§ 32.3.1. Лиття в

піщано-глиняні форми

Найпоширенішими способами лиття в разові форми є лиття в піщано-глиняні форми; лиття в оболонкові форми та у форми, виготовлені за моделями, які витоплюються, розчиняються або перетворюються на газ. Найбільшу кількість відливків виробляють у піщано-глиняних формах.

Для виготовлення піщано-глиняних форм необхідно мати формову та стрижневу суміші, модельний комплект для виготовлення форми, опоки, підмо- дельну плиту тощо.

1. Формові та стрижневі суміші. Для виготовлення форм і стрижнів використовують лише ті суміші, які мають велику пластичність, міцність, вогнетривкість і газопроникність. Пластичність потрібна суміші в процесі формування, міцність - для запобігання руйнуванню форми під час зберігання чи заливання розплавом, вогнетривкість - для витримування формою високої температури, яку має розплав, а газопроникність - для випускання водяної пари та газів, що утворилися під час дотику розплаву до вологої форми.

Під час заливання розплаву стрижні перебувають у складніших умовах, ніж форми, тому вимоги до стрижневих сумішей більші, ніж до формових.

Формові та стрижневі суміші складаються з піску, глини, протипригарних і зв'язувальних речовин.

Пісок - основна сировина для виготовлення разових ливарних форм і стрижнів. Найчастіше використовують кварцовий пісок, основним складником якого є кремнезем (§І02). Кремнезем має велику вогнетривкість (= 1713°С), твердість і хемічну стійкість.

Глина виконує роль зв'язки в процесі виготовлення формових сумішей. Після зволоження глина стає більш пластичною. У ливарному виробництві використовують каолінові (А1203-2Бі02-2Н20) та бенто­нітові (А1203 -4Бі02 -Н20 ■ пН20) глини. Бентонітові глини мають кращі зв'язувальні властивості, ніж каолінові, оскільки в них молекули води утримуються не лише на поверхні, а й усередині частинок.

Для поліпшення властивостей піщано-глиняних сумішей до їх складу додають кам'яновугільний пил, подрібнений кварц, розчин скла тощо.

Кам'яновугільний пил додають до суміші, з якої виробляють форми для чавунних відливків. У процесі заливання розплавленого чавуну пил згоряє й утворені гази захищають розплав від окиснення та пригоряння до форми.

Подрібнений кварц запобігає пригорянню форми до сталевих відливків.

Розчин скла (водний розчин сілікату натрію • п5і02) або

сілікату калію (К20 • тБіОг) надає формовій суміші міцності.

Синтетичні смоли виконують роль зв'язувальних речовин. Найчастіше використовують карбамідні, фенольні та інші смоли. Основна вимога до сумішей, які містять синтетичні смоли, - відсутність або мінімальна кількість виділення отруйних речовин під час виготовлення та використання форм і стрижнів.

Формові суміші поділяють на лицювальні, наповнювальні та загальні.

Лицювальна суміш безпосередньо стикається з розплавом, товщина її шару залежить від розміру моделі й становить 20-50 мм. Для виготовлення лицювальних сумішей використовують свіжі пісок і глину. Ця суміш є найякіснішою.

Наповнювальна суміш призначена для набивання решти форми. Вона складається з оборотної суміші (тієї, яка була у використанні). У процесі машинного формування форму виготовляють із загальної суміші, до якої ставляться ті самі вимоги, що й до лицювальних сумішей.

Стрижневі суміші складаються з кварцового піску та зв'язувальних речовин, якими є глина, мінеральні мастила, розчин скла, синтетичні смоли тощо.

Приготування свіжих формових і стрижневих сумішей складається з таких операцій: висушування піску, глини та інших складників, розме­лювання глини, кам'яного вугілля, просіювання та змішування з раніше вживаною сумішшю та іншими речовинами і розпушування. Усі операції механізовані.

2. Оснащення для виготовлення ливарних форм. Для виготов­лення разових форм необхідно мати модельний комплект, опоки та підмодельну плиту.

Модельним комплектом називають набір пристроїв, необхідних для утворення ливарної форми.

Він складається з моделі відливка, стрижневих скриньок, моделі ливникової системи тощо.

Моделлю називають зразок, за допомогою якого у формовій суміші відтворюють форму зовнішньої поверхні майбутнього відливка.

За формою модель нагадує відливок. Розміри моделі перевищують розміри майбутнього відливка на величину лінійної усадки металу чи сплаву та на величину припуску для різання в процесі виготовлення з відливка деталі. Моделі можуть бути разові та багаторазові.

Разові моделі виготовляють з матеріялів, які легко витоплюються (наприклад, віск, парафіно-стеаринова суміш), розчиняються (карбамід з добавкою поліефірного спирту) або перетворюються в газ (полістирол).

Багаторазові моделі виготовляють з деревини, металевих сплавів і пластмас. Дерев'яні моделі виготовляють: із сосни, ясена, бука тощо. Це дешеві моделі, але не довговічні; витримують лише кілька десятків формувань. Ці моделі використовують в одиничному та малосерійному виробництві. Металеві моделі найчастіше виробляють з алюмінієвих сплавів і чавуну. Вони мають точніші розміри і меншу шорсткість поверхні. Металеві моделі використовують для виготовлення форм, а в них - відливків у великосерійному виробництві. Пластмасові моделі легші порівняно з дерев'яними та металевими, стійкіші до дії вологи під час користування та зберігання.

Моделі бувають суцільні та збірні. Збірні моделі складаються з двох, трьох і більше частин, їх застосовують там, де за умов формування не можна використовувати суцільну модель.

Стрижневими скриньками називають пристрої для виго­товлення стрижнів. За допомогою стрижнів отримують форму внутрішньої порожнини відливка.

Скриньки виготовляють із таких самих металевих сплавів, що й моделі. Для виготовлення відливка складної форми потрібно мати кілька різних стрижнів і відповідно стрижневих скриньок.

Опоками називають рами, в яких ущільнюють формову суміш.

їх виготовляють із чавуну, сталі або алюмінієвих сплавів. Залежно від форми відливка опоки можуть бути прямокутними, круглими або фасонними. Великі опоки мають перегородки для утримування формової суміші. Для виготовлення відливків складної форми використовують форми, які складаються з кількох частин. Кожну частину форми виготовляють в окремій опоці. У процесі складання форми опоки скріплюють штирями, які вставляють в отвори. Під модельною плитою називають підставку, на якій кріплять постійні або змінні моделі.

Підмодельні плити з постійно закріпленими моделями використовують у масовому виробництві. Підмодельні плити із змінними моделями використовують у разі частої зміни моделей.

Розплавлений сплав заливають у порожнину ливарної форми за допомогою ливникової системи.

Ливниковою системою називають сукупність каналів, призначених для подання розплаву в порожнину форми.

Ливникові системи мають різну конструкцію. Вибір системи залежить від розмірів, маси та складності форми відливка. Елементами ливникової системи (рис. 63,а) є чаша /, яка під час заливання форми розплавом має бути повною, щоб повітря та шлак не потрапляли в порожнину форми; стояк 2, звужений донизу, щоб запобігти засмокту­ванню повітря у форму; шлако­вловлювач 3, розміщений вище каналів 4, по яких надходить розплав у порожнину форми. Шлаковловлювач призначений для затримування шлаку. Випори 5 (рис. 63,6) забезпечують вихід повітря та газів. За їх допомогою контролюють закінчення заливання форми розплавом. Малі відливки виготовляють у формах без випорів.

3. Виготовлення форм і стрижнів. Форми виготовляють ручним і машинним способами. Машинне формування - основний спосіб виготовлення форм у ливарному виробництві. Частка ручного формування становить менш як 8% і постійно скоро­чується. Ручне формування дуже трудомісткий і малопродуктивний спосіб виготовлення ливарних форм. Його використовують для виготовлення окремих відливків або невеликих партій.

Рис. 63. Схеми: а - ливникової системи; б- заливання порожнини форми

Розглянемо технологічний процес виготовлення форми в двох опоках. Це найпоширеніший спосіб ручного формування для малих і середніх за розмірами відливків.

Для виготовлення нижньої півформи на підмодельну плиту встановлюють половину моделі (наприклад, втулки), опоку і засипають формову суміш, ущільнюють і спеціальною голкою роблять отвори для виходу газів. Цим закінчується формування однієї півформи.

Далі півформу перевертають, підмодельну плиту разом з моделлю знімають і приступають до виготовлення другої півформи. Другу півформу виготовляють так само, як і першу. Внутрішні поверхні півформи очищають від випадкових частинок фермової суміші стисненим повітрям і починають складати. Для утворення ливника та випору вставляють їх моделі.

Складання форми - дуже відповідальний процес, оскільки від цього залежить точність розмірів відливка. Положення опок в процесі складання форми фіксується штирями. У форму вставляють окремо виготовлений стрижень для утворення внутрішньої поверхні у відливку (у разі потреби).

Машинне формування у порівнянні з ручним прискорює роботу в 10-25 разів і забезпечує ліпшу якість форми, а відповідно і відливків, зменшує брак, поліпшує умови праці формівників. У ливарних цехах працюють напівавтоматичні й автоматичні формувальні установки, потокові та автоматичні лінії.

Піщано-глиняні форми можуть бути сирими та сухими.

Сирі форми виготовляють із піщано-глиняної суміші, яка містить 10-12% глини та 4-5% води. Така формова суміш є пластичною, добре формується і легко вибивається. Собівартість сирої форми мала. Головні недоліки сирих форм - невелика міцність і збільшена вологість, що спричинює дефекти у відливках. Сирі форми вико­ристовують для виготовлення малих і середніх за розмірами відливків у серійному та масовому виробництві.

Сухі форми виготовляють із сумішей, які містять 10-20% глини. Ці форми сушать у печах за температури 250-430°С. Температура висушування залежить від складу формової суміші. У разі надмірно високої температури зв'язувальні речовини (термореактивні смоли тощо) у формових сумішах руйнуються.

Висушування триває 1-10 годин залежно від товщини стінок форми. Після висушування форми набувають міцності. У таких формах одержують великі та якісні відливки.

Стрижні виготовляють у стрижневих скриньках. Скриньки набивають стрижневою сумішшю (ручним або машинним способом). Перед набиванням робочі поверхні скриньки очищають і наносять захисний шар, щоб запобігти налипанню суміші до стінок скриньки; потім скриньку збирають і скріплюють. Порожнину скриньки поступово наповнюють сумішшю й утрамбовують. У стрижнях, як і у формах, роблять газовиводи. У криволінійних стрижнях газовиводи виготов­ляють за допомогою воскових ґнотів, які розтоплюються в процесі сушіння. Для збільшення міцності стрижнів, їх армують дротом. Після завершення формування стрижня скриньку розбирають, стрижень виймають. Для надання міцності стрижням їх висушують.

Якщо до складу стрижневої суміші додають термореактивну смолу, то такі стрижні виготовляють у металевих скриньках, нагрітих до температури 250-280°С. Під дією теплоти смола полімеризується, твердне і стрижень набуває потрібної міцності.

4. Заливання форм розплавом. Розплав заливають у форми за допомогою ковшів 6 (див. рис. 63,6). Перед заливанням у форми розплав певний час витримують у ковші для виходу газів з розплаву, спливання шлаку та неметалевих включень на поверхню.

Розплав у форму 7 заливають безперервним потоком, литникова чаша / повинна бути заповненою. Якщо не дотримуватися цих вимог, то розплав у формі може окиснюватися, а у відливках будуть виникати дефекти - спаї.

Після заповнення форми розплав кристалізується, відливок 8 за­стигає. Тривалість охолодження відливка залежить від його маси, виду сплаву, властивостей фермової суміші і становить від кількох хвилин до кількох годин або навіть діб. Тривале охолодження економічно невигідне, тому іноді охолодження прискорюють, наприклад форму обдувають холодним повітрям. Дрібні чавунні відливки можна витягати з форм за температури 700-800°С, середні - за температури 400-500°С.

Застиглі відливки вибивають із форми за допомогою вібраторів та інших машин; стрижні вибивають вручну або на пневматичних машинах чи в гідрокамерах струменем води під тиском 3-10 МПа.

Ливники та випори відокремлюють від сталевих відливків газовим різанням, а від чавунних - зубилами, пилами тощо.

Поверхню відливків від залишків формових і стрижневих сумішей очищають за допомогою піску та шротин у спеціальних апаратах - піскометах і шротинометах. Застосовують також піскогідравлічне очищення, при якому струмінь води з піском під тиском > 7 МПа спрямовують на відливок.

У процесі цього способу лиття відливки отримують у тонкостінних формах-оболонках товщиною 6-15 мм. Оболонкові форми виготовляють із піщано-смоляних сумішей: пісок з мінімальним вмістом глини та термореактивна смола, яка виконує роль зв'язки. У процесі нагрівання піщано-смоляних сумішей до температури 100-200°С смола розплав­ляється, перетворюється на клейку масу і покриває поверхню зерен піску тонкою плівкою; за температури 250°С смола твердне і суміш набуває монолітності, а форма - міцності.

Лиття в оболонкові форми застосовують за умов масового та серійного виробництва невеликих за розміром, переважно тонкостінних, відливків з чавуну, сталі та сплавів кольорових металів.

Для виготовлення оболонкової форми необхідно мати формову та стрижневу суміші, модель, підмодельну плиту, скриньки для форму­вання

zстрижневі скриньки виготовляють із сірого чавуну, іноді - з алюмінієвих сплавів.

На рис. 64 показано схему виготовлення оболонкової форми.