогический состав глины, размеры ее частиц а также количество и состав присоединенных к ней катионов определяют все технологические свойства глины в литейном производстве

Формы (стержни) подвергаются действию высоких температур при сушке, а затем и при заливке металлом. При нагревании в глинах протекают процессы, вызывающие постепенное или скачкообразное изменение прочности смесей.

Прочность смеси при нагревании до 100 °С увеличивается, что объясняется повышением сцепления между глинистыми частицами по мере удаления влаги.

При изменении температуры от 350 до 650 °С удаляется кристаллизационная вода и образуется безводный алюмосиликат каолинита. Прочность при этом увеличивается, а после охлаждения

уменьшается. При нагревании до 750-800 °С безводный алюмосиликат разлагается на глинозем и кремнезем; прочность увеличивается, а после охлаждения резко уменьшается.

При охлаждении прочность сильнонагретых смесей значительно падает, так как усадке быстроохлаждающихся наружных слоев образца мешают не успевшие остыть внутренние слои. В этих условиях потерявшие пластичность глинистые частицы растрескиваются и перестают связывать зерна песка.

Монтмориллонитовые глины, как и каолинитные, состоят из слоистых кристаллов, но по границам слоев расположены только ионы кислорода (рис. 37), поэтому связь между слоями слабее. Молекулы воды не только ориентируются относительно поверхности кристалла, но и проникают между его слоями. Кристаллы обладают, таким образом, способностью к внутрикристалличе-скому набуханию, расстояние между слоями кристалла увеличивается от 7,2 до 21,4 А.

Монтмориллонитовые глины быстро теряют воду: при нагревании до температур 120-180 °С — около 95% воды, 600- 650 °С — полностью. Разрушение обезвоженного алюмосиликата происходит при 800-850 °С.

Во всех глинах присутствуют в качестве примесей и другие минералы, снижающие их связующую способность и в большинстве случаев их термохимическую устойчивость. К таким минералам относятся кварц, содержание которого может доходить до 50%, слюды, полевые шпаты, карбонаты и пирит.

Рис. 2. Кристаллическая решетка монтмориллонита

В зависимости от связующей способности глины делятся на три сорта (I, II, III) и три класса (1, 2, 3).

Предел прочности при сжатии монтмориллонитовых глин во влажном состоянии должен быть не менее 0,9 кгс/см2.

Класс глины определяется пределом прочности при сжатии в высушенном состоянии смеси, содержащей 5 в. ч. испытуемой глины, 95 в. ч. песка марки К02А или К02Б и 6,5-7,0% воды (до сушки). Глины делят на классы: 1 — прочносвязующие в высушенном состоянии (>5,5 кгс/см2); 2 — среднесвязующие (3,5- 5,5 кгс/см2) —, 3 — малосвязующие (< 3,5 кгс/см2).

Монтмориллонитовые глины должны иметь прочность при сжатии в высушенном состоянии не менее 3,5 кгс/см2.

По термохимической устойчивости в зависимости от содержания в глинах вредных примесей они делятся на три группы.

Вспомогательные материалы

Формовочные и стержневые смеси, в которых связующим является глина, обладают рядом недостатков. Для получения высокой прочности необходимо в смеси вводить большое количество глины и воды, что значительно понижает газопроницаемость и увеличивает пригораемость смеси. Песчано-глинистые смеси обладают плохой податливостью и выбиваемостью.

Связующие. Для улучшения качества формовочных и стержневых смесей в них взамен глины вводят вещества, называемые связующими.

К связующим предъявляется ряд требований:
1. Сообщать формам после сушки или другой обработки (например, после продувки газом) высокую прочность как общую, так и поверхностную. Во всех случаях процесс твердения должен протекать быстро и экономично.
2. Придавать смесям высокую текучесть.
3. Обеспечивать высокую прочность в начальный период после заполнения формы металлом. Эта прочность при нагреве должна постепенно уменьшаться и к моменту развития усадки отливки снижаться до очень малых величин, т.е. связующие должны сообщать высокую податливость и выживаемость смесям.
4. Обеспечивать высокую газопроницаемость и низкое удельное газовыделение.
5. Обладать высокими противопригарными свойствами.
6. Не вызывать прилипаемости смесей к моделям и стержневым ящикам.

Указанные требования должны обеспечиваться при введении в смесь малого количества (0,5-6%) связующего.

В литейном производстве применяют много различных связующих, в разной степени удовлетворяющих предъявляемые к ним требования.

Связующие классифицируют по их химической природе, гидрофильности или гидрофобности и по способности сообщать прочность смесям. Согласно классификации все связующие в зависимости от природных свойств делятся на три класса: А, Б. В.

К классу А относятся органические связующие, не растворимые или несмачиваемые водой; к классу Б — органические связующие, растворяемые или смачиваемые водой; к классу В — неорганические связующие, растворяемые или смачиваемые водой. Гидрофобные неорганические связующие, которые могли бы составить четвертый класс Д, практического применения не нашли.

Связующие делят на классы для того, чтобы предопределить свойства смесей, а именно прочность смеси во влажном состоянии, возможность комбинации связующих с глиной, степень прили-паемости смеси, текучесть, податливость, ее выбиваемость и другие свойства.

Однако принадлежность связующего к определенному классу не позволяет судить о прочности, которой будут обладать смеси после затвердевания. Поэтому связующие всех классов делят на три группы в зависимости от прочности, сообщаемой ими высушенным смесям.

В состав испытуемой смеси вводят оптимальное количество связующего. Для каждого конкретного связующего это количество определяется ГОСТом или техническими условиями.

Удельная прочность зависит от характера затвердевания пленок связующего. Если при затвердевании протекают глубокие химические изменения: окисление, полимеризация или поликонденсация молекул, то удельная прочность связующих больше 5 кгс/см2-1%. Если процесс затвердевания обратимый, то удельная прочность меньше 3 кгс/см2-1%.

К обратимо затвердевающим связующим относятся связующие, которые в обычных условиях являются жидкими, а при высушивании способствуют образованию геля и склеиванию зерен песка. К таким связующим относятся в большинстве случаев материалы марки Б-3, например сульфидно-спиртовая барда (отход бумажно-целлюлозного и спиртового производства). Некоторые связующие класса А, например канифоль, также обладают обратимым характером затвердевания. В обычных условиях они твердые, при нагревании расплавляются и обволакивают зерна песка. Прочность сообщают смесям при затвердевании.

Ряд связующих (различные смолы, пеки, битумы и комбинированные связующие, состоящие из обратимых и необратимых веществ) обладает промежуточным характером затвердевания, т.е. протекают одновременно обратимые и необратимые процессы.

К неорганическим связующим относится жидкое стекло. Применение жидкого стекла в качестве связующего позволило отказаться от длительного процесса сушки форм (стержней), заменив его или кратковременной подсушкой, или быстро протекающим процессом химического твердения. Жидкое стекло — это водный раствор силиката натрия или калия.

В качестве связующего применяют натриевое жидкое стекло NaaO ш Si02, где ш колеблется от 2 до 3. В состав жидкого стекла входят бисиликат натрия Na20-2Si02 и свободная двуокись кремнезема Si02, т.е. формула жидкого стекла будет Na20-2Si02 + (т — 2) Si02.

Основной характеристикой жидкого стекла, влияющей на качество получаемых смесей, является модуль. Модулем назы-

Чем выше модуль, тем больше свободной двуокиси кремнезема содержится в жидком стекле.

При приготовлении смесей часть влаги, содержащейся в растворе жидкого стекла, расходуется на смачивание песка и на образование гидратных оболочек глинистых частиц. Содержащиеся в жидком стекле Na20-2Si02 и Si02 также способны ги-дротироваться, что вызывает сначала загустение геля, а при удалении избытка воды — его твердение. Гидратация кремнезема протекает значительно быстрее, чем бисиликата натрия. Однако прочностные свойства выше при образовании геля бисиликата натрия.

Скорость твердения и прочностные свойства зависят от модуля жидкого стекла. Чем выше модуль жидкого стекла, тем выше прочность смесей во влажном состоянии и ниже прочность в сухом состоянии. Жидкое стекло с высоким модулем резко уменьшает живучесть смеси. Смеси с жидким стеклом можно отверж-дать тремя способами: 1) сушкой; 2) продувкой С02 и 3) на воздухе.

В процессе сушки форм (стержней) из смесей, содержащих жидкое стекло с модулем, близким к 2, образуется в основном гель бисиликата натрия, который сообщает очень высокую прочность формам (стержням) в сухом состоянии (вуд = 7-ь н-8 кгс/см2 1 %).

Если процесс твердения форм (стержней) осуществляется продувкой СО2, то прочность форм (стержней) в сухом состоянии значительно ниже (оув — 1 кгс/см2-1%).

В смеси образуются коллоидные частицы Si02, которые быстро иммобилизуют всю воду, вызывая твердение геля. Однако прочность смеси будет низкой вследствие образования геля двуокиси кремния.

При затвердевании форм (стержней) на воздухе для ускорения процесса необходимо в смеси вводить жидкое стекло с модулем около 3.

Добавки. В смеси для стального литья в качестве противопригарной добавки вводят пылевидный кварц (маршалит). Пылевидный кварц, располагаясь между зернами песка, уменьшает пористость смеси и, следовательно, увеличивает ее теплоаккуму-лирующую способность Ьф. Это приводит к очень раннему образованию твердой корки на поверхности отливки и, в свою очередь, вызывает уменьшение механического и химического пригаров.

В формовочные смеси для чугуна, заливаемого во влажные формы, для уменьшения пригара добавляют каменноугольную пыль.

Уголь при заполнении формы металлом газифицируется, после чего твердые частицы угля сгорают; в форме создается восстановительная атмосфера, препятствующая окислению металла и, тем самым, образованию пригара. Следует применять уголь, который возгоняется при низкой температуре и сгорает медленно. Этому требованию удовлетворяют угли марки ПЖ и Г, содержащие до 30% летучих веществ.

Взамен угля с этой же целью можно применять мазут. Мазут, в отличие от угля, сгорая, выделяет мало золы, что увеличивает долговечность смеси и ее газопроницаемость. Но мазут при сгорании выделяет много газов, что может привести к повышению газового давления в форме и к образованию в отливках газовых раковин. Поэтому мазут обычно применяют как противопригарное средство в смесях для литья медных и других тяжелых сплавов. Проникновение образовавшихся газов в расплав в этом случае затруднено высокой плотностью сплава.

В формовочные смеси для отливок из магниевых сплавов, с целью исключения их воспламенения, вводят специальные добавки. Сплавы воспламеняются из-за взаимодействия магния с кислородом воздуха и влагой, находящейся в форме. Для предупреждения горения сплава в форме в формовочные смеси добавляют 4-8% фтористых солей NH4BF4 или присадки ВМ (механическую смесь, состоящую из борной кислоты, технической мочевины и сернокислого алюминия). В стержневые смеси с этой целью добавляют борную кислоту и серу (0,25-1 %). Компоненты присадок взаимодействуют с магнием и образуют на поверхности плотные защитные пленки, выделяют газообразные продукты, образующие прослойку между сплавом и формой.

Кроме противопригарных добавок в песчано-глинистые смеси для чугуна, заливаемого в сухие формы с целью увеличения податливости добавляют опилки. Опилки при сушке уменьшаются в объеме, а при заливке металлом выгорают, образуя дополнительные поры, соединенные друг с другом капиллярными каналами. Пористые формы имеют повышенную газопроницаемость и податливость. В этих же целях в формовочные смеси для стального и чугунного литья иногда вводят органические водные связующие, чаще всего сульфидно-спиртовую барду, которые, выгорая, обеспечивают податливость.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум