Краткая характеристика исходных формовочных материалов

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

Исходные формовочные материалы делят на две группы:

1) основные: огнеупорный наполнитель (кварцевый песок, циркон, магнезит и др.); связующие материалы, обеспечивающие прочность связи частиц наполнителя (глина, жидкое стекло, лигносульфонат технический, смолы и др.);

2) вспомогательные материалы – различные добавки (торф, опилки, уголь и др.), придающие смесям определенные свойства (газопроницаемость, податливость, непригораемость и т.д.).

Наполнители. К наполнителям относятся кварцевый песок, электрокорунд, шамот и другие материалы.

Кварцевые пески. В качестве огнеупорной основы формовочных и стержневых смесей наибольшее распространение получил кварцевый песок из-за высокой огнеупорности, прочности и твердости, дешевизны.

Основу песков составляет кремнезем SiO2, имеющий температуру плавления 1713 °С, твердость (по шкале Мооса) 7, плотность 2,5 – 2,8 г/см³. Наряду с кремнеземом в формовочных песках присутствуют вредные примеси (полевой шпат, слюда, окислы алюминия, железа и другие соединения), ухудшающие свойства песка.

Недостатком кварца является способность его при нагреве претерпевать полиморфные превращения, в ре­зультате которых изменяется структура зерен кварца, что сопровождается значительным изменением объема зерен и приводит к постепенному их разрушению и уве­личению содержания в песке пылевидных частиц.

По ГОСТ 2138 – 84 формовочные пески подразделя­ют на классы и группы. Класс песка определяется его химическим составом — содержанием SiO₂ глинистой составляющей и вредных примесей (табл. 1), группа песка — размерами его зерен (табл. 2). Пески, содержащие до 2% глины, назы­вают кварцевыми, а содержащие от 2 до 50% —глинис­тыми.

При изготовлении форм и стержней используют пес­ки определенного гранулометрического состава, под которым понимают распределение частиц фор­мовочного песка по размерам. Определение грануломет­рического состава песка производят просеиванием его на специальном приборе с набором из калиброванных сит. Песок, оставшийся в наибольшем количестве на трех смежных ситах, называется основной зерновой фракцией (табл. 2). По номеру среднего из трех сит обозначают группу песка.

Пески подразделяют на две категории А и Б. Пески с большим остатком на крайнем верхнем сите, чем на крайнем нижнем, относят к категории А, с большим остатком на крайнем нижнем — к категории Б. В марке формовочного песка на первом месте указывают класс песка, на втором — группу, на третьем — категорию. Например, маркой 1К02А обозначают кварцевый песок 1-го класса средней зернистости, группы 02, категории А. Различают природные и обогащенные формовочные пес­ки (см. табл. 3.1). Обогащенные пески получают из при­родных, подвергая их специальной обработке для умень­шения содержания глинистой составляющей и вредных примесей.

Кварцевые пески классов 1К—4К используют для изготовления стержней, а также форм при получении отливок из стали и чугуна. Тощие и полужирные пески применяют для изготовления форм при производстве от­ливок из цветных сплавов и мелких чугунных отливок. Обогащенные кварцевые пески используют для получе­ния форм и стержней, отверждаемых в горячей и холод­ной оснастке, так как глинистая составляющая и вред­ные примеси в таких смесях резко снижают скорость отверждения и прочностные свойства форм и стержней.

Электрокорунд. Безводный оксид алюминия существует в нескольких модификациях. Плотность корунда составляет от 3,98 до 4,01 г/см3 в зависимости от наличия примесей. Температура плавления 2050 °С. Твердость 9 по шкале Мооса. Электрокорунд широко применяют при литье титановых сплавов по выплавляемым моделям.

Циркон (силикат циркония) состоит из ZrО2 (63 %) и SiО2 (32 %). Это природный минерал плотностью 4,6 г/см³. Температура плавления 2 600 °С. Твердость по шкале Мооса 7,5. Циркон используют в качестве наполнителя облицовочных смесей и противопригарных красок при изготовлении отливок из стали и чугуна.

Дистенсиллиманит состоит из природных алюмосиликатных материалов – Al2О3 (57 %) и SiО2 (39 %). Плотность 3,5 г/см3. Огнеупорность 1830 °С. 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 песчаные формы.

Промышленные огнеупорные отходы. Наиболее широко используют отработанную смесь – собственные отходы литейных цехов, которые могут использоваться повторно (песчано-глинистые смеси). У отработанной песчано-глинистой смеси восстанавливают частично свойства следующими последовательными операциями: раздавливанием комков, магнитной сепарацией, аэрацией. После подготовки ее используют как основной огнеупорный материал с небольшими добавками свежих материалов (5–10 %) в единых смесях. Качество отработанной смеси зависит от свойств исходных компонентов.

Смеси на выгорающих связующих (масле, декстрине и пр.) также могут использоваться повторно. Жидкостекольные и смоляные смеси повторно использовать нельзя, так как они представляют собой твердоспеченные куски различных размеров.

Связующие материалы.Связующие материалы предназначены для склеивания зерен наполнителя и придания формовочной смеси необходимой прочности.

Связующие материалы должны обладать следующими свойствами:

равномерно распределяться по поверхности формовочных материалов в течение определенного времени, что обеспечивает постоянство свойств смесей и красок;

придавать высокие свойства формовочным и стержневым смесям;

не быть газотворными при сушке и заливке;

не снижать огнеупорность формовочного материала и не увеличивать его пригораемость;

быть дешевым, недефицитным и безвреденым для окружающих.

Связующие материалы делятся на неорганические и органические.

Неорганические связующие хорошо выдерживают воздействие высоких температур, но имеют низкую податливость и выбиваемость. Органические связующие при высоких температурах сравнительно легко разлагаются и обеспечивают хорошую податливость и выбиваемость.

Из неорганических связующих материалов наибольшее распространение получили формовочные глины, этилсиликат, жидкое стекло.

Формовочные глины. Глина является наиболее рас­пространенным связующим материалом в формовочных смесях. Формовочные глины, как и пески, относятся к осадочным горным породам. Они состоят из мельчай­ших частиц водных алюмосиликатов с размерами <0,022 мм, обладающих высокой связующей способностью и термохимической устойчивостью, а также пластичностью после увлажнения. Отличительной особенностью глины являет­ся способность набухать в воде, причем чем больше гли­на способна удерживать воды, тем выше ее связующие и пластические свойства.

По содержанию глинистых минералов формовочные глины делят на три вида:

Кроме указанных выше минералов глины содержат ряд примесей (кварц, полевые шпаты, слюды, карбонат, гипс, окислы и сульфиды железа), ухудшающие качество глин.

Наиболее широко распространены в литейном производстве каолиновые и бентонитовые гли­ны. Бентонитовые глины обладают очень высокими свя­зующими свойствами, так как способны удерживать большее количество воды, чем другие виды глин. Это позволяет при их применении в 2—3 раза сократить со­держание глины в формовочных смесях и этим повы­сить огнеупорность и газопроницаемость смесей. Бентонитовые глины используют при изготовлении высокока­чественных формовочных смесей, смесей для автомати­ческих линий, где особенно необходимы смеси с высоки­ми и стабильными свойствами. В связи с потерей кри­сталлизационной влаги при высоких температурах суш­ки (120—200 °С) бентонитовые глины необратимо теря­ют свою связующую способность, поэтому их применя­ют только для формовки «по-сырому». Недостатком бентонитовых глин является и пониженная огнеупорность (1250—1300 °С).

Каолиновая глина обладает меньшей связующей способностью по сравнению с бентонитовой глиной. Однако, такая глина сохраняет связующую способность после сушки, поэтому каолинова глина широко используется при формовке «по-сухому».

В соответствии с ГОСТ 3226-93 «Глины формовочные огнеупорные» глины классифицируют в зависимости от их химических и физических показателей. По содержанию вредных примесей глины делят на три группы: с высокой T1 средней Т2 и низкой Т3 термо­химической устойчивостью.

Связующая способность глины оценивается пределом прочности смеси на сжатие во влажном и сухом состоя­ниях. По величине предела прочности во влажном со­стоянии формовочные глины делят на три группы: П — прочносвязующая, С — среднесвязующая и М — мало­связующая. По величине предела прочности в сухом со­стоянии формовочные глины делят на три группы: 1 — прочносвязующая, 2 — среднесвязующая и 3 — малосвязующая.

В обозначении марки глины первая буква означает вид глины по минеральному составу, вторая — группу по пределу прочности во влажном состоянии, первая циф­ра — подгруппу по пределу прочности в сухом состоя­нии, а буква Т с индексом — группу глины по содержа­нию вредных примесей. Например, каолиновая формовочная глина прочносвязующая во влажном состоянии, среднесвязующая в сухом состоянии, с высокой термо­химической устойчивостью обозначается KП2T1. Маркой БС1Т3 обозначают бентонитовую формовочную глину, среднесвязующую во влажном состоянии, прочносвязующую — в сухом состоянии, с низкой термохимической устойчивостью.

Этилсиликат является основой для приготовления связующего при литье по выплавляемым моделям. Он представляет собой смесь этиловых эфиров ортокремниевой кислоты. Это прозрачная жидкость с температурой кипения 165 °С, плотностью 0,98–1,05 г/см3. Этилсиликат состоит из эфиров разной молекулярной массы. Для придания этилсиликату свойств связующего его подвергают гидролизу. В России производят этилсиликат двух марок – ЭТС-32 и ЭТС-40. Число, указанное в марке, соответствует среднему условному содержанию диоксида кремния (в процентах по массе).

Жидкое стекло (ГОСТ 13078-81) является водным раствором силиката натрия. Его получают сплавлением кварцевого песка и соды при температуре 1400–1500 °С с последующим растворением в воде до плотности 1,36 – 1,50 г/см³, осуществляемым в автоклавах.

Связующая способность жидкого стекла определяется его модулем, который равен М = (SiO2 / Na2O)·1,032, где SiO2 – массовая доля диоксида кремния; Na2O – массовая доля оксида натрия; 1,032 – соотношение молярных масс оксида натрия и диоксида кремния.

В зависимости от значения модуля различают три марки жидкого стекла: А, Б и В. Наибольшее распространение получило жидкое стекло марки В с модулем 2,61–3,0, в котором массовая доля SiО2 составляет 31 – 33%, Na2О – 10–12 %. Чем выше модуль жидкого стекла, тем выше прочность и ниже живучесть смеси.

Упрочнение форм осуществляется тремя способами:

воздушной сушкой в течение 2–8 ч;

тепловой сушкой при температуре 220–250 °С в течение 30–60 мин;

химической сушкой (продувкой углекислым газом, введением ферро-хромового шлака, эфиров угольной кислоты).

Металлофосфатные связующие используют для изготовления керамических оболочек при литье по выплавляемым моделям, противопригарных покрытий и как водное связующее для стержней, отверждаемых тепловой сушкой. Наибольшее применение нашло алюмохромофосфатное связующее – кислый фосфорнокислый хром-алюминий. Связующее представляет собой вязкий раствор темно-зеленого цвета.

Кремнийорганические связующие широко применяются в производстве точных отливок по выплавляемым моделям. Лучшим из них является этилсиликат. Для противопригарных покрытий используют термостойкие кремний кремнийорганические лаки (КО-928, КО-921 и др.) и кремнийорганические смолы (КО-9, КО-917).

Кристаллогидратные связующие – это водорастворимые кристаллогидратные соли, сульфат магния, гипс и цемент.

Стандарты на формовочные материалы. Качество отливок в значительной степени зависит от свойств формовочных материалов, поэтому необходим их тщательный контроль. Контроль качества формовочных материалов осуществляется в цеховой или заводской лаборатории по стандартным методикам. Стандарты (ГОСТ 23409.0-78 – ГОСТ 23409.26-78) на методы испытаний формовочных песков, формовочных и стержневых смесей включают 26 видов контроля: содержания примесей (оксидов кальция, магния, железа, титана, алюминия), влаги, прочности смесей при комнатной и высоких температурах, газопроницаемости, осыпаемости, гигроскопичности, текучести при динамическом и статическом уплотнениях, газотворности.

Вспомогательные материалы.К вспомогательным материалам относятся:

противопригарные материалы (например, пылевидный и гранулированный уголь, графит и др.);

разделительные материалы (тальк, графит и др.);

материалы, увеличивающие податливость стержней и форм;

материалы, снижающие прилипаемость смеси к стенкам стержневого ящика или модели;

материалы, улучшающие технологические свойства смесей (прочность, текучесть, теплопроводность и др.);

специальные экзотермические добавки;

отвердители (шлак феррохромовый, шлам нефелиновый, газ углекислый и др.) – вещества, благодаря взаимодействию которых со связующим происходит быстрое отверждение смесей без тепловой сушки;

катализаторы – вещества (например, ортофосфорная кислота), которые способствуют ускорению химических реакций только вследствие своего присутствия, сами же не претерпевают изменений;

пенообразователи – используются в наливных самотвердеющих смесях (например, контакт черный нейтрализованный рафинированный).

Контрольные вопросы и задания

1. Какие виды огнеупорных наполнителей вы знаете?

2. По каким показателям классифицируют формовочные пески?

3. Перечислите преимущества и недостатки кварцевого песка по сравнению с другими огнеупорными наполнителями?

4. Расскажите о классификации глин?

5. Каким образом классифицируют связующие материалы?

6. Приведите примеры вспомогательных материалов, расскажите об их назначении?