Классификация, составы и свойства формовочных и стержневых смесей

Формовочные смеси – основные компоненты технологического процесса изготовления отливок в разовых песчаных формах. Свойства и составы смесей выбирают в зависимости от технологии изготовления форм и стержней, рода металла, конфигурации и массы металла.

Классификацию формовочных смесей осуществляют по нескольким признакам. По роду заливаемого металла выделяют смеси для получения отливок из сталей, чугуна и цветных сплавов. По назначению смеси могут быть формовочными и стержневыми. Стержневые смеси отличаются от формовочных газопроницаемостью, прочностью и другими свойствами, так как стержни, установленные в литейной форме, подвергаются более сильному тепловому и динамическому воздействию металла, чем форма.

По характеру использования формовочные смеси подразделя­ют — на единые, облицовочные и наполнительные. Облицовочную смесь, оформляющую рабочую поверхность формы и непосредственно контактирующую с расплавом, тщательно готовят из наиболее каче­ственных исходных формовочных материалов, образуя из нее облицовочный слой толщиной 15—30 мм. Осталь­ной объем опоки заполняют наполнительной смесью, со­стоящей в основном из оборотной смеси с небольшими добавками свежих исходных материалов. Наполни­тельная смесь значительно дешевле и проще в при­готовлении, чем облицовочная. К ней предъявляются требования только по газопроницаемости и прочности, которые должны быть не ниже, чем у облицовочной сме­си. Использование облицовочных и наполнительных сме­сей рационально в условиях мелкосерийного и единич­ного производства, особенно при изготовлении средних и крупных отливок. Условия машинной формовки в серийном и массовом производстве определяют необходимость использования единых формовочных смесей, которые изготовляют из наиболее стабильных по составу и свойствам формовочных песков и прочносвязующих глин. По состоянию формы перед заливкой выделяют смеси для форм, заливаемых во влажном и в сухом состояниях.

В литейном производстве применяются самые разнообразные по составу и свойствам, смеси, которые используют в зависимости от требований к отливке и возможностей производства. При выборе состава смеси для формы и стержня учитывают следующие факторы: смеси должны обеспечить требуемое качество отливки, быть дешевыми, недефицитными, безвредными.

Наиболее дешевыми являются естественные песчано-глинистые смеси (ПГС). Песчано-глинистые искусственные смеси на обогащенных песках, высокосортных бентонитах, со специальными добавками уже на порядок дороже естественных и выше качеством. Но и их применение ограничивается массой, сложностью отливок. Песчано-глинистые смеси разделяют на две группы.

1. Сырые глинистые смеси малой прочности, приобретающие окончательную прочность на модели в процессе формовки и не подвергающиеся какому-либо дополнительному тепловому или химическому упрочнению. Область применения – отливки массой до 100 кг и отдельные отливки массой до 250 кг.

2. Упрочняемые смеси средней прочности, приобретающие начальную прочность на модели в процессе формовки и окончательную после тепловой обработки. К этой группе относятся глини­стые, сухие и быстросохнущие (быстротвердеющие) смеси с добавкой различных связующих для сокращения времени на подсушку форм. Область при­менения – отливки массой до 250 кг и часть отливок массой менее 100 кг.

Кроме ПГС используют самотвердеющиё смеси высокой прочности, приобретающие достаточ­ную для сохранения точного отпечатка прочность на модели в результате химического процесса. В зависимости от состава их делят на жидкостекольные, смоляные, сульфитные, масляные, фосфатные и другие смеси. Такие смеси применяют в основном в качестве стержневых, облицовочных; реже в качестве единых и никогда – наполнительных.

Смоляные смеси имеют самые высокие технологические свойства, но они дорогие и токсичные. Жидкостекольные смеси обладают меньшей податливостью и худшей выбиваемостью, чем смоляные, но они дешевле и безвреднее. В настоящее время им отдают предпочтение, так как появились новые процессы формообразования, позволяющие улучшить их свойства.

Сульфитные смеси (на основе лигносульфонатов) являются дешевыми, безвредными и для изготовления легких, не очень сложных отливок могут полноценно заменить смоляные смеси (горячетвердеющие смеси – ГТС, пластичные самотвердеющие смеси – ПСС). Фосфатные смеси уступают по свойствам смоляным смесям, но во многих случаях заменяют их.

Свойства смесей.

Качество форм и стержней опреде­ляется свойствами формовочных и стержне­вых смесей, которые должны отвечать определенным требованиям.

Текучесть — это способность смесей перемещать­ся под действием внешних усилий и заполнять опоки и стержневые ящики.

Пластичность — это свойство смеси деформиро­ваться под действием внешних усилий и сохранять по­лученную форму после удаления модели или стержнево­го ящика. Пластичность зависит от состава смеси, на­пример в песчано-глинистых смесях от содержания в них глины и воды.

Прочность – способность смеси в уплотненном со­стоянии выдерживать не разрушаясь внешние воздейст­вия. Она должна быть достаточной для того, чтобы фор­мы и стержни не разрушались при их изготовлении, транспортировании, сборке и заливке расплавом.

Податливость — способность смеси в уплотнен­ном состоянии деформироваться под действием сжимаю­щих усилий, возникающих в процессе усадки при за­твердевании и охлаждении отливок. При недостаточной податливости смеси в отливке могут образоваться тре­щины.

Газопроницаемость — свойство смеси пропус­кать газы, выделяющиеся при заливке и охлаждении из расплава, из стержня и самой формы, а также воздух, находящийся в ее полости. При недостаточной газопро­ницаемости в отливках образуются газовые раковины и поры.

Огнеупорность — способность смеси не размяг­чаться и не расплавляться под действием теплоты зали­ваемого в форму расплава.

Термохимическая стойкость — свойство смеси не уступать в физическое и химическое взаимо­действие с жидким металлом, его оксидами и газами, выделяющимися в процессе заливки форм. Низкая тер­мохимическая стойкость приводит к образованию трудно отделимого пригара, ухудшающего качество поверхнос­ти отливок и затрудняющего их очистку.

Кроме того, смеси должны обладать достаточной живучестью, т. е. сохранять свои свойства после при­готовления в течение заданного промежутка времени, малой газотворностью, т. е. не выделять большо­го количества газов в процессе заливки, выбиваемостью — легко удаляться из отливок после их охлажде­ния, негигроскопичностью.

Вспомогательные формовочные соста­вы (краски, клеи, пасты) предназначены для улучшения качества поверхности форм и стержней, придания ей оп­ределенных свойств, для соединения частей стержней.

Для защиты отливок от пригара на поверхности ра­бочих полостей форм и стержней наносят тонкий слой специальных противопригарных материалов, в качестве которых используют каменноугольную и древесноугольную пыль, графит, мазут, пылевидный кварц и др. Эти материалы входят в состав облицовочных смесей и красок.

Для устранения прилипания смеси к модели и стерж­невому ящику рабочую поверхность последних припыливают пудрой — ликоподием, тальком или графитом, а по плоскости разъема формы наносят в качестве разде­лительного слоя мелкий высушенный песок.

Для получения формовочных и стержне­вых смесей смешивают различные исходные формо­вочные материалы, при этом состав смеси и количество входящих в нее компонентов зависят от назначения сме­си. Кроме свежих исходных формовочных материалов в состав смеси обычно входит бывшая в употреблении смесь, подвергнутая специальной обработке (например, охлаждению, дроблению, магнитной сепарации, просеи­ванию, увлажнению).

Виды красок и области их применения

Противопригарные покрытия увеличивают поверхностную прочность, уменьшают осыпаемость и термохимическую стойкость форм и стержней, обеспечивая получение чистых отливок. Покрытия бывают водными, самовысыхающими и самотвердеющими. Водные покрытия применяют обычно для форм и стержней, подвергаемых сушке. Эти покрытия приготовляют из паст, которые поставляются централизованно.

Применение самовысыхающих и самотвердеющих покрытий позволяет исключить сушку формы и или стержня. Их используют для форм и стержней из самотвердеющих смесей. Если жидкое покрытие не обеспечивает достаточной чистоты отливки, то для натирки или облицовки стержней применяют пасты, которые наносятся вручную и поэтому используются достаточно редко, в основном при изготовлении крупных стальных отливок.

Оборудование для подготовки исходных формовочных материалов и для приготовления формовочных и стержневых смесей

Формовочные и стержневые смеси готовят в смесеприготовительном отделении литейного цеха, где размещаются склад формовочных материалов, оборудование для предварительной подготовки формовочных материалов и смесеприготовительные установки.

Подготовка свежих формовочных материалов состоит обычно в сушке песка и глины, просеивании песка, помоле глины и угля, приготовлении глинистой или глинисто-угольной суспензии. Сушку песка и глины производят в сушильных печах при температуре 150–250 °С. Просушенные пески просеивают на механических ситах различной конструкции для отделения крупных частиц и посторонних примесей.

Для дробления огнеупорной глины и размалывания глины и угля применяют дробилки и мельницы различных типов. Использование суспензии исключает операции сушки и размола глины. Отработанная формовочная смесь перед ее повторным использованием проходит следующие операции обработки: разминание комьев смеси после выбивки сухих форм, отделение металлических частиц (крючков, шпилек, застывших капель металла) с помощью магнитных сепараторов, просеивание на механических ситах.

Приготовление смесей. Для достижения высокого качества смесей необходимы точная дозировка исходных материалов, тщательное их перемешивание, вылеживание готовой смеси с целью выравнивания влажности и разрыхление смеси. Для дозирования применяют весовые и объемные дозаторы. Последние используют для взвешивания жидких составляющих – связующих и воды. При перемешивании обеспечивается равномерное распределение всех компонентов в объеме смеси и обволакивание зерен песка тонкой пленкой связующего. Для приготовления формовочных и стержневых смесей используют литейные смесители каткового, лопастного и шнекового типов.

В автоматизированных цехах применяют смесители непрерывного действия, в которых загрузка, перемешивание и выгрузка готовой смеси ведутся одновременно, непрерывно. К смесителям непрерывного действия относятся высокопроизводительные центробежные (или маятниковые) смешивающие бегуны с катками, вращающимися в горизонтальной плоскости. Приготовленные песчано-глинистые смеси передаются из смешивающих бегунов в бункера-отстойники, где смесь выдерживается 2-3 ч с целью выравнивания влажности и стабилизации свойств по всему объему. Затем уплотненную от вылеживания смесь дополнительно разрыхляют, пропуская ее через специальные установки – разрыхлители, лопастные (аэраторы) и дисковые (дезинтеграторы). Разрыхленная смесь направляется в формовочное отделение конвейером к расходным бункерам.

Лопастные и шнековые смесители применяют для приготовления пластичных (например, песчано-смоляных) и жидкоподвижных самотвердеющих смесей, а также сыпучих смесей, используемых для изготовления оболочковых форм и стержней. Такие смесители обеспечивают равномерное распределение составляющих и хорошее их перемешивание, но не создают оболочки вокруг зерен из-за отсутствия перетирающего действия на смеси. Механизация и автоматизация смесеприготовительного отделения.

В литейных цехах массового производства применяются автоматические линии формовки, включающие в себя полностью автоматизированные смесеприготовительные установки. В цехах с поточным механизированным производством отливок, потребляющих большое количество одинаковых по составу смесей, приготовление их производят в центральном смесеприготовительном отделении, где машины, транспортеры и устройства для переработки исходных материалов, приготовления смесей и передачи их к местам изготовления форм и стержней объединены в единую центральную смесеприготовительную систему (ЦСС) с автоматическим управлением.

Контрольные вопросы и задания

1. По каким признакам классифицируют формовочные смеси?

2. Почему требования, предъявляемые к стержневым смесям, более высокие, чем требования, предъявляемые к формовочным смесям?

3. Каково назначение красок?

4. Какое оборудование используют для подготовки исходных формовочных материалов?

5. Какое оборудование применяют для приготовления формовочных и стержневых смесей?

6. В каком отделении литейного цеха готовят формовочные и стержневые смеси?