Формовочные материалы

Известно, что качество литья во многом определяется качеством формы. художественное литье охватывает огромную номенклатуру изделий, различающихся массой, размерами, материалом, - от монументальных статуй до изящных ювелирных изделий. Условия формирования таких разнородных отливок, естественно, не одинаковы, что требует применения разных формовочных смесе.

Хотя к машиностроительному литью предъявляются иные требования, чем к художественному, можно выделить общие закономерности влияния формы на качество отливок.

К формовочным относятся все материалы, используемые для изготовления разовых форм и стержней.

Различают три группы формовочных материалов: огнеупорная основа (наполнитель); связующее, обеспечивающее прочность связи частиц наполнителя; специальные добавки, придающие смесям особые свойства (например, способность к самоупрочнению, непригораемости, податливости, легкую выбиваемость и т.п.); совокупность перечисленных материалов составляет формовочную смесь из которой изготавливают литейную форму.

Огнеупорная основа

Кварц

В качестве огнеупорной основы наибольшее распространение получили кварцевые пески. По происхождению они относятся к осадочным горным породам, которые получаются в результате разрушения изверженных или первичных горных пород (гранита, диабаза, базальта и др.). важнейшей их характеристикой является время отложения и кратность переноса. Наиболее округлые и равные по величине зерна имеют пески, которые в течении длительного времени подвергались многократным переносам и повторным отложениям. Основой кварцевых песков является кремзем или кремний SiO₂. Минерал кварц имеет плотность 2,65 г/см3, твердость 7 (по шкале Мооса), температуру плавления 1713 ^oС. При нагреве кварц претерпевает несколько аллотропических превращений, которые сопровождаются изменением объема.

При заливке металла в форму зерна кварцевого песка нагревают до различной температуры и претерпевают объемные изменения. В результате зерна частично растрескиваются и разрушаются.

Плавленый кварц (кварцевое стекло) является аморфным материалом. При нагревании он не претерпевает аллотропических превращений и в интервале от 20 до 1000 ^oС имеет очень низкий коэффициент линейного расширения, равной 0,5 • 10^-6 . После размола его применяют для изготовления керамических форм, чтобы предупредить их растрескивание, например при литье по выплавляемым моделям.

Формовочный песок состоит из зерновой части и глинистой составляющей. В соответствии с ГОСТ 2138-91 к зерновой части относятся зерна размером более 22 мкм, к глинистой составляющей - менее 22 мкм.

В формовочных песках помимо кварца присутствует и другие минералы: полевые шпаты, слюды, гидраты оксидов железа и т. д. особенно к формам для крупных стальных отливок, относятся высокая газопроницаемость и минимальное химическое взаимодействие с жидким металлом. Эти требования соблюдаются, если огнеупорная основа (кварцевый песок) содержит минимальное количество пылевидной фракции и минеральных примесей, которые при взаимодействии с расплавом могут образовывать легкоплавкие соединения.

В целях повышения качества формовочных песков их обогащают путем водной обработки, потоки воды удаляют пылевидную фракцию, инородные оксиды.

Классификация формовочных песков по составу в соответствии с ГОСТ 1238-91 представлена в таблице 1, из которой следует, что наиболее качественным являются обогащенные пески.

Таблица 1. Классификация формовочных песков по составу

Фракционный состав песка определяют путем просеивания через 11 сит с размерами ячеек от 2,5 до 0,005 мм. Остаток песка, расположенный на трех смежных ситах, называют основной фракцией песка. Ее содержание не должно быть менее 70 % (таблица 2).

Таблица 2. Классификация формовочных песков по размеру зерен.

Наиболее крупные пески (группа 04 и 0315) применяют для приготовления стержневых смесей. Пески группы 02 входят в состав формовочных смесей для стальных отливок, группы 016 - для чугунных отливок. Пески групп 0063 и 005 используют для приготовления противопригарных красок.

В зависимости от распределения на ситах основной зерновой фракции пески разделяют на категории А и Б. если остаток на верхнем из трех смежных сит больше, чем на нижнем, пески относят к категории А, если меньше - к категории Б.

В маркировке песка на первом месте стоит обозначение класса, на втором - зерновой группы, на третьем - категории. Например, маркировка об 1К02А означает: обогащенный кварцевый песок класса об 1К зерновой группы 0,2 категории А.

Магнезит метталургический

Металлургический магнезит МqО имеет плотность 3,0 г/см³. температура плавления 2800 ^oС. Твердость 5,5-6 по шкале Мооса. Металлургический магнезит получают путем обжига природного магнезита МqСО₃ при температуре 1500-1600 ^oС. Его применяют для изготовления крупных отливок из титановых сплавов преимущественно при стационарной заливке.

Электрокорунд

Безводный оксид алюминия существует в нескольких модификациях. В природе встречается только a - фаза в виде корунда, сапфира, рубина. Плотность корунда составляет от 3,98 до 4,01 г/см³.в зависимости от наличия примесей. Температура плавления a - корунда 2050 ^oс. Твердость по шкале Мооса. Электрокорунд широко применяют при литье титановых сплавов по выплавляемым моделям.

Диоксид циркония

Технический диоксид циркония содержит не менее 97,5 % ZrO₂. Его плотность равна 5,7 г/см³.. Температура плавления 2700 ^oС. Твердость 6,5 по шкале Мооса. Диоксид циркония применяют для изготовления отливок из титановых сплавов по выплавляемым моделям.

Хромомагнезит

Хромомагнезит состоит из МqО (42%) и Ст₂О₃ (15 %). Он имеет плотность 3,9 г/см3.и огнеупорность 2000 ^oС. Его часто применяют при изготовлении противопригарных паст и красок при производстве массивных отливок из легированных сталей.

Хромит

Хромит (хромистый железняк) FeO * Cr₂O₃ имеет плотность 4,0 г/см³. Температура по шкале Мооса 5,5. Хромит используют в качестве наполнителя облицовочных смесей, а также паст и красок при изготовлении крупных стальных отливок.

Цирконий

Циркон (силикат циркония) состоит из ZrO₂ (63%) и SiO₂ (32%). Это природный минерал плотностью 4,6 г/см³. Температура плавления 2600 ^oС. Твердость по шкале Мооса 7,5. циркон используют в качестве наполнителя облицовочных смесей и противопригарных красок при изготовлении отливок их стали и чугуна.

Дистен-силлиманит

Дистен-силлиманит состоит из природных алюмосиликатных материалов Al₂O₃ (57%) и SiO₂ (39%). Плотность 3,5 г/см³. Огнеупорность 1830 ^oС. Его применяют главным образом при литье по выплавляемым моделям, а также в качестве наполнителя облицовочных смесей и противопригарных красок при изготовлении особо сложных стальных отливок при литье в песочные формы.

Графит

Графит является одним из наиболее термостойких материалов. Его прочностные свойства увеличиваются при повышении температуры. Плотность 2,26 3,5 г/см³. Искусственный графит изготавливают из продуктов нефтяной и каменноугольной промышленности. Теплопроводность графитных форм соизмерима с теплопроводностью металлов, она значительно выше теплопроводности оксидных огнеупорных материалов. Коэффициент температуропроводности графита - 0,172 м²/с, сухой песчано-глинистой формы - 0,0006 м²/с. Графит применяют при изготовлении хйдожествееных отливок из титана.

Связующие материалы

В процессе развития литейного производства сформировалось довольно большое количество разновидностей технологических процессов, каждый из которых имеет свои специфические особенности, определяющие экономическую целесообразность.

При изготовлении литейной формы важнейшую роль играет связующее, которое определяет основные технологические свойства формовочной смеси.

Обобщенную классификацию связующих можно представить в виде таблцы 3.

Таблица 3. Классификация связующих.

Примечания: Под удельной прочностью понимают прочность песчаного образца, отнесенную к массовой доле (%) связующего.

К классу А относятся органические связующие, не смачиваемые водой, к классу Б - органические связующие, растворяемые или смачиваемые водой, к классу В - неорганические связующие, растворяемые и смачиваемые водой.

Органические связующие (классы А иБ) при высоких температурах сравнительно легко разлагаются и обеспечивают хорошую податливость и выбираемость.

Неорганические связующие (класс В) хорошо выдерживают воздействия высоких температур, но имеют низкую податливость и выбиваемость.

Многие свойства формовочных смесей определяются соотношением сил адгезии и когезии связующих материалов.

Адгезия - это слипание двух разнородных или жидких тел под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия. Она определяет, например, прочность пленки связующего материала с огнеупорным зерном.

Когезия - процесс межмолекулярного взаимодействия внутри одного материала или прочность огнеупорного зерна.

В зависимости от соотношения напряжений, создаваемых силами когезии и адгезии, разрыв двух зерен песка, связанных между собой пленкой связующего может носить различный характер:
1) при σ_ког > σ _адг происходит адгезионный разрыв;
2) при σ _адг > σ _ког имеет место когезионный разрыв на пленке связующего;
3) при σ _адг ≈ σ _ког наблюдается смешанный разрыв
4) при σ _адг + σ _ког > σ _{ког зерна} отмечается когезионный разрыв по зерну.

В реальных условиях чисто когезионный разрыв по пленке связующего практически не происходит. Для большинства связующих материалов наиболее характерен адгезионный разрыв. Исключение составляют жидкостекольные смеси, в которых из-за значительных сил адгезии связующего к поверхности зерен песка имеет место смешанный разрыв или когезионный разрыв по зерну.

Глины

Формовочные глины являются горными породами, которые состоят из тонкодисперсных частиц водных алюмосиликатов, обладающие высокой связующей способностью и термохимической устойчивостью, а также пластичностью после увлажнения.

В состав формовочных глин входят минералы групп каолинита, монтмориллонита (бентонита) и гидрослюд.

Каолинит Al₂O₃ * 2SiO₂ * 2H₂O имеет твердость 2 по шкале Мооса, плотность 2,6 г/см³, температуру плавления 1750 ^oС. Кристаллы каолинита представляют собой двухслойные пакеты с размером в поперечнике 2-4 мкм. В сухом состоянии каолинит поглощает влагу, образуя пластичное тесто. При нагреве претерпевает следующие превращения: в интервале температур 100-400 ^oС удаляется поверхностно-связанная влага, при 550-690 ^oС - химически связанная влага, при 900-1050 ^oС полностью разрушается кристаллическая решетка каолинита и он превращается в амфорные глинозем и кремнезем, при 1200-1280 ^oС образуется новый минерал - муллит (3Аl₂O₃ * 2SiO₂).

Монтмориллонит (бентонит) Al₂O₃ * 4SiO₂ * H₂O * nH₂O имеет температуру плавления 1250-1300 ^oС. Плотность 1,0-2,0 г/см³. Кристаллы монтмориллонита представляют собой трехслойные пакеты с размером в поперечнике 0,2-1,0 мкм. При нагреве до 100-200 ^oС удалятся поверхностно-связная влага, при 500-700 ^oС - химически-связанная влага, что сопровождается необходимой дегидратацией минерала, при 700-900 ^oС кристаллическая решетка разрушается и минерал превращается в амфорные вещества. Отличительной особенностью монтмориллонита является высокая интенсивность набухания при увлажнении. При набухании промежутки между отрицательными пакетами значительно расширяются, содержание поверхностно-связанной воды при этом увеличивается с 6 до 30 % и более.

Гидрослюды являются промежуточным продуктом разложения слюды в каолин.

Кроме упомянутых выше минералов в формовочных глинах присутствуют кварц. Полевой шпат, гидриды или оксигидриды железа.

Глинистые минералы слагаются из октаэдрических и тетраэдрических образований в виде пластинок толщиной 5 * 10^-7 мм.

Октаэдрическая решетка состоит из атомов кислорода и гидроксидов, внутри нее расположен атом алюминия.

Тетраэдрическая решетка состоит из атомов кислорода, а внутри нее расположен атом кремния.

Кристаллическая решетка каолинита состоит из двух слоев - алюмогидроксильного и кремнекислородного, образующих пакет между отдельными пакетами каолинитовой глины возникает достаточно прочная водородная связь. При увлажнении такие пакеты плохо расщепляются и слабо диспергирубт (плохо измельчаются). Это объясняется тем, что межпакетное расстояние составляет всего 2 * 10^-7 мм, а диаметр молекулы воды - 2,9 * 10^-7 мм, вследствие чего проникновение воды в межпакетный зазор и расщепление отдельных пакетов затруднено.

Кристаллическая решетка монтмориллонита состоит из трех слоев - двух кремнекислотных и одного гидроксильного. Отдельные пакеты этой глины соприкасаются плоскостями с одинаковыми атомами, между ними возникает непрочная валентная связь. При увлажнении такой глины молекулы воды легко проникают в межпакетный зазор, увеличивая его до 20 * 10^-7 мм и более. Этим объясняется высокая связующая способность монтмориллонитовых глин.

Размер зерна формовочных глин оказывает существенное влияние на их связующую способность. Мелкозернистsя (высокодисперсные) глины имеют большую связующую способность. При анализе фракционного состава, так же как и для формовочных песков, различают зерновую часть (частички размером более 22 мкм) и глинистую составляющую (частички размером не менее 22 мкм). В свою очередь, глинистая составляющая подразделяется на грубодисперсную (размер частичек составляет от 22 до 5 мкм), мелкодисперсную (от 5 до 1 мкм) и коллоидную (менее 1 мкм) части.

При определении дисперсности глин используют метод осаждения глинистых частичек из водных суспензии. В отличие от дисперсной, коллоидная часть не осаждается. Частички размером менее 1 мкм в водной среде получают электрический заряд, и вокруг них образуются сольватная оболочка.

Элементарную глинистую частичку коллоидного раствора называют мицеллой. Глинистая мицелла скостит из ядра, которое окружено ионами и противоионами, образующими адсорбированный слой. Сольватная оболочка, кроме того, включает диффузионный слой, ионы которого могут вступать в ионный обмен с другими ионами, находящимися в водной среде. Сольватную оболочку мицеллы называют двойным электрическим слоем.

При оценке коллоидальности в раствор добавляют электролит. При этом происходит нейтрализация заряда мицелл и коагуляция глинистых оболочек, которые в виде хлопьев осаждаются на дно сосуда. Объем осадка, отнесенный к объему всего раствора и выраженный в процентах, является мерой коллоидальности глины. Чем выше коллоидальность, тем выше связующая способность глины. Например, связующая способность монтмориллонитных глин, коллоидальность которых достигает 100 %, почти в два раза выше, чем каолинитовых.

Этилсиликат

Этилсиликат является основой для приготовления связующего при литье по выплавляемым моделям. Он представляет собой смесь этиловых эфиров и ортокремневых кислот. Это - прозрачная жидкость с температурой кипения 165 ^oС, плотностью 0,98-1,05 г/см³.