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.
       В неуплотненном состоянии сферы образуют рыхлую систему, в
которой пористость составляет 70% (и более); в этом случае общая
плотность при плотности кварцевых зерен 2,6 г/см3, будет около 1 г/см3,
смежные сферы могут создавать многочисленные “арки” (рис. 2.3,а).
При элементарном уплотнении сферы образуют кубическую систе-
му. Ромбоэдр, построенный в плоскости, пересекающей центры со-
прикасающихся сфер, в этом случае является квадратом с углом 90о
(рис. 2.3,б). При гексагональной упаковке ромбоэдр имеет острые
углы 60о (рис. 2.3,в). Пористость уплотнений системы m зависит от
угла ромбоэдра θ следующим образом:
                                        π
                    m =1−                                .
                            6(1 − cos θ) 1 + 2 cos θ
    Расчеты показывают, что при кубической упаковке пористость со-
ставляет 0,476, а плотность смеси 1,3 г/см3; при гексагональной упа-
ковке, соответственно, 0,259 и 1,85 г/см3. Приведенные цифры соот-
ветствуют плотности реальных формовочных смесей.
    Реальная литейная форма, состоящая из зерен различной величи-
ны, имеет весьма сложную структуру. Однако благодаря упрощению
структуры литейной формы удается раскрыть законы, управляющие
процессами фильтрации газов и жидкостей через формовочные сме-
си, и дать протекающим при этом процессам количественную оцен-
ку.
    Течение жидкости по капиллярам подчиняется закону Пуазейля
                                πr 4 ⋅ t ( p1 − p2 )
                         Vк =                        ,            (2.1)
                                       8η ⋅ l
где Vк – объем жидкости, протекающей через один капилляр;
   r – радиус капилляра;
   t – время;
   p1, p2 – давление на входе и выходе капилляра, соответственно;
   l – длина капилляра;
   η – динамическая вязкость жидкости.
  Это уравнение справедливо для капельных жидкостей, которые
при постоянной температуре имеют практически неизменяемый объ-


                                   20


ем. Для газов постоянной величиной является произведение V⋅p. Для
того, чтобы уравнение (2.1) можно было применить к газам, его ле-
вую часть следует умножить на p-давление, при котором определяет-
ся объем проходящего газа. При этом правая часть уравнения должна
                                            p1 + p2
быть, соответственно, умножена на                   , т. е. на среднее давле-
                                               2
ние, которое испытывает газ в образце. Кроме того, допускают, что
капилляры расположены перпендикулярно поверхности образца и
параллельно друг другу. Тогда длина капилляра l будет равна тол-
щине образцов b. При этом формула (2.1) преобразуется
                            πr 4 ⋅ t ( p1 − p2 ) ( p1 + p2 )
                Vк ⋅ p =                        ⋅            ,
                                  8η ⋅ b              2
или
                           πr 4t ( p1 − p2 ) ( p1 + p2 )
                  Vк =                      ⋅            .              (2.2)
                                8η ⋅ b           2p
   Если исследуемый материал пронизан капиллярами в количе-
стве N штук на 1 см2 площади поверхности f, то для получения обще-
го расхода газа надо обе части уравнения (2.2) умножить на Nf:
                           πr 4 ⋅ t ⋅ N ⋅ f ( p1− p2 ) ( p1 + p2 )
              V к ⋅ Nf =                              ⋅            ,
                                      8η ⋅ b               2p
или
                      πr 4 N f ⋅ t ( p1 − p2 )( p1 + p2 )
               Vк =         ⋅     ⋅                       ,             (2.3)
                         8    η⋅b           2p
где                           V = Vк ⋅ N ⋅ f.
                      πr 4 ⋅ N
  В уравнении (2.3)            зависит от количества и размеров пор
                          8
поэтому представляет собой некоторую величину, характеризующую
данный материал, которая называется абсолютным коэффициентом
проницаемости
                      η⋅b       V           2p
                G =        ⋅           ⋅            .                   (2.4)
                      f ⋅ t ( p1 − p2 ) ( p1 + p2 )



                                      21


     При малых перепадах давлений формулу (2.4) можно упростить
                                    η⋅b V
                            G =          ⋅   ,                          (2.5)
                                    f ⋅ t ∆p
где                       ∆ p = p1 – p2.
   В системе СИ единицей G является квадратный метр.
   Формула для определения абсолютного коэффициента проницае-
мости выведена с условием фильтрации жидкостей как практически
несжимаемых сред. При фильтрации газа значения V в формуле (2.5)
следует заменить на средний объем газа Vср. Но так как
                                                            p1 + p2
                  Vср ⋅ pср = V2 ⋅ p2, а p–        р    =           ,
                                                               2
                                    2η ⋅ V–    р   ⋅b
то                        G =              2      2
                                                        .               (2.6)
                                f   ⋅ t ( p1   − p2 )
   Анализируя формулу (2.5), можно сделать следующие выводы.
   Чем больше площадь поперечного сечения образца, необходимая
для прохождения данного газа объемом V в данный промежуток вре-
мени t с данным перепадом давлений ∆p, тем меньше абсолютный
коэффициент проницаемости смеси. С уменьшением продолжитель-
ности прохождения газа объемом V через образец увеличивается аб-
солютный коэффициент проницаемости формовочной смеси. Увели-
чение высоты образца является одной из причин, препятствующих
прохождению газа. Чем меньше высота образца, которая требуется
для прохождения газа объемом V в данный промежуток времени t,
тем ниже абсолютный коэффициент проницаемости смеси (сопро-
тивление прохождению газов). Чем выше допустимая вязкость газа η,
обеспечивающая прохождение его объема V через образец в течение
времени t, тем больше абсолютный коэффициент проницаемости
смеси. Последний не зависит от размеров образца и определяется
только внутренней структурой материала. Так, например, при изме-
нении величины b в формуле (2.5) абсолютный коэффициент прони-
цаемости смеси G не меняется, а изменяются продолжительность
прохождения газа t и разность давлений ∆p.
   Реальная формовочная смесь отличается от фиктивной следую-
щими основными особенностями:


                                       22


   − частицы реальной смеси имеют различную крупность и отли-
чаются по форме от сфер;
   − частицы уплотненной смеси соприкасаются между собой не в
точках, а на площадках;
   − различные элементарные ячейки в пределах одного микроско-
пического объема формовочной смеси с той или иной степенью уп-
лотнения имеют различную укладку частиц.
   Абсолютный коэффициент проницаемости G обычно указывается
применительно к определенному газу или жидкости (воздух, газ,
вода). В этом случае из формулы (2.5) исключается вязкость, и такой
параметр получает наименование коэффициента проницаемости, со-
ответствующего тому газу или той жидкости, которые пропускаются
через образец. Например, коэффициент воздухопроницаемости
                                  V ⋅b
                           K =            .                   (2.7)
                                  f∆p ⋅ t
   Эта формула строго теоретически может быть применима лишь
при ламинарном течении жидкости или газа через образец. В литей-
ном производстве обычно пользуются термином “газопроницаемость
формовочных смесей”. Под газопроницаемостью формовочной смеси
подразумевается ее способность пропускать через имеющиеся поры
воздух, газы и пары воды. Если ∆p выразить в Н/м2, то единицей га-
зопроницаемости будет м4/Н⋅с.
   Если давление на выходе принять равным единице, то газопрони-
цаемость смеси
                                  V ⋅b
                          K =            .                    (2.8)
                                 f ⋅ p⋅t




                 3. Исходные материалы

                                 23


   Основной составляющей формовочных и стержневых смесей,
применяемых в литейном производстве, является кварцевый песок.
Кварцевый песок – природный минерал соединения кремния с ки-
слородом (SiO2).
   Пески образуются при разрушении горных пород, содержащих
кварц. По происхождению формовочные пески относятся к осадоч-
ным горным породам. Важнейшей их характеристикой является вре-
мя отложения и кратность переноса. Наиболее округлые и однород-
ные по величине зерна имеют те пески, которые в течение длитель-
ного времени подвергались многократным переносам и повторным
отложениям. Главным критерием при оценке качества формовочных
песков по химическому составу является содержание в нем кремне-
зема SiО2. Чем выше его содержание, тем выше качество песка. Наря-
ду с кремнеземом в формовочных песках почти всегда присутствуют
различные примеси, ухудшающие его свойства.

              3.1. Минералогический состав
                   формовочных песков
    Основной составляющей формовочного песка является кварц
(SiO2), имеющий плотность ρ = 2650 кг/м3, температуру плавления
tпл = 1713оС, твердость по шкале Маоса 7. Зерна кварца могут иметь
различную окраску, обусловленную различными примесями. При
нагреве кварц претерпевает ряд превращений. При 573оС α-кварц пе-
реходит в β-кварц. Объем изменяется ±2,4%; при 870оС β-кварц → β-
тридимид, изменение объема 15,1%, при 1470оС β-тридимид →
β-кристаболит, изменение объема 4,7%; при 1713оС β-кристаболит
→ расплав, изменение объема 0,1%.
    Полевые шпаты (MeO·Al2O3·6SiO2).
    Полевые шпаты имеют твердость (6–6,5); температура плавления
их 1170–1550оС, термическое расширение при 1000оС до 2,75%.
    Слюда. Мусковит (К2О·3Al2O3·6SiO2·H2O).
           Биотит    (К2О·6(Mg,Fe)О·Al2O3·6SiO2·2H2O).
    Температура плавления слюды 1150–1400оС, термическое расши-
рение при 1000оС – 1,55%. Слюда ухудшает огнеупорность песка.



                               24


   Оксиды железа содержат примеси:
   − гематит Fe2O3, плотность 5000–5300 кг/м3, температура плавле-
ния 1560оС, устойчив при окислении;
   − магнитный железняк FeO·Fe2O3; плотность 4900–5200 кг/м3,
температура плавления 1540оС;
   − ильменит FeO·TiO2, плотность 4720 кг/м3.
   Гидраты оксидов железа nFe2O3·mH2O.
   В зависимости от содержания воды различают несколько разно-
видностей гидратов оксида железа, которые неустойчивы и при на-
гревании теряют воду, снижая свойства песка, и способствуют обра-
зованию легкоплавких силикатных сплавов, вызывающих пригар на
отливках.
   Карбонаты: кальцит CaCO3, магнезит MgCO3, доломит
CaCO3·MgCO3, сидерит FeCO3 снижают огнеупорность формовочных
песков, а разложение их при нагревании до 500–900°С способствует
образованию различных дефектов в отливках.
   Глинистые минералы. В формовочных песках встречается не-
сколько глинистых минералов: каолинит, монтмориллонит, гидро-
слюды.
   Все примеси в формовочных песках снижают его огнеупорность,
физико-механические и технологические свойства, увеличивают
пригар на отливках.
   В связи с этим в последнее время все больше применяют обога-
щенные формовочные пески с минимальным содержанием примесей.

        3.2. Классификация формовочных песков
   В соответствии с ГОСТ 2138–91 все формовочные пески, в зави-
симости от массовой доли глинистой составляющей (частиц глини-
стых материалов и обломков зерен кварца и других минералов раз-
мером менее 0,02 мм), подразделяют на кварцевые (К), тощие (Т) и
жирные (Ж).
   Кварцевые и тощие формовочные пески подразделяют на группы
в зависимости от массовой доли глинистой составляющей, диоксида
кремния, коэффициента однородности и среднего размера зерен,


                               25


жирные – от предела прочности при сжатии во влажном состоянии и
среднего размера зерна.
   Кварцевые пески (табл. 3.1–3.4) содержат до 2,0% глинистой со-
ставляющей.
                          Таблица 3.1                               Таблица 3.2
     Массовая доля глинистой                    Массовая доля SiO2
 составляющей в кварцевых песках                в кварцевых песках
               Массовая доля                             Массовая доля
                 глинистой               Группа        диоксида кремния,
  Группа
               составляющей,                              %, не менее
                 %, не более
    1               0,2                    К1                99,0
    2               0,5                    К2                98,0
    3               1,0                    К3                97,0
    4               1,5                    К4                95,0
    5               2,0                    К5                93,0

                          Таблица 3.3                               Таблица 3.4
    Коэффициент однородности                    Средний размер зерен
       формовочных песков                       формовочных песков
           Коэффициент однород-                         Средний размер
  Группа                                 Группа
                ности, %                                   зерна, мм
    О1           Св. 80,0                 О1                До 0,14
    О2        От 70,0 до 80,0             О16           От 0,14 до 0,18
    О3        >> 60,0 >> 70,0             О2            >> 0,19 >> 0,23
    О4        >> 50,0 >> 60,0             О25           >> 0,24 >> 0,28
    О5           До 50,0                  О3               Св. 0,28




   Тощие пески (см. табл. 3.3–3.6) содержат от 2,0 до 12,0% глини-
стой составляющей.



                                    26


                           Таблица 3.5                                    Таблица 3.6
    Массовая доля глинистой                            Массовая доля SiO2
   составляющей тощих песков                             тощих песков
               Массовая доля                                  Массовая доля
                 глинистой                                  диоксида кремния,
  Группа                                      Группа
               составляющей,                                   %, не менее
                 %, не более
    1               4,0                         Т1                 96,0
    2               8,0                         Т2                 93,0
    3               12,0                        Т3                 90,0

                           Таблица 3.7Жирные пески (см. табл. 3.4
   Предел прочности при сжатии     и 3.7) содержат от 12,0 до 50,0%
      во влажном состоянии         глинистой составляющей. Обо-
               Предел прочности    значение марок кварцевых и то-
  Группа     при сжатии во влажном щих песков состоит из обозначе-
                состоянии, МПа
                                   ний групп по массовой доле гли-
    Ж1              Св. 0,08
                                   нистой составляющей, массовой
    Ж2           От 0,05 до 0,08   доле диоксида кремния, коэффи-
    Ж3              До 0,05        циенту однородности и среднему
                                   размеру зерна.
   Пример: 2К1О302 – кварцевый формовочный песок с массовой до-
лей глинистой составляющей от 0,2 до 0,5% (см. табл. 3.1), массовой
долей диоксида кремния не менее 99,0% (см. табл. 3.2), коэффициен-
том однородности от 60,0 до 70,0% и средним размером зерна от 0,19
до 0,23% (см. табл. 3.4).
   Обозначение марок жирных песков состоит из обозначений групп
по пределу прочности при сжатии во влажном состоянии и среднему
размеру зерна.
   Пример: Ж2О16 – жирный формовочный песок с пределом
прочности при сжатии во влажном состоянии от 0,05 до 0,08 МПа
(см. табл. 3.7) и средним размером зерна от 0,14 до 0,18 мм
(табл. 3.4).




                                         27


              3.3. Технологические требования
                    к формовочным пескам
   По массовой доле влаги, концентрации водородных ионов водной
вытяжки (pH), массовой доле вредных примесей и форме зерен квар-
цевые пески подразделяют на группы, указанные в табл. 3.8 – 3.10.
   Коэффициент угловатости определяет степень отклонения формы
зерен от сферической, выражается отношением теоретической удель-
ной поверхности к действительной. Теоретическую удельную по-
верхность песков (м2/кг) определяют по данным ситового анализа на
основе предположения, что все зерна имеют круглую форму.
   Действительная удельная поверхность является важной характе-
ристикой многих формовочных материалов, дающей возможность
определить коэффициент угловатости, а также иметь представление
о дисперсности материала, что в случае сухих связующих, например,
цемента, определяет их активность, расход воды и жидких связую-
щих для получения оптимальных свойств смесей.
                                                    Таблица 3.8
                  Массовая доля влаги кварцевых песков
                             Массовая доля влаги,
              Группа                                      pH
                                 %, не менее
              Сухие                  0,5
            Влажные                  4,0                  –
             Сырые                   6,0
             Кислые                                     До 6,2
           Нейтральные                –              От 6,2 до 7,0
            Щелочные                                    Св. 7
                                                                       Таблица 3.9
           Массовая доля вредных примесей кварцевых песков
     Группа                Массовая доля вредных примесей, %, не более
   Содержание               Оксиды щелочных             Оксиды железа (III)
    примесей           и щелочноземельных металлов           (Fe2O3)
                          (Na2О, К2О, СаО, MgO)
  Очень низкое                    0,40                          0,20
     Низкое                       0,80                          0,40
    Среднее                       1,20                          0,60
    Высокое                       1,60                          0,80
  Очень высокое                   2,00                          1,00



                                     28


                                                       Таблица 3.10
               Коэффициент угловатости формовочных песков
                                      Коэффициент угловатости,
                    Группа
                                           ед., не более
                   Округлая                     1,10
               Полуокруглая                     1,25
                   Угловатая                    1,40

   На практике наиболее распространен метод определения удельной
поверхности, основанный на соотношении между удельной поверх-
ностью, пористостью, объемным весом и воздухопроницаемостью
дисперсного материала. Более точный метод оценки удельной по-
верхности основан на определении объема газа, абсорбированного
дисперсным материалом при условии образования молекулярного
слоя.
   По теоретической удельной поверхности и газопроницаемости квар-
цевые и тощие пески подразделяют на группы, указанные в табл. 3.11.
                                                          Таблица 3.11
         Теоретическая удельная поверхность формовочных песков
      Группа               Теоретическая               Газопроницаемость,
                        удельная поверхность,           м2/Па⋅с, не менее
                           м2/кг, не менее
     Высокая                     15
     Средняя                     10                              –
      Низкая                     5
   Очень высокая                                              550
     Высокая                                                  350
     Средняя                     –                            200
      Низкая                                                  100
   Очень низкая                                                30


   По массовой доле потери массы при прокаливании формовочные
пески подразделяют на группы, указанные в табл. 3.12.




                                      29



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика