9. Приготування формувальних сумішей. Міцність формувальних сумішей, її особливості і методи досліджень.

Приготовление формовочной смеси

Для приготовления смесей используются природные и искусственные материалы. Песок – основной компонент формовочных и стержневых смесей. Обычно используется кварцевый или цирконовый песок из кремнезема. Глина является связующим веществом, обеспечивающим прочность и пластичность, обладающим термической устойчивостью. Широко применяют бентонитовые или каолиновые глины.

Сначала подготавливают песок, глину и другие исходные материалы. Песок сушат и просеивают. Глину сушат, размельчают, размалывают в шаровых мельницах или бегунах и просеивают. Аналогично получают угольный порошок.

Затем подготавливают оборотную смесь. Оборотную смесь после выбивки из опок разминают на гладких валках, очищают от металлических частиц в магнитном сепараторе и просеивают.

Приготовление формовочной смеси включает несколько операций: перемешивание компонентов смеси, увлажнение и разрыхление.

Перемешивание осуществляется в смесителях-бегунах с вертикальными или горизонтальными катками. Песок, глину, воду и другие составляющие загружают при помощи дозатора, перемешивание осуществляется под действием катков и плужков, подающих смесь под катки.

Готовая смесь выдерживается в бункерах-отстойниках в течение 2…5 часов, для распределения влаги и образования водных оболочек вокруг глинистых частиц.

Готовую смесь разрыхляют в специальных устройствах и подают на формовку.

Формовочная смесь состоит из наполнителя, связующего и специальных добавок.

Наполнители должны обладать относительно высокой огнеупорностью, термической стойкостью, инертностью к расплавленному металлу, механиче- ской прочностью, низким коэффициентом термического расширения, одно- родным зерновым составом и минимальной стоимостью. На первых этапах развития литейного производства в качестве наполнителей применялись кварцевые пески и пылевидный кварц (маршалит). В связи с ростом требований к качеству отливок стали использовать другие природные, а также искус- ственные материалы.

Наполнители формовочных смесей в первую очередь должны иметь концентрированный гранулометрический состав. Известные наполнители по гранулометрическому составу могут быть разделены на две группы: пески (фракция до 0,1 мм) и порошки (фракция менее 0,063 мм). Пески используют- ся при изготовлении смесей, порошки – противопригарных паст, красок и в качестве добавок.

Связующие материалы определяют прочностные характеристики смесей и красок в исходном и нагретом состояниях. В литейном производстве в качестве связующих используется большое количество материалов.

Применительно к поставленной задаче связующие целесообразно рассматривать совместно с добавками или реагентами, предназначенными для их отверждения. Основными характеристиками связующих являются прочность на сжатие смеси связующего с песком в отвержденном состоянии, температу- ра начала деструкции и количество выделяющихся при этом газов (газотвор- ность).

Анализ существующих тенденций в отечественной и зарубежной промышленности показал, что в качестве связующего для изготовления форм це- лесообразно применять, прежде всего, огнеупорную глину, портландцемент, жидкое стекло, синтетические смолы; для изготовления стержней – жидкое стекло с порошкообразными и жидкими отвердителями, фенолфурановые, фенолформальдегидные, карбамидно-фурановые, а также фосфатные свя- зующие.

Добавки служат для регулирования технических свойств смесей. Добав- ки к наполнителям используют обычно в виде тонкодисперсных материалов (порошков), увеличивающих плотность смеси. Они повышают прочность смеси за счет активации системы «наполнитель – связующее», препятствуют проникновению металла в форму как порозаполнители. Кроме того, имеетсябольшое число добавок, например, ванадий, теллур, магний, алюминий и другие элементы, которые являются основной составляющей красок для поверх- ностного легирования металла.

Добавки к связующему бывают нескольких типов: отвердители, пенообразователи (поверхностно-активные вещества – ПАВ) и модификаторы.

Основные требования, предъявляемые к смесям. Все свойства смесей делятся на технологические, рабочие и общие. К технологическим свойствам смесей относятся прочность во влажном и упрочненном состояниях, выбиваемость, осыпаемость, текучесть, живучесть и долговечность; к рабочим – прочность в нагретом состоянии, огнеупорность, податливость, газотворность и газопроницаемость, поверхностная прочность, склонность к пригару и теплофизические характеристики смесей. Общие свойства зависят от свойств исходных формовочных материалов и определяют объемную массу, порис- тость, зерновой, минералогический и химический составы. От комплекса свойств смесей наравне с технологическими особенностями зависит качество отливок.

Физико-механічні і технологічні властивості.

Виходячи з вимог отримання точних і якісних виливків в піщаних формах при мінімальних витратах, формувальна суміш на різних етапах технологічного процесу повинна мати наступні оптимальні физико-механічні і технологічні властивості.

Текучість - здатність формувальної суміші переміщатися і пластично деформу­ватися під дією зовнішніх сил або власної маси в напрямі, перпендикулярному до цих сил.

Уплотняємість - здатність формувальної суміші зменшувати об'єм (ущільнюва­тися) під дією зовнішніх сил або власної маси.

Формуємість - комплексна властивість, що характеризує здатність формуваль­ної суміші забезпечувати при даній технології чітке відтворення рельєфу поверхні модельного оснащення, необхідні густину і міцність форми.

Неприліпаємость до поверхні модельного оснащення - для попередження пош­кодження рельєфу поверхні порожнини форми при витяганні моделі.

Міцність при мінімальній витраті в'яжучого, достатню, щоб протистояти меха­нічним навантаженням при витяганні моделей, складанні і транспортуванні форм, розмиванню і продавлюванню їх рідким металом.

Живучість - збереження формувальною сумішшю своїх технологічних власти­востей на період її застосування.

Негігроскопічність, щоб форми (стрижні) при зберіганні не поглинали вологу.

Термостійкість - здатність форми не руйнуватися нижче мінімально допусти­мих величин міцності при контакті з рідким металом.

Вибиваємость - здатність форми руйнуватися після охолоджування виливків.

Газопроникність - здатність форми пропускати гази.

Податливість - здатність форми і особливо стрижнів не перешкоджати усадці виливка.

Негазотворність - формувальна суміш при контакті з рідким металом не по­винна виділяти багато газів, які могли б створити тиск, що приводить до їх проник­нення в метал.

Здатність до регенерації - відновлення властивостей відпрацьованих формува­льних сумішей для їх повторного використовування.

Нетоксичність - відсутність в суміші перевищуючого санітарні норми вмісту шкідливих речовин і виділення їх при заливці і охолоджуванні металу

Низька вартість і недефіцитність компонентів, що входять до складу формува­льних і стрижневих сумішей.

Текучість формувальної суміші визначається силами її внутрішнього тертя і зчеплення між піщинками. Залежно від величини сил внутрішнього тертя і зчеплення розрізняють пластичні, сипкі і рідкорухливі (наливні) формувальні суміші. Для плас­тичних сумішей зчеплення між піщинками має найбільші значення, що визначають їх міцність в сирому стані, а для сипких і наливних сумішей зчеплення близько до нуля. Чим більше міцність (зчеплення) пластичних сумішей, тим менше їх текучість. Текучість формувальної суміші повинна бути достатньою, щоб при даному її складі і мінімальній витраті енергії досягти максимальної і рівномірної щільності форм.

Відомо, що прилипаємість формувальній суміші погіршує якість поверхні форм і внаслідок цього виливків. Для запобігання прилипання суміші до модельного оснащення сили когезії (міцності формувальної суміші) повинні бути більше сил ад­гезії між формувальною сумішшю і поверхнею модельного оснащення. Щоб понизи­ти сили адгезії, необхідно зменшити змочуваність поверхні модельного оснащення в'яжучим формувальній суміші. З цією метою робочу поверхню дерев'яного модель­ного оснащення покривають фарбами і лаками. Крім того, поверхня її повинна бути гладкою.

Прилипаємість формувальних сумішей знижується при застосуванні модельно­го оснащення з пластмас, особливо з фторопласту. Для зменшення прилипаємості на робочі поверхні модельного оснащення наносять разові антиадгезійні модельні пок­риття - рідкі або пилоподібні. Рідкі покриття (наприклад, в'яжуче, композиція мазут + гас + графит) створюють рідку плівку між поверхнею оснащення і сумішшю,яка різко знижує між ними сили адгезії. Пилоподібні (порошкоподібні) покриття (моде­льні пудри), наприклад графить, лікоподій, також створюють розділовий прошарок між оснащенням і сумішшю, і тим самим знижують прилипаємість. Проте модельні пудри рівномірно нанести на поверхню оснащення важко, крім того, вони погано утримуються на вертикальних поверхнях і тому застосовуються мало.

Найпоширенішою причиною дефектів виливків є недостатня міцність форм і руйнування їх під час контакту з рідким металом. Величина міцності форм на різних етапах виготовлення виливків різна. Вона визначається наступними вимогами:

• забезпечувати чітке і точне відтворення формувальною сумішшю поверхні модель­ного оснащення, при цьому форма не повинна руйнуватися при витяганні моделі, тобто міцність її повинна бути більше питомих зусиль зсуву і відриву моделі від су­міші;

• витримувати тиск рідкого металу (натиск), який не повинен продавлювати форму і приводити до утворення на виливках подутості (місцеве потовщення виливка внаслі­док розпирання форми металом), тобто міцність форми повинна бути більше питомо­го тиску на неї рідкого металу;

• протистояти ерозійному руйнуванню кінетичною енергією потоку металу, що зали­вається, щоб не відбувалися розмивання суміші при заливці і утворення піщаних ра­ковин у виливках;

• міцність форми не повинна знижуватися нижче мінімально допустимих величин за час контакту рідкого металу з поверхнею форми щоб уникнути утворення у виливках ужимин, наростів, піщаних раковин і інших дефектів, тобто тривалість руйнування форми повинна бути більше часу затвердіння корки металу на поверхні виливка;

• після утворення на поверхні виливка твердої корки металу міцність форми повинна знижуватися, щоб забезпечити достатню підатливість виливка, який твердне і добру вибиваємість суміші.

Міцність при стисненні форми повинна бути не менше тиску, створюваного стовпом рідкого металу:

Р = Нрд)

де к - натиск;

р - густина рідкого металу; д - прискорення вільного падіння.

Чим більше натиск металу у формі, тим вище повинна бути міцність форми. З підвищенням натиску металу збільшується при заливці кінетична енергія його стру­меня і внаслідок цього підвищується небезпека розмивання форми потоком рідкого металу, що заливається.

Якщо у формі або на стрижні є виступаючі частини, вони можуть працювати на вигин; зріз і міцності їх повинні бути достатніми для опору цим навантаженням. Оскільки ці показники є лімітуючими, то міцність форми або стрижня в цілому по­винна бути така ж, як і виступаючих частин.

Слід підкреслити, що сильно перевищувати мінімально необхідну міцність фо­рми і стрижня не можна, оскільки через збільшення опору їх усадці у виливку мо­жуть виникнути великі напруги. Те, що велика міцність форми не потрібна, підтвер­джують, наприклад, технології отримання якісних виливків при вакуумно- плівковому формуванні і по моделях, що газифікуються.

Величину необхідної міцності форм і стрижнів слід розраховувати для конкре­тних технологій і конструкцій виливків. Її величина залежить не тільки від метало- статичного тиску (натиску), але і від характеру деформацій (стиснення, розтягуван­ня, зріз, вигин), які вони зазнають.

Для крупних виливків необхідна міцність форм складає 0,5-2 МПа, а для стри­жнів - 1-3 МПа.

Поверхнева міцність має найбільший вплив на якість виливка, так як динамічний вплив струменю металу сприймається в першу чергу поверхневими шарами форми та стрижня. Зараз не існує методів безпосереднього визначення поверхневої міцності, тому останню характеризують величиною "обсипальності ".

Поверхнева міцність суміші залежить від якості і кількості глини, неоднорі­дності складу піску за зернистостю, кількості вологи, кількості і якості в'яжучого, перегріву або недостатньої температури сушіння стрижня. Недостатня кількість або використання малозв'язуючих глин зменшує зцеплення окремих зерен піску, внаслідок чого підвищується обсипальність суміші. Бентоніти при нагріванні до 100⁰С втрачають свою гігроскопічну і частину цеолітної води, внаслідок чого пове­рхнева міцність висушеної суміші з бентонітом буде менше міцності суміші з фор­мувальною глиною. З цього виходить, що для сухих форм бентонітові глини засто­совувати не слід.

Обсипальність характеризується величиною втрати маси поверхневого шару зразка за одиницю часу при його терті об стінки сітчастого барабану, який обетається із швидкістю 60 обертів за хвилину.

При недостатній поверхневій міцності суміші її частки змиваються струме­нем металлу при заливанні і утворюють у виливках різні види дефектів ( засмічен­ня, пригар та інш. ).

Поверхневу міцність можна поліпшити шляхом підбору складових суміші і дотримання технології її приготування. Гарні результати дає зміцнення поверхні шляхом обприскування розчином зв'язуючих, наприклад, розчином сульфідно - спиртової барди, рідким склом та інш.

Для визначення поверхневої міцності використовується стандартний циліндричний зразок діаметром 50 мм і прилад моделі 056 (рисунок 7.1) з бараба­ном діаметром 110 мм. Барабан приладу обертається із швидкостю 60 обертів за хвилину. Стінки барабану виготовлені з сітки з товщиною проволоки 0,9 мм. Зва­жений зразок уміщують циліндричною поверхнею посередині барабану; при цьому необхідно слідкувати за тим, щоб торці зразка не упиралися у торці барабану. Час випробування 1 хвилина. Після зупинки барабану повторним зважуванням визна­чають массу зразка.

Випробуванням піддають зразки, які виготовлені з вологої суміші, або висушені за установленим для даного складу суміші режимом. Зразки повинні мати рівну по­верхню, без обломів та вибою.

Визначення обсипності виконують на трьох зразках. За показник обсипності прий­мають середнє арифметичне значення отриманих результатів. Якщо отримані дані хоча би одного із зразків відрізняються від середнє арифметичного більш ніж на 10 %, то випробування треба повторити на трьох нових зразках, виготовлених з тієї ж суміші.

Обсипальність визначається у процентах до початкової маси зразка:

О = (Р₁-Р₂)/Р₁ * 100%

де Р₁ - маса зразка до випробування, г; Р₂ - масса зразка після випробування, г.

Для більш глибокого розгляду процесу обсипальності поверхні форм і стрижнів слід ввести поняття «питома обсипальність поверхні». Під «питомою обсипально- стю поверхні» розуміють втрату у масі поверхневого шару зразка за одиницю часу, віднесену до одиниці обсипаної поверхні. Ця величина в значній мірі характеризує дійсний процесс втрати поверхневого шару форм та стрижнів. При стандартних випробуваннях на циліндричних зразках величина питомої обсипальності поверхні може бути визначена за наступною формулою:

У_п = (Р₁-Р₂)/F₆ = (Р₁-Р₂)/(π*d*h)

де Р₁ - масса зразка до випробування, г; Р2 - масса зразка після випробування, г,

F _б - бокова поверхня зразка, яка піддавалась силовому впливу, d, h - розміри зразка.

10 Газопроникністю зветься здібність суміші пропускати гази і водяні пари, які виділяються у процесі заливання форм рідким металом і при охолоджені виливка у формі.Газопроникність форм залежить від розмірів і форми зерна піску, наявності дис­персних складових і від ступеню ущільнення суміші.Величина газопроникності формувальних і стрижневих сумішей суттєво впливає на одержання якісних виливків. Так, зниження газопроникності сумішей приводить до утворення дефектних виливків за газовими раковинами. В той же час здібність сумішей пропускати гази робить суттєвий вплив на умови формування виливка. При цьому може змінюватися структура металу як окремих місць у виливку, та і по всьому перерізу. Тому, в залежності від роду металу виливків, їх конфігурації, маси і технологічних особливостей процесу виробництва, величина газопроникності фор­мувальних і стрижневих сумішей у кожному конкретному випадку визначається ок­ремо при складанні рецептур сумішей.

Газопроникність оцінюють кількістю повітря, яке проходить за одиницю часу через стандартно ущільнений циліндричний зразок постійних розмірів, віднесеного до одиниці площі і різниці тиску повітря перед входом у зразок і після виходу з нього. Випробування на газопроникність проводять одним з двох методів: стандартним або прискореним на одному і тому ж приладі, показання якого вико­ристовують для розрахунку величини газопроникності.

ЖИВУЧІСТЬ

11) Податливостью называется способность смесей сжиматься под действием внешних сил. Это необходимо для того, чтобы форма или стержень не препятствовали свободной усадке при затвердевании отливки. При недостаточной податливости материала формы в остывающей отливке возникают внутренние напряжения, приводящие к образованию трещин.Хорошей податливостью обладает крупный речной песок. Глина, располагаясь в промежутке между зернами песка, ухудшает податливость формовочной смеси. Состав и свойства формовочных материалов, применяемых для изготовления смесей, играют большую роль в получении качественной отливк . Недостаточная податливость приводит к образованию горячих трещин у фасонных отливок. Податливость зависит от структуры смеси, рода крепителя, плотности набивки смеси и др. Наибольшие требования податливости предъявляются к стержневым смесям.

12)Пригар Одним з найбільш поширених видів браку виливків є пригар формувальної і стрижневою суміші. Причини, що породжують Пригар, різноманітні: недостатня вогнетривкість суміші, крупнозернистий склад суміші, неправильний підбір протипригарних фарб, відсутність в суміші спеціальних протипригарних добавок, неякісна фарбування форм та ін Розрізняють три види пригару: термічний, механічний і хімічний.Термічний пригар порівняно легко видаляється при очищенні виливків.Механічний пригар утворюється в результаті проникнення розплаву в пори формувальної суміші і може бути видалено разом з кіркою сплаву, що містить вкраплення зерна формувального матеріалу.Хімічний пригар являє собою утворення, зцементовані легкоплавкими сполуками типу шлаків, які виникають при взаємодії формувальних матеріалів з розплавом або його оксидами.Механічний і хімічного пригар або видаляють з поверхні виливків (Потрібна велика витрата енергії), або ж виливки остаточно бракують. Попередження пригару засноване на введенні в формувальну або стрижневу суміш спеціальних добавок: меленого вугілля, азбестової крихти, мазуту та ін, а також покритті робочих поверхонь форм і стрижнів протипригарних фарбами, пріпиламі, натирання або пастами, що містять у своєму складі високоогнеупорні матеріали (графіт, тальк), що не взаємодіють при високих температурах з оксидами розплавів, або матеріали, що створюють відновну середу (мелений вугілля, мазут) у формі при її заливанні.Пригар попереджають введенням у  суміш протипригарних добавок, таких як кам`яно-вугільний пил, тальк, графіт, що у вигляді припилу наносять на поверхню форми для чавунних виливків.

13) Протипригарні фарби містять вогнетривкі матеріали і зв’язуючі речовини. Їх наносять на поверхню форми або стержня, де вони створюють міцний вогнетривкий шар, запобігаючи виникненню пригару. Вимоги до протипригарних фарб: мати високу температуру плавлення і не розм’якшуватись при контакті з розплавом;не утворювати при контакті з розплавом легкоплавких сполук;залишатися постійними за складом під час виготовлення, зберігання і використання;мати добру криючу здатність;не тріскатися під час сушки;міцно утримуватись на поверхні;не містити шкідливих домішок і дефіцитних складових. Склад протипригарної фарби: вогнетривкі наповнювачі (графіт чорний, тальк, кокс – для чавунних відливок, пиловидний кварц, циркон – для стальних відливок) у вигляді порошку;зв’язуючі речовини (водорозчинні – декстрин, сульфітна барда, рідке скло, самовисихаючі – нітролак, смоли);розчинники (вода, уайт-спірит, спирт);стабілізатори – речовини, що попереджають осадження вогнетривкої основи (бентоніт, полівініловий спирт); антисептик, який попереджує бродіння (формалін).

1. Противопригарная быстросохнущая краска на основе силиката циркония АПС-1Краска (АПС-1) на основе ацеталевых смол (без фенолов), огнеупорного наполнителя (силикат циркония), а также активных добавок (этанол-растворимая ). Краска применяется для покрытия форм и стержней при литье из черных и цветных металлов, в один-два слоя. Есть опыт применения в технологии литья по газифицируемым моделям. Метод нанесения - кистью, окунанием или распылением. При необходимости, возможно разведение на 5-10 % от объема (этанолом, изопропиловым спиртом или лаком нашего производства).Краска, готовая к применению - одно-компонентная, быстро высыхает (за 20-30 минут) без поджигания поверхности; имеет высокую седиментационную устойчивость(до 6 месяцев); - в отличие от импортных аналогов, не имеет запаха эфиров.

2. Противопригарная быстросохнущая краска АПС-2Краска (АПС-2) на основе оксида циркония, карбидных соединений и активных добавок (этанолрастворимая ).Краска применяется для покрытия форм и стержней при литье из черных и цветных металлов, в один-два слоя.Краска готова к применению, наносится в один-два слоя с промежуточной сушкой 15-20 мин. (толщина слоя должна быть не менее 0,3 мм.), имеет высокую седиментационную устойчивость(до 6 месяцев);- в отличие от импортных аналогов, не имеет запаха эфиров.3. Водорастворимая противопригарная краска на основе силиката циркония АПВД-1МАнтипригарная водно-дисперсионная краска (АПВД-1М) выдерживает кратковременные термоудары до 100°С.Может храниться при пониженных температурах (0°С - минус 50°С). Даже при полном замораживании до - 200°С и полном размораживании до температуры применения +18, - 220°С - краска не теряет технологических свойств.Краска АПВД-1М имеет: отличное смачивание поверхности окрашиваемого изделия, высокую адгезию к любой поверхности, отсутствие трещин, раковин и других дефектов на поверхности после сушки и т.д. АПВД-1М имеет среднюю газопроницаемость, для литья всех видов стали.Подготовка и использование такое же как известных аналогов водорастворимых антипригарных красок.Краска расфасовывается в вёдра пластиковые или металлические, 5-10 литров (тара невозвратная).\Однокомпонентная (силикат циркония импортного производства); имеет высокую седиментационную устойчивость (до 9 месяцев); высокую твёрдость и прочность окрашенной поверхности.4. Водорастворимая противопригарная краска АПВД-2МАнтипригарная водно-дисперсионная краска (АПВД-2М) содержит оксид циркония, карбидные соединения и восстанавливающие добавки.Краска применяется для покрытия форм и стержней при чугунном литье.Технологически - подготовка и использование такое же как известных аналогов водорастворимых антипригарных красок.Антипригарная водно-дисперсионная краска выдерживает кратковременные термоудары до минус 10°С.Антипригарная краска может транспортироваться и храниться при пониженных температурах (0° - минус 5°С).Даже при полном замораживании до минус 20°С и затем полном размораживании до температуры применения +18 - 22°С - краска не теряет своих технологических свойств.Процесс замораживания и размораживания краски может повторяться неоднократно без вреда для её основных свойств.

14

Пасти для натирання . Для одержання особливо чистих зовнішніх і внутрішніх порожнин у виливків застосовують протипригарних безводні пасти. Виготовляються пасти на основі органічних розчинників, наприклад оліфи, і вогнетривкого матеріалу - сріблистого графіту з невеликою кількістю глини. Паста наноситься на відповідальні частини напівформ або стрижнів вручну, рівним гладким шаром. Пасти для закладення швів . Шви при зборці стрижнів і при постановці їх у сухі форми необхідно закладати пастою, щоб уникнути отримання заток у виливків. Заделочние пасти в своєму складі містять вогнетривкі і сполучні матеріали. Шви після закладення пастою забарвлюються протипригарних фарбою і при потребі підсушують в спеціальних стаціонарних або переносних підсушують установках