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.
    так называемый “пакет” (см. рис. 4.1,в). Ввиду того, что отдельные
пакеты каолиновой глины соприкасаются плоскостями различных
атомов (кислорода и гидроксилов), они образуют достаточно проч-
ную, так называемую водородную связь. При увлажнении каолино-
вой глины такие пакеты плохо расщепляются и слабо диспергируют.
Это объясняется тем, что межпакетное расстояние каолиновой глины
составляет около 2⋅10−10м, а радиус молекул воды – 1,45⋅10-10м,
вследствие чего проникновение в межпакетный зазор и расщепление
пакета затруднено.
   Кристаллическая решетка минерала монтмориллонита состоит
из трех слоев: двух кремнекислородных и одного гидроксильного
(рис. 4.1,г). Так как отдельные пакеты монтмориллонитовой глины
соприкасаются плоскостями с одноименными атомами, связь между
ними возникает непрочная (валентная). При увлажнении такой глины
молекула воды легко проникает в межпакетный зазор, увеличивая
его до 20⋅10−10м. Этим и объясняют высокую диспергирующую и
связующую способность монтмориллонитовых глин.




                      Рис. 4.2. Схема глинистой мицеллы:
     а – адсорбционный слой; б – диффузный слой; в – сольватная оболочка
     (двойной электрический слой); 1 – ядро (глинистая частичка); 2 – ионы;
                 3 – противоионы; 4 – подвижные противоионы
   При смешивании глин с водой в глинистых суспензиях образуется
коллоидный раствор. В таком растворе вокруг глинистого минерала



                                      50


имеются ионы адсорбированного и диффузионного слоев мицелл
(коллоидных частиц) (рис. 4.2), которые могут замещаться ионами
другого элемента, имеющего тот же знак заряда. К обменным ионам
в глинах относятся ионы К+, Na+, Mg2+, Ca2+. При обмене одних ио-
нов на другие свойства глин изменяются. При замене ионов Са2+ ио-
нами Na+ (при обработке глин содой) связующие свойства глин по-
вышаются.
   Способность глин к ионному обмену измеряется в миллиэквива-
лентах на 100 г глины.

                   4.4. Классификация глин
   В соответствии с ГОСТ 3226–93 и ГОСТ 28177–89 формовочные
глины делятся в зависимости от минералогического состава на као-
линитовые, каолинитогидрослюдистые и бентонитовые (табл. 4.1).
                                                              Таблица 4.1
               Минералогический состав формовочных глин
   Наименование вида глины        Основной породообразующий минерал
Каолиновая и каолинитогидро-   Каолинит и каолинит с гидрослюдой
слюдистая                      Al2O3⋅2SiO2⋅ 2H2О
Бентонитовая                   Монтмориллонит
                               Al2O3⋅4SiO2⋅ H2O⋅ nH2O


   Каолинитовые и каолинитогидрослюдистые глины делятся на
марки в зависимости от предела прочности во влажном состоянии
(табл. 4.2).
   Бентонитовые глины делятся на три группы по пределу прочности
при разрыве в зоне конденсации, а каолинитовые и каолинитогидро-
слюдистые – по пределу прочности при сжатии в сухом состоянии
(табл. 4.3).




                                                              Таблица 4.2
  Предел прочности при сжатии во влажном состоянии формовочных глин


                                 51


                           Предел прочности при сжатии во влажном состоянии,
                                         Па (кгс/см2), не менее
       Марки
                              бентонитовой                      каолиновой,
                                                          каолинитогидрослюдистой
     П (прочная)              8,826⋅104 (0,9)                  4,903⋅104 (0,5)
  С (среднепрочная)           6,865⋅104 (0,7)                  3,432⋅104 (0,35)
                                       4
   М (малопрочная)            4,903⋅10 (0,5)                   1,961⋅104 (0,2)

                                                                            Таблица 4.3
      Предел прочности при разрыве в зоне конденсации бентонитовой
            и при сжатии в сухом состоянии каолинитовой глин
                       Предел прочности                              Предел прочности
                      при разрыве в зоне                             при сжатии в су-
                      конденсации влаги,                              хом состоянии,
                         Па,(кгс/см2),                                 Па,( кгс/см2),
     Группа                не менее                 Группа               не менее
                                                                      каолинитовой и
                        бентонитовой                                 каолинитогидро-
                                                                        слюдистой
        1                                             1
                      0,275⋅104 (0,028)                               34,323⋅104 (3,5)
(высокосвязующая)                           (высокосвязующая)
        2                                             2
   (связующая)        0,196⋅104 (0,020)         (среднесвязую-        24,516⋅104 (2,5)
                                                     щая)
        3                                             3
  (среднесвязую-      0,147⋅104 (0,015)         (малосвязующая)       14,710⋅104 (1,5)
       щая)


   По химико-минералогическим показателям глины должны соот-
ветствовать требованиям, указанным в табл. 4.4.




                                                                            Таблица 4.4



                                           52


          Химико-минералогические показатели формовочных глин
                                Каолинитовые и
                                                                      Бентонитовые
                            каолинитогидрослюдные
        Признак                                                     (ГОСТ 28177–89)
                                (ГОСТ 3226–93)
     классификации
                                      Норма                             Норма
                           высокая средняя        низкая     высокая средняя      низкая
 Массовая доля
                               –        –           –          70,0    50,0–70,0 30,0–50,0
 монтмориллонита, %
 Массовая доля Al2O3, %    Cв. 33,0 28,0–33,0 23,0–28,0         –          –          –
 Потеря массы              14,0–18,0 10,0–14,0     Не                             Менее
                                                          8,0–12,0 4,0–8,0
 при прокаливании, %                             более 10                          4,0
 Массовая доля железа                               Не
                            3,0–4,5   1,5–3,0                   –          –          –
 в пересчете на Fe2O3, %                         более 1,5
 Коллоидальность, %        Св.20,0 14,0–20,0 8,0–14,0 Св.80,0 40,0–80,0 10,0–40,0
 Концентрация
 обменных катионов,        Св.25,0 15,0–25,0 7,0–15,0 Св.80,0 50,0–80,0 30,0–50,0
 мг⋅экв./100 г сухой глины
 Массовая доля
                               –        –           –        Св.70,0 50,0–70,0 30,0–50,0
 монтмориллонита, %
 Массовая доля карбоната                                                          Менее
                               –        –           –        5,0–10,0 2,0–5,0
 в пересчете на СаСО3, %                                                           2,0
 Массовая доля                                                                    Менее
                               –        –           –        0,2–0,3      –
 сульфидной серы, %                                                                0,2
 Водопоглощение,
                               –        –           –        Св. 6,6    5,1–6,5   1,5–5,0
 единиц

   Примечание. При суммарном преобладании в обменном комплексе ионов на-
трия и калия природные бентонитовые глины классифицируют как натриевые (Н),
при суммарном преобладании ионов кальция и магния – как кальциевые (К).

   Гранулометрический состав глин характеризует их степень
дисперсности и наличие в них крупнозернистых включений. О сте-
пени дисперсности судят по содержанию глинистой составляю-
щей (т. е. частиц размером меньше 0,02 мм), которая определяется
путем отмучивания по ГОСТ 3594.12–93. Массовая доля глинистой
составляющей для комовых каолинитовых и каолинитогидрослюди-
стых глин должна быть не менее 65%, для бентонитовых глин –
не менее 75%. Оставшаяся после отмучивания часть глины относится



                                        53


к песчаной фракции, чаще всего состоящей из зерен кварцевого пес-
ка.
    К бентонитам относятся глины с размером частиц менее 0,001 мм
из минерала монтмориллонита.
    По гранулометрическому составу и массовой доле влаги
порошкообразные глины должны соответствовать требованиям
ГОСТ 28177–89 и ГОСТ 3226–93, указанным в табл. 4.5.
                                                    Таблица 4.5
                 Гранулометрический состав формовочных глин
             Наименование показателя              Норма
        Остаток, %, не более, на ситах
        с размером ячеек, мм:
        – 0,4,                                     3,0
        – 0,16                                     10,0
        Массовая доля влаги, %                   6,0–10,0

   По термической устойчивости бентонитовые формовочные глины
делятся на три марки: Т1 – высокоустойчивые (0,6 единицы); Т2 –
среднеустойчивые (0,3 единицы) и Т3 – низкоустойчивые (не норми-
руются).
   Настоящие стандарты распространяются на комовые и огнеупор-
ные глины.
   Комовые огнеупорные глины – природные огнеупорные глины,
поставляемые карьерной влажностью.
   Порошкообразные огнеупорные формовочные глины – продукт пе-
реработки огнеупорных глин методом сушки и тонкого измельчения.
   Примеры обозначения марок формовочных глин: бентонитовых
П2Т3 – глина формовочная бентонитовая прочная по пределу проч-
ности при сжатии, связующая по пределу прочности при разрыве и
низкоустойчивая по термической устойчивости. Условное обозначе-
ние глины включает в себя обозначение ГОСТа, а также буквенный
индекс: А – для порошкообразных активированных глин; Н – для на-
триевых природных глин; К – для кальциевых природных глин, на-
пример, П2Т3А ГОСТ 28177–89.



                                         54


   Обозначение марок каолинитовых и каолинитогидрослюдистых
глин: П3 ГОСТ 3226–93 – глина формовочная огнеупорная прочная
по пределу прочности при сжатии во влажном состоянии и малосвя-
зующая по пределу прочности при сжатии в сухом состоянии.

            4.5. Свойства формовочных глин
   Влажность. Вода, содержащаяся в глинах, разделяется на входя-
щую в состав минералов (химически связанная) и не входящую в них
(адсорбированная и капиллярная). Влажность формовочных глин оп-
ределяется по ГОСТ 3594.11–93.
   Навеску глины массой 20 г сушат в сушильном шкафу при темпе-
ратуре 105–110°С до постоянной массы, затем охлаждают в эксика-
торе и взвешивают. Массовую долю влаги х в процентах вычисляют
по формуле
                             m − m1
                        Х=          ⋅ 100,
                               m
где m и m1 – масса навески глины до высушивания и после высуши-
вания, г.
   Зерновой состав глин характеризует их степень дисперсности и
наличие в них крупнодисперсных включений. Дисперсность глин
оказывает существенное влияние на их прочностные свойства. Гра-
нулометрический состав глин определяют по ГОСТ 3594.12–93.
   О степени дисперсности судят по содержанию глинистой состав-
ляющей, т. е. частиц размером менее 0,02 мм. Для большинства глин
содержание глинистой составляющей находится в пределах 75–99%.
   Связующая способность – важнейшее свойство, характеризующее
качество глин. С ее повышением уменьшается количество глины,
вводимой в состав формовочной смеси, повышаются газопроницае-
мость и огнеупорность смеси и в большинстве случаев снижается
влажность, что уменьшает прилипаемость смеси и улучшает ее фор-
муемость. Однако при изготовлении форм по-сырому глина должна
обладать умеренной прочностью в сухом состоянии, так как в про-
тивном случае затрудняется выбивка и подготовка отработанной
смеси.



                               55


   Связующая способность определяется по пределу прочности об-
разцов во влажном и высушенном состоянии. Сушка образцов про-
водится при t = 150–180°С в течение 1,5 ч.
   Прочность во влажном состоянии наиболее существенно зависит
от минералогического состава глин, дисперсности глинистых частиц,
емкости и состава обменного комплекса.
   В сырых формовочных смесях находятся свободные молекулы
воды. Чем больше слоев этих молекул, тем меньше связь между со-
ставляющими компонентами и тем меньше прочность смеси во
влажном состоянии. В связи с этим при приготовлении смесей для
сырых форм важным является оптимальное соотношение между гли-
ной и водой, которое различно для глин различной минералогиче-
ской природы и гранулометрического состава. Это соотношение для
каждой новой партии глин определяется опытным путем. Предел
прочности при сжатии во влажном состоянии определяется на стан-
дартных образцах высоты 50 и диаметром 50 мм по ГОСТ 3594.7–93.
   Прочность при сжатии в сухом состоянии является основной ха-
рактеристикой песчано-глинистых смесей, применяемых для изго-
товления сухих форм. Для получения максимальной прочности сме-
сей в сухом состоянии требуется большее содержание воды чем в
сыром. Это обусловлено необходимостью более равномерного рас-
пределения глинистой оболочки по поверхности зерен наполнителя.
В процессе сушки удаляется сначала капиллярная вода, а, затем ад-
сорбированная. При сушке форм происходит усадка смеси, которая
может приводить к образованию макро- и микротрещин и снижению
прочности смеси в высушенном состоянии. В связи с этим для полу-
чения максимальной прочности сухих форм необходимо правильно
устанавливать режимы сушки для каждой смеси с учетом габаритов
опок и стержней.
   Предел прочности при сжатии в сухом состоянии определяется
на стандартных образцах высотой 50 и диаметром 50 мм по
ГОСТ 3594.6–93.
   Для оценки связующей способности бентонитовых глин опреде-
ляют предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги по
ГОСТ 28177–89.



                               56


   Метод основан на определении сопротивления образца разрыву
при одностороннем поверхностном нагревании.
   Коллоидальность характеризует глины с точки зрения образова-
ния устойчивой водно-глинистой суспензии, влияет на распределе-
ние глинистой составляющей в формовочной смеси и тем самым на
прочность и пластичность формовочных смесей. Коллоидальность в
процентах определяется по ГОСТ 3594.10–93 отношением объема
осадка к общему объему водно-глинистой суспензии (%) после от-
стаивания ее в течение 24 ч.
   Для испытания в пробирку высотой около 150 мм насыпают 0,5 г
воздушно-сухой и размолотой глины и доливают 15 мл дистиллиро-
ванной воды. После этого содержимое тщательно взбалтывают и до-
бавляют 0,1 г MgO, снова взбалтывают в течение 1 мин и оставляют
в покое на 24 ч, после чего замеряют объем образовавшегося осадка.
   Состав обменных катионов определяется по ГОСТ 3594.2–93,
ГОСТ 3594.3–93 специальными методами химического анализа и
выражается в мг⋅экв. на 100 г глины. К числу обменных катионов
относятся К+, Na+, Mg++, Ca++.
   Чем выше сумма обменных катионов в глине, тем выше ее качест-
во. При обмене одних катионов на другие меняются свойства глины.
Например, при обработке кальциевого бентонита содой происходит
замещение катионов Ca++ катионами Na+ и бентонит из кальциевого
становится натриевым.
   Водопоглощение бентонитов характеризует способность глины
поглощать влагу, зависит от строения кристаллической решетки гли-
ны и количества примесей. По водопоглощению можно ориентиро-
вочно определить вид глины. Водопоглощение оказывает некоторое
влияние на изменение размеров отпечатка форм, изготавливаемых
по-сухому, и на характеристики водно-глинистых суспензий.
   Коэффициент водопоглощения определяется по ГОСТ 28177–89.
   Метод основан на определении показателя влагоемкости глины,
соответствующего переходу системы “глина–вода” из пастообразно-
го состояния в состояние суспензии.
   Навеску глины массой 5 г помещают в стакан, добавляют 5 см3
дистиллированной воды и тщательно перемешивают глинистую


                               57


массу с помощью стеклянной палочки до однородного состояния.
Добавляют дистиллированную воду до тех пор, пока мениск не
приобретет подвижное состояние. Воду добавляют порциями от 0,5
до 2,5 см3. Порции уменьшают по мере добавления воды.
   Коэффициент водопоглощения воды (k) вычисляют по формуле
                                   m1
                             k =      ,
                                   m
где m1 – масса дистиллированной воды, требуемой для перехода сис-
темы “глина – вода” в состояние суспензии, г;
    m – масса навески глины, г.
    Концентрация водородных ионов (рН) влияет на прочностные
свойства формовочных материалов. Наблюдается, что с повыше-
нием рН прочность формовочной смеси в горячем состоянии возрас-
тает. Простейший анализ по определению рН позволяет очень быст-
ро узнать, из какого места разработки получена данная партия глины,
рН определяется на приборе по ГОСТ 3594.5–77. Навеску глины мас-
сой в 8–10 г помещают в стаканчик и приливают 80–100 мл дистил-
лированной воды. После взбалтывания в течение 10 мин в стаканчик
с раствором опускают электроды прибора и определяют рН по шка-
ле.
    Термическая устойчивость бентонитовых глин основана на опре-
делении прочности при сжатии во влажном состоянии после нагрева
глины и выдержки ее в течение 1 ч при температуре 550°С. После
охлаждения глины в эксикаторе готовят смеси из исходной и прока-
ленной глины. Затем определяют предел прочности при сжатии для
исходной и прокаленной глины.
    Термическую устойчивость определяют по формуле
                                   σ1
                             Т=       ,
                                   σ2




                                58


где σ1 – предел прочности при сжатии во влажном состоянии по ре-
зультатам испытания прокаленной глины, Па (кгс/см2); σ2 – предел
прочности при сжатии во влажном состоянии по результатам испы-
тания исходной глины, Па (кгс/см2).
   Термическая устойчивость глин определяется по ГОСТ 28177–89.

            4.6. Применение формовочных глин
   Формовочные глины выбирают для приготовления смеси в зави-
симости от способа формовки, вида заливаемого сплава, образования
на отливках наименьшего пригара. Чем выше температура заливки,
толщина стенки и масса отливки, тем более огнеупорную и высоко-
прочную глину необходимо применять. Так, для формовки по сухо-
му стальных и чугунных отливок применяют глины 1-й и 2-й групп
по прочности в сухом состоянии, групп Т1–Т3; при формовке по-
сырому – групп Т1 и Т2, а для толстостенных отливок (>70 мм) – гли-
ну группы Т1.
   В массовом производстве при формовке по-сырому бентонитовые
глины используют чаще, чем другие виды глин. При этом наилучших
результатов достигают при применении бентонитовых глин, активи-
рованных содой. При чугунном литье желательно использовать каль-
циевые монтмориллонитовые глины, а при стальном – натриевые.
   Рекомендации по применению глин представлены в табл. 4.6.
                                                                  Таблица 4.6
                     Применение формовочных глин
 Материал   Характеристика отливки         Метод     Рекомендуемая марка
 заливки       по преобладающей           формовки          глины
              толщине стенки, мм
  Чугун             10–15                  Сырая       (П, С, М) (1–3)Т1
  То же            Более 50                То же      (П, С) (1–3) (Т1–Т3)
  Сталь             8–20                    –>>–      (П, С, М) (1–3) Т1
  То же             20–70                   –>>–      (П, С) (1–3) (Т1–Т3)
   –>>–            Более 70                 –>>–          П (1–3) Т1
  Сталь               8                    Сухая       (П, С, М) (1–3)Т1
  Чугун




                                     59



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика