Вопросы для самоконтроля

1. Что такое технологичность конструкции литой детали, и какими признаками она характеризуется?

2. Какова методика разработки технологического процесса изготовления отливки в форме, изготовленной вручную?

3. Какова методика разработки технологического процесса изготовления отливок в формах, изготовляемых на машинах и автоматах?

4. Какая конструкторская документация разрабатывается для изготовления металлического модельного комплекта?

Лекция № 3

1. Требования, предъявляемые к формовочным и стержневым смесям

2. Формовочные глины

3. Связующие материалы

4. Вспомогательные формовочные материалы

Формовочные материалы – это совокупность природных и искусственных материалов, используемых для приготовления формовочных и стержневых смесей. Наука о формовочных материалах и смесях начала развиваться в тридцатые годы XX века. Первые специальные монографии по формовочным материалам были написаны К. Козловым в 1931г. и П. П. Бергом в 1933г., а первая научно-исследовательская литейная лаборатория была организованна в Ленинграде в 1928г. П.П. Бергом

Ко всем формовочным материалам и смесям предъявляются следующие требования:

• способность выдерживать контакт с жидкими литейными сплавами без расплавления и разрушения;

• дешевизна, доступность, большие запасы, наличие источников исходных материалов вблизи потребителей;

• отсутствие токсичности и неприятных запахов, как в нормальных температурных условиях изготовления форм, так и при нагревании, связанном с заливкой литейной формы металлическим расплавом.

Различают исходные формовочные материалы и формовочные смеси. Основными исходными материалами являются формовочные пески и глины, вспомогательными – связующие вещества и добавки (молотый или гранулированный уголь, древесные опилки, стриженый торф, графит и др.).

Выбор рациональных составов формовочных смесей, соблюдение технологии их изготовления являются главным фактором снижения брака и улучшения качества отливок. Известно, что около половины отливок с браком возникает из-за низкого качества формовочных материалов и смесей.

Требования, предъявляемые к формовочным и стержневым смесям. Формовочные и стержневые смеси должны обладать комплексом свойств, важнейшие из них приведены на блок-схеме (рис. 6).

Теплофизические свойства смесей определяют скорость и последовательность затвердевания залитого в форму металла и режим охлаждения отливки. С теплофизическими свойствами смесей связано также образование ряда дефектов в отливках (внутренних напряжений, трещин, пригара, ужимин и др.).

Рис. 6. Классификация свойств формовочных и стержневых смесей

Механические свойства смесей определяют не разрушаемость литейной формы под воздействием собственного веса и различных нагрузок при их сборке и транспортировке; прочности в условиях статического и динамического давления струи расплавленного металла и массы всей отливки в период затвердевания. При этом обеспечивают податливость формы в условиях усадочных процессов в отливке.

Свойства связанные с газообменом – это газопроницаемость и газотворность. В процессе заливки металла в форму и последующего охлаждения отливки, в порах формы повышается газовое давление и уплотненная смесь должна обладать достаточной газопроницаемостью, чтобы обеспечить отвод образующихся газов в атмосферу. При недостаточной газопроницаемости образовавшиеся газы могут направиться в незакристаллизовавшийся металл и образовать в отливке газовые раковины.

Технологические свойства – это свойства определяющие рабочее качество смеси и которые обычно не выражаются количественными характеристиками общественных, физических и химических параметров, а оцениваются экспериментально:

Текучесть – способность смеси под действием внешних сил обтекать модели или заполнять полости стержневых ящиков.

Гигроскопичность – способность смесей после сушки поглощать влагу из окружающей атмосферы. Смеси не должны быть гигроскопичны.

Выбиваемость - способность формовочных и стержневых смесей свободно удаляться из отливки после её охлаждения.

Термохимическая устойчивость – способность смеси не оплавляться при контакте с жидким металлом и не образовывать с ним и его окислами химические соединения.

Долговечность – сохранение смесью своих рабочих свойств в случае повторного использования при изготовлении и заливке форм расплавом.

Для изготовления форм приготавливают смеси из нескольких природных материалов и эти смеси называются формовочными.

Исходные формовочные материалы подразделяются на основные ( пески и глины), вспомогательные(гранулированный уголь, опилки, крахмалит и др.) и связующие материалы (крепители). Основным компонентом смесей являются формовочные пески - это горные породы, существующие в природе в виде россыпей, образованных зернами тугоплавких, прочных и твердых минералов. Наиболее широко применяются кварцевые пески, которые обладают высокой огнеупорностью, а их свойства и требования к ним определены ГОСТ 2138 – 84. Кварц является одной из форм существования кремнезема (SiO₂) и обладает высокой огнеупорностью (1713⁰С),прочностью, твердостью и низкой химической активностью. Недостатком кварца является его способность к аллотропическим изменениям при нагревании и охлаждении. В процессе нагрева и температуре более 575⁰С β – кварц переходит в α – кварц и при этом объем его увеличивается на 2,4%. В области высоких температур (выше 870⁰С) происходят новые изменения кристаллического строения с образованием новых минералов - β – тридимита, с изменением объема на 15,1%,а выше 1470⁰С – переходит в аморфное стекло. При охлаждении эти превращения повторяются в обратном порядке. Объемные изменения кварца приводят к растрескиванию ряда зерен и превращению их в пыль. Это вынуждает при повторном использовании смесей освежать их путем ввода свежих кварцевых песков в количестве 3…15%.

Поставляемые в литейные цехи формовочные пески проходят ряд анализов, определяющих марку песка. В зависимости от содержания кремнезема и вредных примесей – (NaO; K₂O;CaO; MgO и R₂O₃) кварцевые пески делятся на четыре класса; 1K->97%SiO₂; 2K->96%SiO₂; 3K->94%SiO₂; 4K->90%SiO₂.

Формовочные пески подразделяются на классы в зависимости от содержания глинистой составляющей, кремнезема и вредных примесей. При этом условились, что независимо от химического состава зерна размером менее 22мкм относить к глинистой составляющей, а более 22 мкм – к песчаной основе. Содержание глинистой составляющей в формовочных песках определяется отмучиванием, т.е. отделением песка от глины. На рис. 7 показала классификация песков по содержанию глины, где К – кварцевый пески; Т – тощие пески; П – полужирные пески; Ж – жирные пески; ОЖ – очень жирные пески. Пески, с содержанием глинистых составляющих более 50% - относятся к глинам. ГОСТ^ом предусматривается поставка обогащенных кварцевых песков классов «Об1К»; «Об2К»; «Об3К», где количество глинистых составляющих от 0,2% до1,1% и соответственно SiO₂=98.5-97.5%.Важным свойством формовочных песков является их зерновой состав, т. е. размер, форма и однородность песчинок. Он оказывает влияние на газопроницаемость, механические и технологические свойства смеси.

Рис. 7. Классификация формовочных песков по содержанию глины

На рис. 8 показана классификация формовочных песков по зерновому составу. По величине остатка на трех смежных ситах песок делится на категорию «А» - если максимальный остаток на верхнем сите и категорию «Б» - если максимальный остаток на нижнем сите. При маркировке песка на первом месте ставят обозначение класса, на втором – группы и на третьем – категории. Например: кварцевый песок средней зернистости обозначается 1К02А или 2К02Б. Тощие пески обозначаются маркой Т0315А и т.п.

Формовочные глины. Литейные формовочные глины – горные породы, состоящие из тонкодисперсных частиц водных алюмосиликатов. Они обладают связующей способностью, термохимической устойчивостью и вводятся в формовочные и стержневые смеси для связывания зерен песка и придание смеси прочности как в сыром, так и в сухом состоянии, а в увлажненном состоянии они обладают высокой пластичностью. В литейном производстве используют в основном два вида глин: каолинитовые «К» и монтмориллонитовые (бентонитовые) – «М»; как обладающие большой термохимической устойчивостью.

Каолинитовая глина содержит основную составляющую – каолинит Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O – водный алюмосиликат, имеющий температуру плавления 1750 – 1787⁰C.

Монтмориллонитовая глина (бентонит) содержит основную составляющую монтмориллонит Al₂O₃·4SiO₂·H₂O+n H₂O. Температура плавления бентонита 1250 – 1300⁰С. Требования, предъявляемые к формовочным глинам, определены ГОСТ 3226 – 77.

Рис. 8. Классификация формовочных песков по зерновому составу

Связующие материалы. Связующие материалы вводят в смеси в замен глины или уменьшение её дозы, при этом обеспечивать высокие прочностные свойства смеси. Обычно связующие материалы вводят в смеси в количестве 0,5 – 6,0%.

Применяемые связующие классифицируются по двум признакам:

– природе материала (органические и неорганические, водо-растворимые и не растворяемые в воде)

– характеру затвердевания (не обратимые, ромежуточные и обратимые).

По удельной прочности на разрыв в сухом состоянии связующие делятся на три группы. Необратимые крепители обеспечивают наибольшую прочность смесей, а обратимые – наименьшую.

Химически твердеющие органические связующие – это органические не водные и водные связующие придают смеси низкую прочность, хорошую текучесть во влажном состоянии и высокую прочность в сухом. Это масла растительные и из нефтепродуктов и синтетические смолы. В литейном производстве применяются поликонденсационные связующие, которые подразделяются на фенолоформальдегидные, карбомидные (мочевино-формальдегидные), фурановые смолы.

Совместно с формовочной глиной хорошо работают органические высыхающие связующие, при этом глина придает смеси прочность в сыром состоянии, а связующие в сухом. К этим связующим относятся барда сульфитного щелока и на ее основе комбинированные крепители СБ и СП, декстрин и др. Из неорганических крепителей наиболее широко применяется жидкое стекло Na₂O·nSiO₂·mH₂O, которое является водным раствором силикатов натрия или калия переменного состава. Процесс твердения смеси с жидким стеклом осуществляется нагревом или продувкой углекислым газом CO₂.

Вспомогательные формовочные материалы. Для придания формовочным и стержневым смесям надлежащих свойств (газопроницаемости, податливости, выбиваемости и др.) в их состав вводятся вспомогательные добавки. В качестве противопригарных добавок применяют в смесях чугунного литья гранулированный уголь, мазут (не более 0,5%). Для податливости и повышения газопроницаемости в смеси вводят древесные опилки, стриженый торф и др., которые предварительно проходят соответствующую подготовку.

В качестве поверхностно активной добавки применяют полифенол лесотехнический (ПФЛК), который повышает связующую способность формовочной глины. При необходимости применяют добавки, изменяющие теплоаккумулирующую способность смесей.