Формовочные материалы

Формовочные материалы должны обладать главным образом огнеупорностью, газопроницаемостью и пластичностью.

Огнеупорностью формовочного материала называется способность его не сплавляться и спекаться при соприкосновении с расплавленным металлом. Наиболее доступным и дешевым формовочным материалом является кварцевый песок (SiO₂), достаточно огнеупорной для отливки самых тугоплавких металлов и сплавов. Из примесей, сопровождающих SiO₂, особенно нежелательны щелочи, которые, действуя на SiO₂, как флюсы, образуют с ним легкоплавкие соединения (силикаты), пригорающие к отливки и затрудняющие ее очистку. При плавке чугуна и бронзы вредные примеси вредные примеси в кварцевом песке не должны превышать 5-7%, а для стали - 1,5-2%.

Газопроницаемостью формовочного материала называется его способность пропускать газы. При плохой газопроницаемости формовочной земли в отливке могут образовываться газовые раковины (обычно сферической формы) и вызывать брак отливки. Раковины обнаруживаются во время последующей механической обработки отливки при снятии верхнего слоя металла. Газопроницаемость формовочной земли зависит от ее пористости между отдельными зернами песка, от формы и величины этих зерен, от их однородности и от количества в ней глины и влаги.

Песок с округлыми зернами обладает большей газопроницаемостью, нежели песок с округлыми зернами. Мелкие зерна, располагаясь между крупными, также уменьшают газопроницаемости смеси, снижая пористость и создавая мелкие извилистые каналы, затрудняющие выход газов. Глина, имея чрезвычайно мелкие зерна, закупоривает поры. Излишек воды также закупоривает поры и , кроме того, испаряясь при соприкосновении с залитым в форму горячим металлом, увеличивает количество газов, которые должны пройти через стенки формы.

Прочность формовочной смеси заключается в способности сохранять приданную ей форму, сопротивляясь действию внешних усилий (сотрясения, удар струи жидкого металла, статическое давление залитого в форму металла, давление газов, выделяющихся из формы, и металла при заливке, давление от усадки металла и т.д.).

Прочность формовочной смеси возрастает при повышении содержания влаги до определенного предела. При дальнейшем повышении количества влаги прочность падает. При наличии в формовочном песке примеси глины ("жидкий песок") прочность повышается. Жирный песок требует большого содержания влаги, чем песок с малым содержанием глины ("тощий песок"). Чем мельче зерно песка и чем угловатее его форма, там больше прочность формовочной смеси. Тонкая связующая прослойка между отдельными зернами песка достигается тщательным и продолжительным перемешиванием песка с глиной.

Пластичность формовочной смеси называется способность легко воспринимать и точно сохранять форму модели. Пластичность особенно необходима при изготовлении художественных и сложных отливок для воспроизведения мельчайших подробностей модели и сохранения отпечатков их во время заливки формы металлом. Чем мельче зерна песка и чем равномернее они окружены прослойкой глины, тем лучше они заполняют мельчайшие детали поверхности модели и сохраняют форму. При излишней влажности связующая глина разжижается и пластичность резко снижается.

Испытание формовочных материалов

Прежде чем приступить к ответственной формовке, необходимо проверить качество формовочной смеси. Свойства формовочной смеси необходимо определять в специальной лаборатории, оборудованной соответствующими приборами.

Газопроницаемость проверяют следующим образом. Сквозь стандартный образец из испытуемой смеси пропускают определенный объем воздуха V (см3) и устанавливают время t прохождения его в минуту при давлении Р (см³) по водяному манометру.

Прочность формовочной смеси на сжатие определяют следующим образом. Приготавливают из испытуемой смеси цилиндрик высотой 5,08 см и диаметром 5,08 см и подвергают его сжатию при возрастающей нагрузке до разрушения. Нагрузку, при которой образец разрушился, делят на прощать поперечного сечения (20,24 см²) и получают величину сопротивления сжатию. Это испытание производят с тем же цилиндром, который предварительно служил для определения газопроницаемости определяя нагрузку в момент, когда образец начинает деформироваться (принимать бочкообразную форму), судят о величине удельной нагрузки, при которой залитый в форму металл будет деформировать форму и вызовет неправильные размеры отливки.

Влажность формовочной смеси определяют в специальном сушильном шкафу, высушивая навеску до постоянного веса.

Способ, точный, но длительный. За это время испытуемая формовочная смесь в условиях цеха может изменить влажность (потерять часть влаги). Поэтому в современной практике влажность определяют при помощи специальных приборов ускоренным способом (в течении 4-5 мин) с точностью до 0,5%. Навеску формовочной смеси в стаканчике сетчатым дном продувают сухим воздухом, нагретым электрической спиралью до 200^оC. влага быстро испаряется, и по разности в весе устанавливают влажность смеси.

Содержание глинистых веществ определяют способом отмучивания. Пробу в 50 г хорошо просушенной формовочной смеси смешивают с примесью едкой щелочи (475 см³ воды и 25 см³ 1%-ного едкого натра). Соду плотно закрывают специальной пробкой и взбалтывают в течении часа, потом дают содержимому отстояться. Зерна осядут на дно, а глинистые вещества останутся в виде мути. Мутную жидкость сливают, а в сосуд с оставшимся песком наливают чистую воду, еще раз взбалтывают и вновь дают отстояться. Это повторяют до тех пор, пока вода над осевшим песком не станет совершенно прозрачной, т.е. все глинистые вещества не будут отделены. Отмытый песок просушивают и взвешивают. По разности в весе до и после отмачивания устанавливают содержание глинистых веществ.

Зернистость песка определяют следующим образом: 50 г сухого песка после отмучивания просеивают сквозь набор стандартных сит в течении 15 мин. И определяют по весу количество зерен в каждом из сит (в весовых процентах).

Формовочные смеси

Отливка может производиться в сырую и в сухую формовочную смесь. Состав смеси для сырой и сухой формы разный.

Пластичность смеси сырой формы обеспечивает главным образом глиной и влагой. При этом глины не должно быть больше 6% (обычно 4-5%), так как она снижает газопроницаемость. Прочность сырой формы может быть повышена более плотной набивкой.

Сухие формы приготовляют из специальной смеси. После сушки при температуре 300-400^оC они получают высокую прочность и высокую газопроницаемость. Формовочные смеси для сухих форм содержат 6-8% глинистых веществ. Большинство ответственных и художественных крупных изделий (памятники, статуи) отливают в сухие формы.

Так называемые кварцевые пески для форм состоят из кремнезема SiO₂ (более 97%) с очень небольшой примесью Al₂O₃ и Fe₂O₃. Цвет их почти белый вследствие ничтожного содержания Fe₂O₃. Они обладают очень высокой огнеупорностью (до 1700^оC) и применяются главным образом при стальном литье и для изготовления стержней в формах. В природе зерна кварцевого песка встречаются разной величины. Горная порода, состоящая из мельчайших кварцевых зерен, называется маршаллитом.

Так как формовочные пески, удовлетворяющие всем требованиям изготовления формы, в природе встречаются редко, то формовочную смесь составляют из разных сортов тощих и жирных песков. Смесь из кварцевого песка по качеству бывает выше обычной смеси благодаря более однородному строению зерен и меньшому содержанию вредных примесей.

Подготовка формовочных смесей

В современных литейных цехах механизация способов приготовления формовочных смесей для массового литья полностью обеспечивает все подготовленные процессы. Передаточные операции по транспортированию формовочных смесей к формовочному отделу и транспортирование готовых флрм также механизируются.

Для сушки формовочного песка применяются печи с равномерной температурой по всей печи около 100-110^оC. При перегреве входящие в состав глинистые вещества теряют свою связующую способность. Для размалывания комьев формовочных песков и перемешивания формовочных материалов служат бегуны различных конструкций.

Формовочная смесь после обработки под бегунами оказывается спрессованной и имеет неравномерную влажность. Нужная рыхлость и равномерное распределение влажности получаются в специальных машинах - разрыхлителях и аэраторах.

Разрыхлители устраиваются различной конструкции. Например, на разрыхлитель с подвижной лентой формовочная смесь забрасывается через воронку на движущуюся бесконечную ленту. Гребенки этой ленты подхватывают смесь и с большой скоростью выбрасывают ее на подвижное сито.

Аэратор для разрыхления смеси состоит из горизонтального вала с закрепленными на нем лопатками. Через воронку на лопатки непрерывно подается смесь, подхватывается ими и бросается на подвешенные к кожуху цепи. Разрыхленная смесь падает по другую сторону цепей и выпускное отверстие. Производительность аэраторов 10-80 м³/час.

Мелкие куски чугуна и стали отделяются от формовочной смеси на магнитных сепараторах. Материал подается на магнитный вращающийся барабан (электромагнит), при этом песок ссыпается по желобу на одной стороне барабан, а металлические щетки части - на другой.

При механизированной подаче старой смеси в аппарат для приготовления формовочной смеси магнитный сепаратор служит в то же время шкивом в конце ленточного транспортера, подающего смесь с места выбивки залитых форм. С сепаратора смесь попадает в приемную воронку дробильных вальцев, а металлические включения попадают в ящик под шкивом.

Механизация способов приготовления формовочных материалов в современных литейных цехах массового и крупносерийного производства представляет собой сложный комплекс механизмов. В этих механизмах в землеподготовительном отделении приготавливаются формовочные и стержневые смеси; транспортеры перемещают исходные материалы и подают готовые смеси к местам потребления.