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.
                                                                              Окончание табл. 3.16
                                                                   Температурный




                                         аккумулирующая
                                                            коэффициент расширения (К−1)




                                           Дж/(м2·с1/2·К)
                        плавления, °С



                                           способность,
                        Температура
                                                               в интервале 300–1000°С




                                              Тепло-
                                                                                             ρ,
      Материал
                                                                                           кг/м3
                                                              объемного     линейного


 Хромомагнезит          2000–
                                              2100             0,8–0,9           –         3900
 MgO·Cr2O3              2100
                        1600–                                                              3760–
 Хромит FeO·Cr2O3                             2380               0,7             –
                        1800                                                               4280
 Магнезит MgCO3         2000–
                                                –                 –          13,5·10–6     2900
                        2800
 Оливиниты, дуниты      1830–                                                              3200–
                                                –                 –              –
 (Mg,Fe)2SiO4           1750                                                               3500
 Шамот (40% Al2O3,      1580–
                                                –                 –        (4,5÷6,0)⋅10–6 3000
 остальное SiO2)        1750
 Муллит 3Al2O3 ⋅ 2SO2    1810                   –                 –              –         3030

   Поскольку эти материалы по сравнению с кварцем имеют более
высокую теплопроводность, длительность контакта жидкого металла
с формой при их применении снижается.

                                        3.4.1. Хромит
   Хромит, или хромистый железняк – природный материал, содер-
жащий хромшпинелиды. Химическая формула основного минерала в
хромите FeO·Cr2O3, в котором содержится 68% Cr2O3 и 32% FeО.
Однако из-за наличия примесей содержание Cr2O3 в хромите намного
меньше. Минимальное содержание Cr2O3 в хромите 36%.
   К особенно вредной примеси в хромите относится CаСO3, кото-
рый при нагревании разлагается с выделением CO2, что может вызы-
вать образование газовых дефектов. Поэтому содержание СаО в хро-
мите допускается не более 1,5%, содержание SiO2 – не более 7%, по-
стоянно присутствующих примесей (п.п.п.) – не более 2%. Соотно-
шение Cr2O3:FeО в природном материале находится в пределах
2,7–5,0 (в зависимости от месторождения).



                                                 40


   Для уменьшения газовыделения (п. п. п.), особенно СО2, рекомен-
дуется перед приготовлением формовочных смесей хромит прокали-
вать при температуре 900–1000°С.
   Температура плавления хромита (при содержании Cr2O3 до 40%)
не превышает 1800°С, плотность – 3760–4280 кг/м3. Хромит имеет
более низкий температурный коэффициент объемного расширения,
чем кварц. Хромит применяется для приготовления облицовочных
смесей (или паст), при производстве крупных стальных и чугунных
отливок. Полагают, что при применении хромита отливки с чистой
поверхностью получаются в результате его спекания с последующим
закрытием пор при нагреве поверхности формы заливаемым и зали-
тым металлом.
                          3.4.2. Магнезит
   Магнезит – горная порода, содержащая минерал МgСО3. Чис-
тый МgСО3 имеет цвет от коричневого до светло-серого, плотность
2900 кг/м3. В горных породах наряду с минералом МgСО3 содержат-
ся соединения кальция, кремния и железа.
   При переработке магнезитовой породы путем обжига из нее уда-
ляется CO2, а магнезит превращается в оксид магния MgO кристал-
лизующийся как минерал периклаз. Оксид магния имеет свойства, по-
добные извести, т. е. поглощает влагу из воздуха и гидратируется. По-
этому его обжигают до спекания при температуре свыше 1400°С с до-
бавками оксидов железа. В результате получают металлургический
магнезит, имеющий шоколадно-коричневый цвет и содержащий более
85% MgO – основного жаростойкого компонента. Если обжиг про-
исходит при температуре 800–950°С, образуется обезуглероженный
каустический магнезит, обладающий вяжущими свойствами.
   Чистый MgО имеет огнеупорность 2800°С, а магнезитовые изде-
лия – более 2000°C.
   Зернистый материал для формовочных смесей получают дробле-
нием отходов и боя магнезитовых изделий.
   Магнезит рекомендуется применять для приготовления облицо-
вочных смесей или противопригарных красок, при получении отли-
вок из высокомарганцовистых и других высоколегированных сталей.



                                 41


                      3.4.3. Хромомагнезит
   Хромомагнезит представляет собой продукт обжига при темпера-
туре 1500–1600°С смеси, состоящей из 50–70% хромитовой руды
и 30–50% металлургического магнезита. Хромомагнезит содержит
40–58% MgО и 16–27% Cr2O3. Огнеупорность его – не менее 2000°С,
плотность – 3900 кг/м3. В отличие от магнезита хромомагнезит хо-
рошо противостоит резким изменениям температуры.
   В литейном производстве обычно применяются отходы и бой
хромомагнезитового кирпича. Хромомагнезит используется для при-
готовления облицовочных смесей, паст и красок, при получении
крупного стального литья из легированных сталей. Для приготовле-
ния облицовочных смесей используют размолотый хромомагнезит,
имеющий остатки на ситах 1–016–50...60%, а на ситах 01–005 –
40...50%; для паст – остаток на ситах 04–016 – 30...40 %, а на ситах
01–005 и в тазике – 60...70%; для красок – остаток на сите 005–90%,
остальное – остатки на ситах 01–0063.

                          3.4.4. Циркон
   Циркон – природный минерал, химическая формула ZrO2⋅SiO2. В
природных цирконовых песках кроме циркона содержатся и другие
минералы: кварц, рутил, дистен, ильменит, оксиды железа.
   С целью увеличения содержания циркона цирконовые пески обо-
гащают до получения так называемого цирконового (обезжелезенно-
го) концентрата, в котором содержится не менее 65% ZrО2 и не более
0,5% ТiО2, 0,1% Fe2О3, 0,1% Al2О3, 0,15% P2О5.
   Циркон имеет высокую огнеупорность – не ниже 1600°С (при
допустимом содержании примесей), малый температурный коэф-
фициент объемного расширения (0,003), высокие плотность (4600–
4700 кг/м3) и теплопроводность. Он применяется в основном для
приготовления противопригарных красок для стального литья, ино-
гда для изготовления форм при литье по выплавляемым моделям и в
оболочковые формы.




                                42


                           3.4.5. Оливин
   Оливин представляет собой изоморфную смесь форстерита и фая-
лита. Химическая формула его MgО·FeО·SiО2 (MgО – 23%, FeO – 42 и
SiO2 – 35%). Температура плавления форстерита MgО·SiО2 – 1900°С,
фаялита – 2FeO·SiO2 – 1200°С. Температура плавления оливина
зависит от соотношения содержания оксидов магния, железа и со-
держания кварца. Поэтому оливин необходимо применять с мини-
мальным содержанием оксидов железа и не смешивать с кварцевым
песком. Нежелательной примесью в оливине является серпентин
3MgO·2SiО2·2Н2О.
   Горные породы, содержащие свыше 80% оливина, называют оли-
винитами, а породы, содержащие 60–80% оливина, – дунитами. Оли-
вин применяют для облицовочных формовочных смесей при изго-
товлении крупных стальных и чугунных отливок, что позволяет по-
лучать их с более чистой поверхностью, чем при использовании
кварцевого песка. Кроме того, использование оливина, в отличие от
кварца, не вызывает заболевания рабочих силикозом.

                    3.4.6. Дистен-силлиманит
   Дистен-силлиманит содержит дистен и силлиманит, являющиеся
модификациями одного и того же вещества (формула Аl2O3·SiO2),
но имеющие различную кристаллическую структуру. Структура дис-
тена не претерпевает изменений при нагреве до 1300°С, а силлимани-
та – до 1545°С. Плотность дистен-силлиманита 3200–3500 кг/м3.
   Химический состав дистен-силлиманитового концентрата следую-
щий, %: не менее 57 Аl2O3, не менее 39 SiO2, не более 1,0 TiO2, не бо-
лее 0,8 Fe2О3, не более 0,2 СаО, не более 0,2 Na2О + К2О, 0,4 MgО и
1– 2 ZrО2.
   Дистен-силлиманит применяется в противопригарных красках для
стального литья.
                           3.4.7. Шамот
   Шамот получают путем обжига огнеупорной глины до спекания.
Химический состав шамота различный и зависит от соотношения
SiO2 и Аl2О3. Чем больше в шамоте содержание Аl2О3, тем выше его


                                 43


огнеупорность. Шамоты бывают кислые (SiО2:А2О3 > 4), нормальные
(SiО2:А12О3 = 2...4), глиноземистые (SiО2:Аl2O3 < 2).
   Чистый Аl2O3 (корунд) имеет температуру плавления (2047±8)°С, а
шамот (в зависимости от класса) – 1580–1750°С.
   Химический состав шамота, %: 30–45 А12О3; 54–70 SiO2; 4–7
ТiO2, Fе2О3, СаО, MgО, K2O, Na2O.
   Основным преимуществом шамота по сравнению с кварцевым
песком является малое тепловое расширение, поэтому на отливах не
образуется таких дефектов, как ужимины. Шамот дороже кварцевых
песков. Он иногда применяется для изготовления форм многократ-
ного использования несложной конфигурации и при формовке по
сухому для изготовления средних и крупных стальных и чугунных
отливок.
   В литейных цехах из других алюмосодержащих материалов при-
меняются муллит и корунд.
   Корунд Аl2О3 – минерал синего цвета (сапфир) плотностью 4000 кг/м3.
В технике применяется синтетический корунд, получаемый плавле-
нием боксита или чистых глин, богатых оксидом алюминия. Для ус-
корения обжига применяют добавки 1–2 % TiO2, который образует с
корундом твердый раствор и ускоряет рост кристаллов корунда.
Синтетический корунд содержит до 95% Аl2О3 и характеризуется
наилучшими свойствами: огнеупорностью, термостойкостью при
резких изменениях температуры, химической стойкостью и отсутст-
вием объемных изменений. Чистый Аl2О3 применяется для изготов-
ления форм при литье по выплавляемым моделям и в качестве напол-
нителя противопригарных красок для стального литья.
   Муллит 3Аl2О3 · 2SiО2 – высокоогнеупорный материал, получае-
мый путем сплавления каолина с корундом, применяется для изго-
товления форм при литье по выплавляемым моделям. В ряде случаев
применяют и другие высокоогнеупорные наполнители формовочных
смесей и противопригарных красок – рутил ТiО2, графит, шунгит.




                                 44


            3.5. Рекомендации по применению
               свежих формовочных песков
   С учетом содержания вредных примесей, понижающих ог-
неупорность и противопригарную способность смесей, реко-
мендуется применять пески следующих групп: для крупного сталь-
ного литья – 1К1–2, для среднего и мелкого стального, а также для
крупного и среднего чугунного литья – 2К1–3, для среднего и мелкого
чугунного литья, а также для всего цветного литья – 3К1–4, для мел-
кого несложного чугунного и всего цветного литья – 4К1–5.
   Тощие и жирные пески применяют для изготовления песчано-
глинистых формовочных смесей для мелкого литья из чугуна и цвет-
ных сплавов. Для стального литья жирные пески не рекомендуются,
так как в них содержится большое количество вредных примесей.
   С учетом зерновой структуры грубые пески группы 063 в литей-
ном производстве не применяются, так как они образуют шерохова-
тую поверхность отливок. Очень крупный и крупный песок групп 04
и 0315 используется при получении чугунных и стальных отливок
массой свыше 1000 кг. Средний песок группы 02 рекомендуется для
мелкого и среднего литья из чугуна и стали. Мелкий и очень мелкий
пески групп 016 и 01 применяются при изготовлении тонкостенных
чугунных и стальных отливок, а также отливок из цветных сплавов.
Тощий песок группы 0063 применяется при производстве индиви-
дуальных поршневых колец и других тонкостенных отливок.
   Обогащенные пески с низким содержанием глинистой состав-
ляющей (до 1,0%) рекомендуется использовать для изготовления
форм и стержней по холодной и горячей оснасткам, из самотвер-
деющих смесей и прессованием под высоким давлением. Наиболее
эффективными методами улучшения качества песков являются: гид-
равлическая обработка песка при высокотемпературной сушке, гид-
равлическая обработка с оттиркой и термическая обработка. Терми-
ческая обработка песка при высокотемпературной сушке (700–
850оС) в специальных установках с “кипящим слоем” при вихревом
потоке горячего газа позволяет снизить способность кварцевого пес-
ка к расширению и растрескиванию.



                                45


   Кварцевый песок остается основным формовочным материалом
во всех странах, несмотря на наличие месторождений оливинового,
хромитового и других материалов. Использование высококачествен-
ных классифицированных        кварцевых песков имеет технико-
экономические преимущества.
   В отдельных случаях при индивидуальном и мелкосерийном про-
изводстве отливок целесообразна замена кварцевых песков некварце-
выми. Так, например, смеси на основе хромитовых песков при литье
стали дают возможность устранить механический пригар и улучшить
качество поверхности отливок. Загрязнение хромитового песка квар-
цевым недопустимо из-за образования при высокой температуре
жидкой фазы, которая ухудшает противопригарные свойства смеси.
Формы для крупных отливок необходимо окрашивать. Эффективная
регенерация хромитовой смеси достигается в специальной камере с
последующей сушкой, воздушной и магнитной сепарацией.
   Применение хромита в совокупности с бентонитом для чугунного
литья обеспечивает получение чистой поверхности отливок без до-
бавки в смесь каменноугольной пыли.




                4. Формовочные глины

                               46


                 4.1. Происхождение глин
   Литейными формовочными глинами называются горные породы,
состоящие в основном из тонкодисперсных частиц, водных алюмо-
силикатов, обладающих связующей способностью и термохимиче-
ской устойчивостью, достаточной для того, чтобы в определенных
условиях образовывать прочные и не пригорающие к отливке фор-
мовочные смеси.
   По своему происхождению глины подразделяются на первичные и
вторичные.
   Первичные – остаточные глины разложения – образовались в ре-
зультате разложения кристаллических горных пород или выпадения
из водных растворов, содержащих глинозем и кремнезем, и остались
на месте образования.
   Вторичные глины образовались путем выпадения из водных рас-
творов и перенесения с места своего образования в районы залега-
ния.
   Состав глин, образовавшихся в результате разрушения горных
пород, зависит от пород и степени кислотности или щелочности, ха-
рактеризуемой концентрацией водородных ионов (рН). В кислой
среде (рН<7) образуются каолинитовые, в щелочной (рН>7) –
монтмориллонитовые глины.
   Формовочные глины являются минеральным связующим в фор-
мовочных смесях.

    4.2. Минералогический состав формовочных глин
   Минералогический состав глин определяют с помощью рентгено-
графического и электронно-микроскопического методов анализа.
   Глины состоят из одного или нескольких минералов, содержащих
Al2O3, зерен кварца и небольшой примеси некоторых других минера-
лов, не содержащих глинозема. По содержанию основных глинистых
минералов формовочные глины делятся на каолинитовые, каолини-
тогидрослюдистые и бентонитовые.
   К первой группе относятся глины, содержащие в основном мине-
рал каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O, его плотность 2,580–2,600 кг/м3,


                               47


температура плавления 1750–1787°С. При нагреве каолинит претер-
певает превращения: при 100–140°С удаляется гигроскопическая во-
да, при 400–700°С теряется конституционная (химически связанная)
вода и наблюдается эндотермический эффект. Каолинит переходит в
метакаолинит (Al2O3·2SiO2), и глина теряет связующую способность.
При 900–1050°С метакаолинит распадается на смесь аморфных Al2O3
и SiO2. При 1200–1280°С из свободного глинозема и кремнезема об-
разуется минерал 3Al2O3⋅2SiO2 (муллит), что сопровождается также
эндотермическим эффектом.
   Каолинитовые глины находят широкое применение в литейном
производстве и особенно для отливок стальных и чугунных деталей.
   Каолинитогидрослюдные глины представляют собой промежу-
точные продукты разложения от слюд к каолиниту. По своему хими-
ческому составу и физическому состоянию эти минералы непостоян-
ны.
   Химический состав слюд К2О⋅3Al2O3⋅6SiO2⋅2H2O с температурой
плавления 1150–1400°С.
   В зависимости от содержания Н2О некоторые слюды относятся
к гидрослюдам и очень часто составляют значительный процент
(до 30%) каолинитовых глин.
   Основой бентонитовых глин является минерал монтмориллонит
Al2O3⋅4SiO2⋅H2O⋅nH2O. В нем возможна замена некоторой части Al3+
на Mg2+, а Si4+ – на Al3+.
   Особенностью монтмориллонита является способность расши-
ряться в направлении одной из кристаллографических осей. Эти
свойства позволяют проникать ионам Н+ и ОН– внутрь кристалличе-
ской решетки, что ведет к увеличению набухания глины. Температу-
ра плавления монтмориллонита – 1250–1300°С. Он способен отда-
вать или поглощать влагу из воздуха.
   При нагревании до 100–150°С из него удаляется гигроскопиче-
ская, а также межслойная вода (Н2О); при 600°С он теряет способ-
ность набухать в воде. При температуре 735–900°С происходит раз-
рушение кристаллической решетки монтмориллонита и превращение
его в аморфное вещество.


                               48


   В глинах обычно присутствует кварц (SiO2), от нескольких долей
до 50%; являясь инертным материалом, он снижает связующую спо-
собность, пластичность, усадку и увеличивает газопроницаемость.
   Кроме того, в глинах присутствуют гидраты оксидов железа, кар-
бонаты в виде кальцита, магнезита, доломита, сидерита, гипса, кото-
рые являются вредными примесями.

                         4.3. Структура глин
   Структура глинистых минералов имеет сложное слоистое строе-
ние. Глинистые минералы состоят из октаэдрических образований в
виде пластинок толщиной 5⋅10−10м. Элементом октаэдрического об-
разования является октаэдр, состоящий из атомов кислорода и гид-
роксилов. Внутри октаэдра расположен атом алюминия или магния
(рис. 4.1,а). Элементом тетраэдрического образования является тет-
раэдр, состоящий из атомов кислорода. Внутри тетраэдра располо-
жены атомы кремния (см. рис. 4.1,б).




         Рис. 4.1. Схема кристаллических решеток глинистых минералов:
  а – октаэдр; б – тетраэдр; в – решетка каолинита; г – решетка монтмориллонита
   Кристаллическая решетка минерала каолинита состоит из двух
слоев: алюмогидроксильного и кремнекислородного, образующих


                                       49



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика