Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Формовочные материалы: Учебное пособие

Голосов: 2

Приведены сведения об исходных материалах для формовочных, стержневых смесей, связующих и вспомогательных материалах. Даны составы и свойства смесей и противопригарных красок. Описаны методы испытания материалов и смесей, технология их приготовления и регенерации. Учебное пособие подготовлено на кафедре "Машины и технология литейного производства" Пензенского государственного университета в соответствии с учебным планом дисциплины "Технология литейного производства" (раздел "Формовочные материалы") специальности 120300 "Машины и технология литейного производства" и предназначено для студентов вышеназванной специальности.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
        Рис. 1.4. Схема методов оценки прочности смесей во влажном состоянии:
        а – при сжатии; б – при срезе; в – при изгибе; г – при растяжении

   Прочность смеси в упрочненном состоянии (имеется в виду проч-
ность, которую приобретает образец смеси после тепловой сушки
или химического отверждения) зависит от типа и количества свя-
зующих материалов, содержащихся в смеси, а также от зернового
состава формовочного песка, степени уплотнения смеси, режимов ее
упрочнения и целого ряда других факторов, влияние которых будет
рассмотрено ниже. На рис. 1.5 приведена схема методов оценки
прочности смеси в упрочненном состоянии. Наиболее часто данное
свойство смеси оценивается при разрыве образца (см. рис. 1.5,а)
и сжатии (см. рис. 1.5,б), реже при срезе (см. рис. 1.5,в) и изгибе
(см. рис. 1.5, г).




   Рис. 1.5. Схема методов оценки прочности смесей в упрочненном состоянии:
         а – при растяжении; б – при сжатии; в – при срезе; г – при изгибе

    Прочность смесей в прокаленном состоянии характеризуется в
основном способностью стержня, изготовленного из данной смеси,
удаляться из полости отливки при ее извлечении из формы и очистке
и зависит главным образом от природы связующего материала смеси
и его количества, от интенсивности теплового воздействия сплава
отливки на стержень и других факторов.



                                       10


              1.4. Технологические свойства
   Уплотняемость – это способность смеси уменьшать свой перво-
начальный объем под воздействием внешних сил. Уплотняемость
песчано-глинистых смесей зависит от содержания воды и глины и от
их соотношения. Оценку уплотняемости производят по разнице объ-
емов навески смеси до и после уплотнения, отнесенной к первона-
чальному ее объему, и выражают в процентах. Уплотняемость опре-
деляют по ГОСТ 23409.13–78.
   Текучесть – это способность смеси под воздействием внешних
сил заполнять труднодоступные полости в модельной оснастке, обес-
печивая равномерное уплотнение формы или стержня. Значение те-
кучести тесно связано с величиной прочности смеси во влажном со-
стоянии, при этом чем меньше эта величина, тем выше текучесть
смеси во влажном состоянии. Для оценки текучести песчано-глинис-
тых смесей используют методику (ГОСТ 23409.17–78), основанную
на замере твердости торцевых поверхностей уплотненного цилинд-
рического образца (рис. 1.6) в точках а и б.




       Рис. 1.6. Схема ступенчатой пробы для оценки текучести смеси:
                  1 – основание гильзы; 2 – образец смеси;
             3 – гильза; 4 – прессующий плунжер; 5 – вкладыш




                                    11


  Величину текучести смеси выражают в процентах и подсчитыва-
ют по формуле
                                Нн
                          Т =      100,
                                Нв
где Нн и Нв – твердость нижнего и верхнего торца образца, условные
единицы.
   Прилипаемость – это способность смеси во влажном состоянии
прилипать к поверхности модельной оснастки или транспортных
средств (ленточных конвейеров). Повышенная прилипаемость смесей
увеличивает шероховатость поверхности формы или стержня, а так-
же вызывает необходимость частой чистки поверхности модельной
оснастки и транспортных средств. Оценку прилипаемости смеси
производят на специальном приборе (рис. 1.7) по величине усилия
отрыва, отнесенного к контактной поверхности образца и коническо-
го цилиндра.




         Рис. 1.7. Схема прибора для оценки прилипаемости смесей:
           1 – воронка для дроби; 2 – приемная чаша; 3 – пуансон;
                   4 – конусная гильза; 5 – образец смеси




                                    12


   Расчет прилипаемости смеси производят по формуле
                               Пр = P/S,
где P – усилие отрыва образца, Н; S – контактная поверхность образ-
ца, м2.
   Гигроскопичность характеризует способность формы или стержня
впитывать влагу из окружающей среды. Оценка гигроскопичности
основана на определении массы влаги, поглощенной сухой смесью.
(ГОСТ 23409.10–78). Стандартный образец смеси диаметром и высо-
той 50 мм сушат и взвешивают, помещают в эксикатор на фильтро-
вальную бумагу, помещенную на влажный песок, и выдерживают в
течение 2 ч, после чего снова взвешивают.
   Испытание проводят на трех образцах. Гигроскопичность (Х) в
процентах вычисляют по формуле
                              M1 − M 2
                        X =            100,
                                M1
где М1, М2 – масса образца до и после сушки.
   Значение гигроскопичности связано с природой и количеством
связующего материала смеси. Например, водорастворимые связую-
щие материалы (лигносульфонаты, декстрин, патока и др.) придают
смеси высокую гигроскопичность. Смеси с водонерастворимыми
связующими материалами имеют низкую гигроскопичность.
   Живучесть – это продолжительность сохранения смесью своих
физико-механических свойств. Значение ее зависит от природы свя-
зующего материала смеси, а также от интенсивности уменьшения в
ней влаги. Например, смеси с высокомодульным жидким стеклом
обладают малой живучестью. Для ее повышения в состав смесей
вводят добавку водного раствора едкой щелочи, которая снижает мо-
дуль жидкого стекла. За показатель живучести холоднотвердеющих
(упрочняющихся без теплового воздействия) смесей обычно приме-
няют продолжительность промежутка времени (в минутах), по про-
шествии которого значение ее прочности снижается на 30% от мак-
симального.
   Осыпаемость характеризуется способностью поверхности формы
или стержня не разрушаться при транспортировании, сборке и залив-


                                 13


ке формы. Значение осыпаемости связано с количеством и природой
связующего материала, а также с режимом сушки форм и стержней.
Для уменьшения осыпаемости песчано-глинистых форм в состав
смеси обычно вводят добавки лигносульфонатов. В соответствии с
ГОСТ 23409.9–78 оценку осыпаемости смеси производят по величи-
не потери массы стандартным образцом, помещенным во вращаю-
щийся сетчатый барабан, при этом величину осыпаемости выражают
в процентах и рассчитывают по формуле
                             М 0 − М1
                        О=            100,
                                М0
где М0 и М1 – масса образца до и после испытания, г.
   Податливость – это способность формы или стержня деформи-
роваться под воздействием усадки отливок. Степень податливости
смеси зависит от природы огнеупорной основы, от количества и при-
роды связующего материала, а также от степени уплотнения смеси.
Например, сильно уплотненные смеси с большим количеством глины
малоподатливы. Для улучшения податливости в состав вводят дре-
весные опилки и другие добавки.
   Огнеупорность характеризует способность смеси не оплавляться
под действием высоких температур. При недостаточной огнеупорно-
сти смеси происходит оплавление и спекание отдельных ее компонен-
тов с образованием крупных пор, приводящих к формированию повы-
шенного пригара на отливках. Значение огнеупорности смеси зависит
от минералогического, гранулометрического и химического состава
формовочного песка и глины. В соответствии с ГОСТ 4069–69 для
оценки огнеупорности из смеси изготавливают образцы в виде трех-
гранных пирамидок. Величину огнеупорности смеси определяют по
температуре, при которой вершина образца в процессе размягчения и
оплавления смеси коснется уровня его основания.
   Пригораемость – это способность поверхностного слоя формы
или стержня противостоять прочному сцеплению с металлом отлив-
ки. Степень пригораемости смеси зависит от многих факторов, в том
числе от пористости смеси, химической инертности ее огнеупорной
основы. Уменьшения пригораемости смеси достигают введением в
ее состав противопригарных и высокоогнеупорных материалов (ка-


                                14


менный уголь, мазут, маршалит и др.), применением специальных
защитных покрытий, наносимых на поверхность форм и стержней.
   Выбиваемость характеризуется способностью стержней удалять-
ся из внутренних полостей при выбивке и очистке отливок. Значение
выбиваемости зависит главным образом от природы и количества
связующего материала в смеси, от интенсивности температурного и
силового воздействия металла отливок на стержень. Смеси с неорга-
ническими связующими материалами, например, с жидким стеклом,
имеют затрудненную выбиваемость вследствие их прочного спека-
ния в период затвердевания отливки в форме. Хорошую выбивае-
мость имеют смеси с органическими, легковыгорающими и некок-
сующимися связующими материалами. Оценку выбиваемости смеси
производят по величине работы, затрачиваемой на пробивку специ-
альным бойком стержня, залитого сплавом. Работу выбивки опреде-
ляют по формуле
                             А = n · G · h,
где n – число ударов, необходимое для пробивки стержня;
   G – масса падающего груза, кг;
   h – высота падения груза, м.
   Долговечность характеризует способность смеси, после соответ-
ствующей подготовки, повторно использоваться для изготовления
форм без введения добавок свежих формовочных материалов. Дол-
говечность смеси зависит от интенсивности температурного воздей-
ствия жидкого сплава, от природы огнеупорной основы и связующе-
го материала смеси. Наибольшей долговечностью обладают песчано-
глинистые смеси. Оценку долговечности смеси производят по числу
циклов ее использования, обеспечивающему сохранение смесью фи-
зико-химических свойств и получение качественных отливок.

              1.5. Теплофизические свойства
   К теплофизическим свойствам относятся теплоемкость, теплопро-
водность, температуропроводимость и теплоаккумулирующая спо-
собность. Эти характеристики определяют тепловой режим охлажде-
ния отливки в форме. Значения их зависят главным образом от при-
роды огнеупорной основы смесей, а также и от состояния формы


                               15


(влажная, сухая). Наиболее высокими теплофизическими свойствами
обладают цирконовые, дистен-силлиманитовые, хромитовые формо-
вочные пески. Теплофизические характеристики кварцевых песков
значительно ниже.
   Различные теплофизические свойства смесей позволяют регули-
ровать процессы затвердевания отдельных частей отливок. Значение
теплоемкости и теплопроводности смесей определяется в специаль-
ных теплофизических лабораториях, а температуропроводность и
теплоаккумулирующая способность – расчетным путем.
   Теплопроводность вещества λ определяется как количество тепло-
ты Q, которое подводится за время τ через поверхность площадью F,
расположенную перпендикулярно к тепловому потоку, отнесенное к
температурному градиенту ∆t/d (∆t – разность температур; d – тол-
щина образца):
                                   Q
                            λ=            .
                                 Fτ∆t / d
   Теплопроводность большинства формовочных смесей с повыше-
нием температуры увеличивается, а у смесей с магнезитом и корун-
дом, в качестве наполнителя, уменьшается. Получение заданной теп-
лопроводности в песчаных формах затруднительно, так как она зави-
сит не только от теплопроводности наполнителя, но и от влажности
воздуха и газов, находящихся в межзерновых порах.
   В сухом песке предположительно теплопередача происходит от
зерна к зерну за счет прямых контактов, частично – излучением. Те-
плопроводность при повышении температуры на 1000оС (с 95 до
1095оС) изменяется почти на 100% – с 2,63⋅10-6 до 4,75⋅10-6 Вт/(м⋅К).
   Процесс распространения теплоты во влажном песке, однако, бо-
лее сложен, чем в сухом. Теплопередача происходит как за счет теп-
лопроводности зерен наполнителя, так и воды (водяного пара), ад-
сорбированной зернами песка и находящейся в порах между песчин-
ками.
   При нагреве влажной формовочной смеси залитым металлом в
глубь формы проникает водяной пар (в результате изменения давле-
ния), нагретый в порах воздух, а также продукты сгорания органиче-
ских составляющих. В холодных слоях формы, удаленных от отлив-


                                  16


ки, происходит конденсация влаги. В результате переноса теплоты
водяным паром и улучшения условий теплопередачи между контак-
тирующими зернами песка из-за накопления влаги в местах их кон-
такта общая теплопроводность смеси с повышением влажности так-
же повышается.
   На теплопроводность песчано-глинистых форм влияют степень
уплотнения формовочной смеси и содержание связующего. Напри-
мер, теплопроводность повышается при увеличении степени уплот-
нения и количества бентонина в смеси.
   Удельная теплоемкость формовочной смеси зависит не только от
ее вида, но и от температуры. С повышением температуры она также
увеличивается. Значительное влияние на удельную теплоемкость
формовочной смеси оказывает содержание в ней влаги. Для более
полного представления о теплофизических свойствах форм опреде-
ляют температуропроводность а (в м2⋅с-1), характеризующую, на-
сколько интенсивно в форме выравниваются температурные перепа-
ды:
                            а = λ/(с · ρ),
где с – удельная теплоемкость смеси, Дж/(кг⋅К);
   ρ – плотность смеси, кг/м3.
   Температуропроводность в интервале температур 500–1000оС
кварцевого песка составляет 0,00145 м2⋅с-1, шамота – 0,00178 м2⋅с-1.
   При расчете теплопередачи от отливки к форме применяется так-
же величина, называемая коэффициентом тепловой аккумуляции
                           b = λc ⋅ ρ .
   Чем выше теплоаккумуляторная способность формы, тем быстрее
охлаждается отливка и меньше опасность образования пригара на
поверхности отливки.




                                 17


             2. Структура формовочных,
             стержневых смесей и красок
   Структура – это в общем случае взаимное расположение и харак-
тер связей между элементами, образующими целостную систему.
   Литейная форма – пористая среда с широкой сетью разветвленных
поровых каналов. Любая формовочная смесь, образующая литейную
форму, состоит из двух основных составляющих: зерновой и свя-
зующей, а также из атмосферы, заполняющей поры смеси. Зерновая
составляющая – это в большинстве случаев кварцевый песок, а в ка-
честве связующей наиболее часто применяют огнеупорную глину
или бентонит, а также смеси различных органических и неорганиче-
ских клеящих веществ. Кроме того, в смеси для улучшения их
свойств вводят специальные добавки.
   Кварцевый песок, применяемый в литейном производстве, состо-
ит из зерен неправильной формы и различных размеров, поэтому
структура уплотненной формовочной смеси аналогична структуре
естественных грунтов, также состоящих из частиц разнообразной
формы и различных размеров. Следовательно, закономерности, по-
лученные при исследовании грунтов, могут быть использованы при
изучении структуры и свойств уплотненной формовочной смеси. Из-
вестно понятие об идеальной и фиктивной моделях грунта.
   За идеальную модель смеси принимается такая структура, где все
поры цилиндрические и их оси параллельны между собой (рис. 2.1).




             Рис. 2.1. Структура идеальной формовочной смеси




                                   18


   Такая модель далека от реальной формы, но дает возможность в
первом приближении оценить структуру уплотненной формовочной
смеси. К ней можно применить закон Пуазейля для течения жидко-
сти в капиллярах.
   Фиктивная модель смеси представляет собой набор шарообраз-
ных частиц равного диаметра (рис. 2.2).




              Рис. 2.2. Структура фиктивной формовочной смеси

   Эта модель ближе к реальной литейной форме. Для уяснения
структуры смеси можно заменить ее моделью, состоящей из жестких
сфер одинакового размера, скрепленных между собой точечными
контактами через пленку связующей добавки. Расстояние между
центрами любой пары соприкасающихся сфер равно их удвоенному
радиусу.




           Рис. 2.3. Микроструктура идеальной формовочной смеси
                      при различных степенях уплотнения:
    а – рыхлая смесь; б – кубическая упаковка; в – гексагональная упаковка




                                     19



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика