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.
               5. Связующие материалы
     для формовочных и стержневых смесей
   Во многих случаях, особенно при изготовлении стержневых сме-
сей, формовочная глина не обеспечивает получение надлежащей
прочности стержней, поэтому в смеси вводят связующие добавки,
обладающие более высоким значением удельной прочности. Такие
добавки называют связующими материалами или крепителями. Су-
ществует большое количество связующих материалов, которые в
большинстве случаев являются побочными продуктами или отхода-
ми при различных видах производства.

       5.1. Основные требования, предъявляемые
               к связующим материалам
   Специальные связующие материалы (добавки) вводят в формо-
вочные и стержневые смеси в количествах, обеспечивающих необхо-
димые качества форм и стержней. К любому связующему материалу
в зависимости от условий его применения предъявляются соответст-
вующие требования. Связующие вещества должны обладать сле-
дующими свойствами:
   − равномерно распределяться по поверхности формовочных ма-
териалов в течение определенного времени, что обеспечивает посто-
янство свойств смеси;
   − предотвращать прилипаемость смеси к модели или стержнево-
му ящику, так как прилипаемость затрудняет изготовление форм и
стержней и снижает производительность труда;
   − придавать смеси текучесть, необходимую для выполнения всех
контуров детали, что особенно важно, если эти контуры имеют
сложную конфигурацию;
   − обеспечивать достаточную поверхностную и общую прочность
как в сыром, так и в сухом состоянии;
   − обеспечивать быстрое высыхание форм и стержня при сушке и
не обладать гигроскопичностью при хранении и сборке форм;


                               60


   − не выделять много газов при сушке и заливке, так как излиш-
няя газотворная способность смеси способствует образованию газо-
вых раковин в отливках;
   − обеспечивать податливость формы или стержня, которая необ-
ходима ввиду усадки металла при остывании;
   − не снижать огнеупорность формовочных и стержневых смесей
и не увеличивать их пригораемость, что особенно важно при отливке
стальных деталей;
   − обеспечивать легкое удаление стержней из отливок;
   − связующий материал должен быть дешев, недефицитен и без-
вреден для окружающих.

             5.2. Физико-химические свойства
                   связующих материалов
   Связующие материалы предназначены для соединения песчинок
смеси между собой. На песчинки связующие наносятся в жидком ви-
де и затем затвердевают при сушке, соединяя песчинки. В литейном
производстве в качестве связующего применяют вещества жидкие
при комнатной температуре, переходящие в жидкое состояние при
растворении их в соответствующих растворителях (таких, как вода,
ацетон и т. д.), расплавляющиеся и приобретающие свойства жидко-
сти при нагреве (бакелит, формальдегид и т. д.). Таким образом, про-
цесс связывания частиц формовочной смеси можно рассматривать
как скрепление твердых тел жидким веществом при определенных
условиях.
   Прочность связывания зависит от сил когезии и сил адгезии.
   Адгезия (прилипание) – слипание разнородных твердых или жид-
ких тел (фаз) в результате межмолекулярного взаимодействия при
соприкосновении их поверхностями. Адгезию широко используют в
технике для склеивания, сварки, и пайки. В некоторых случаях адге-
зия вредна (например, прилипание стержня или формы к оснастке).
Для устранения адгезии применяют разделительные покрытия.
   Адгезия измеряется работой, затрачиваемой на разъединение час-
тиц разнородных фаз на границе раздела.



                                61


   Когезия (от латинского “связанный”) – сцепление, притяжение
между частицами одного и того же твердого тела или жидкости,
приводящее к объединению этих частиц в единое тело. Причиной
когезии является межмолекулярное взаимодействие. Работа, затрачи-
ваемая на преодоление сил сцепления между частицами внутри фазы,
называется работой когезии.
   Работа адгезии Аадг. определяется из соотношения (рис. 5.1)
                            Аадг. = σ12 + σ13 – σ23,             (5.1)
где σ12 и σ13 – поверхностное натяжение на границе “фаза–газ”; σ23 –
поверхностное натяжение между фазами (твердой и жидкой).
   Приведенным уравнением удобно пользоваться в случае, если кон-
денсированные фазы являются жидкостями. Если одна из конденсиро-
ванных фаз является твердым телом, то формула (5.1) теряет практиче-
ское применение, так как поверхностное натяжение твердых тел в на-
стоящее время не может быть непосредственно измерено.




              Рис. 5.1. Схема адгезии двух разнородных тел (а)
                     и когезии двух однородных тел (б):
                    1 – газ; 2 – жидкость; 3 – твердое тело;
             σij – поверхностное натяжение на границе двух фаз

   Однако если конденсированная фаза является жидкостью, то фор-
мулу можно изменить и привести к виду, удобному для практическо-
го применения.
   Поместим каплю жидкости на твердую подложку. Капля примет
определенную форму, которая будет отличаться от шарообразной
(рис. 5.2).



                                    62


      Рис. 5.2. Зависимость формы капли жидкости от угла смачивания θ:
                      а – θ = 90°; б – θ < 90°; в – θ > 90°

   Условие равновесия спокойно лежащей капли при отсутствии
внешних полей
                     σ 13 – σ 23 = σ12 cos θ.
  После подстановки этого условия в формулу (5.1) получаем
                           Аадг = σ12 (1 + cos θ),                       (5.2)
где θ – краевой угол смачивания твердого тела жидкостью. Величина
cos θ называется смачиваемостью и находится экспериментально.
Знак cos θ определяется знаком разности σ13 – σ23. Если разность
положительна, то 0° ≤ θ ≤ 90° и 1 > cos θ > 0. Это соответствует
условию смачивания поверхности твердого тела жидкостью.
Если разность отрицательна, то смачиваемости не наблюдается и
90° ≤ θ ≤ 180°.
   Величина адгезии зависит от строения молекул. Высокая адгези-
онная способность двух фаз будет тогда, когда в состав молекул вхо-
дят родственные группы – полярные и неполярные. Высокую адге-
зию к воде имеют группы углеводородов СООН и ОН и низкую –
группы с цепочкой СН2. По этой причине не рекомендуется приме-
нять одновременно растворимые и не растворимые в воде связую-
щие. Вода, обладающая большой адгезионной способностью к квар-
цу, вытесняет масла с поверхности песчинки, и они располагаются на
поверхности воды в виде тонкой пленки или в виде мелких капель.
Это понижает прочность смеси.
   При затвердевании жидкой пленки происходит сокращение объе-
ма под действием развивающихся в пленках усадочных напряжений.


                                      63


Свободно высыхающие верхние слои, уменьшаясь, тянут за собой
нижние слои, связанные с подкладкой. При этом пленка может раз-
рываться в виде мелких трещин. Усадка нарушает связи пленки с
подкладкой. Если пленка хрупкая, а связь между пленкой и подклад-
кой превышает прочность хрупкой пленки, то последняя растрески-
вается и затем осыпается. Хрупкие пленки образуют органические
высыхающие связующие, а смеси на их основе имеют низкую по-
верхностную прочность и высокую осыпаемость.
    При высыхании пленки молекулы органических веществ распола-
гаются длинными цепями параллельно подкладке. Наиболее прочные
пленки образуются, если в них возникают пространственные трех-
мерные сетки.
    Связующие, которые вызывают образование прочной пленки, де-
лятся на три группы:
    1) затвердевающие после расплавления (канифоль, битум и т. д.);
    2) твердеющие при испарении растворителя, например, глина,
патока;
    3) твердеющие в результате полимеризации полимера (льняное
масло, олифа, смолы).
    Связующие третьей группы обеспечивают наибольшую проч-
ность. Они дают эластичную и прочную пленку, которая не трескает-
ся, не окисляется и не отслаивается от песчинок. К этой группе отно-
сятся все масла и смолы. Они являются жидкостями, и поэтому
стержневые смеси на их основе обладают низкой прочностью во
влажном состоянии.
    Связующие второй группы дают прочность ниже, но отличаются
повышенной вязкостью: в качестве растворителя главным образом
используется вода. В сочетании с глиной они обеспечивают получе-
ние стержневых смесей заданной прочности во влажном состоянии.
     Связующие первой группы (канифоль, битум) самостоятельно не
используются, а входят в состав сложных связующих.




                                64


          5.3. Классификация связующих материалов
    Классификация связующих материалов (табл. 5.1) разработана
 профессором А. М. Ляссом (ЦНИИТМАШ).
                                                                                               Таблица 5.1
                     Классификация связующих материалов
Группа    Удельная          Класс А            Класс Б            Класс В
матери- прочность σуд
 алов                 Харак- Наимено- Харак- Наимено- Харак- Наимено-
        кг/см2 МПа      тер    вание свя-  тер    вание свя-  тер    вание свя-
         1%     1% затвер- зующих затвер- зующих затвер- зующих
                      девания материалов девания материалов девания материалов
   I     >5     >5                       А-1                          Б-1                            В-1
                                        Льняное                     МФ-17,                        Жидкое

                       Необратимый




                                                    Необратимый
                                      масло, оли-                   М, МСБ,                       стекло
                                          фа,                        СМ-1,                           В-2
                                      П,ПТ,ПТА,                      НАК
                                       СПТ,КО,




                                                                                 Необратимый
                                      пульверба-
                                      келит ПС-1,
                                        4ГУ (в)
  II     3-5   3-5                       А-2                          Б-2
                        Промежуточ-




                                                     Промежуточ-
                                       4ГУ (п),                    СП, СБ, КТ,
                           ный




                                                        ный
                                      ГТФ, ЗИЛ,                     КВ, КВС
                                       СЛК, БК,
                                         ДП
  III    <3     <3                       А-3                        Декстрин,                        В-3
                                      Древесный                    пектиновый                     Цемент,
                                      пек, БТК,                       клей                         гипс,
                       Обратимый




                                                    Обратимый




                                      канифоль                        Б-3                        глины фор-
                                                                     Патока,     Обратимый        мовочные
                                                                   сульфитно-
                                                                    спиртовая
                                                                      барда


    В основе классификации связующих материалов, используемых в
 литейном производстве, лежат два основных признака:
    а) природа материала (органический, неорганический, водные и
 неводные);


                                               65


   б) характер затвердевания (необратимый, промежуточный, обра-
тимый).
   Органические материалы не выдерживают высоких температур
заливаемого металла и разлагаются, что приводит к облегчению вы-
бивки. Неорганические связующие, напротив, хорошо выдерживают
воздействие высоких температур. Они используются для приготов-
ления облицовочных формовочных смесей, а в стержневые смеси
добавляются для увеличения сырой прочности.
    По отношению к воде связующие делятся на водные и невод-
ные. К неводным относятся такие материалы, которые не растворя-
ются в воде и не смачиваются ею, к водным – растворимые в воде.
    Органические неводные связующие – это растительные масла и
масла на основе переработки продуктов нефти. Они обеспечивают
наиболее высокую прочность стержней после сушки.
   Водные и неводные связующие не смешиваются между собой. Их
смешивание почти всегда понижает прочность смесей как во влаж-
ном, так и в сухом состоянии.
   Необратимо затвердевающие связующие претерпевают сложные
химические изменения при нагреве, вызывающие образование проч-
ной пленки. После охлаждения они не восстанавливают свои перво-
начальные свойства. В основе их затвердевания лежат процессы по-
лимеризации вещества.
   Обратимо затвердевающие материалы восстанавливают свои пер-
воначальные свойства после охлаждения (битумы, пеки, канифоль)
или при действии растворителя (декстрин, пектиновый клей, барда
сульфидного щелока).
    К группе с промежуточным характером затвердевания относятся
связующие, в состав которых входят вещества с обратимым и необ-
ратимым характером затвердевания.
   Необратимо затвердевающие связующие обеспечивают наиболь-
шую прочность сухих стержней >0,5 МПа/1% (> 5 кг/см2/1%), связую-
щие с промежуточным характером затвердевания дают прочность 0,3–
0,5 МПа/1% (3–5 кг/см2/1%), обратимо затвердевающие связующие
дают наименьшую прочность до 0,3 МПа/1% (3 кг/см2/1%) .



                               66


   В соответствии с этим связующие разделяются на три группы по
удельной прочности на разрыв в сухом состоянии.
   Удельной прочностью связующего называется прочность, полу-
ченная при испытании сухого стандартного образца из смеси с опти-
мальным содержанием связующих, отнесенная к процентному со-
держанию связующего в смеси.
   К классам А и Б относятся органические связующие: А – невод-
ные, Б – водные. К классу В относятся неорганические водные свя-
зующие. Связующие класса А проявляют свои связующие свойства,
не требуя добавки воды, и не растворяются в ней. Такими материа-
лами являются масла, битумы, канифоль и др.
   В класс Б входят материалы, способные растворяться в воде, а по-
сле ее испарения связывать зерна песка. Такими материалами явля-
ются лигносульфонаты технические (ЛСТ), декстрин, патока и др.
Класс В содержит жидкое стекло, фосфаты, алюминаты, глину, це-
мент, гипс и другие неорганические материалы.

                           5.4. Масла
   Масла относятся к органическим неводным связующим клас-
са А-1. Первыми органическими связующими, применяемыми для
приготовления стержневых смесей, были растительные масла. Их
получают из семян льна, конопли, хлопчатника и др. В их состав
входят жирные кислоты или сложные эфиры кислот глицерина-
глицеридов.
   Упрочнение смесей с растительными маслами происходит при те-
пловой сушке в результате полимеризации содержащихся в них жир-
ных кислот. Способность масла к высыханию (затвердеванию) опре-
деляют по йодному числу – количеству йода (в г), которое поглоща-
ется 100 г масла. Если йодное число больше 150, такое масло называ-
ется высыхающим (льняное, конопляное и др.), если йодное число
равно 150–100 – полувысыхающим (подсолнечное, хлопковое, куку-
рузное и др.), а если йодное число < 100 – слабовысыхащим (оливко-
вое, касторовое и др.).
   В литейном производстве применяют в основном льняное и коно-
пляное масла (ГОСТ 5791–81). Оптимальная добавка масла в стерж-


                                67


невую смесь – 1,5%, температура сушки – 200–250°С. Стержни с до-
бавкой растительного масла имеют высокую прочность 0,7–1,0 МПа
(7–10 кг/см2), хорошую податливость, легкую выбиваемость, негиг-
роскопичны. Однако в сыром состоянии стержни с добавкой расти-
тельного масла имеют низкую прочность 3–6 кПа (0,03–0,06 кг/см2).
Для увеличения прочности смесей в сыром состоянии в нее вводят
глину (до 3%). Однако из-за большой удельной поверхности глина
поглощает масло и увеличивает его расход. Поэтому для стержневых
смесей с добавкой растительного масла применяют только кварцевые
пески с содержанием глины до 2%. Поскольку растительные масла
являются в большинстве пищевыми продуктами, в настоящее время
они практически не применяются. Заменителями растительных масел
являются     натуральная    олифа,    олифа    оксоль,    связую-
щее 4ГУ и др. (табл. 5.2).
                                                                       Таблица 5.2
                    Характеристика масляных связующих
                                                                  Прочность при
                     Содержание мас-
     Масло                                  Плотность ρ, кг/м3   растяжении, МПа,
                      ла в смеси, %
                                                                 (кг/см2), не менее
Растительное
Льняное                    1,5                     932               0,9 (9,0)
Олифа натуральная          1,5                   930–938             0,8 (8,0)
Олифа оксоль               2,0                     930               0,5 (5,0)
4ГУ (в)                    2,0                     920               0,65 (6,5)
4ГУ (п)                    2,0                     940               0,45 (4,5)
ОХМ                        3,0                   960–970             0,22 (2,2)
Нефтяное
П                          2,0                   820–880             0,8 (8,0)
ПТ                         2,0                   860–900              0,1 (1,0)
ПТА                        2,0                   820–850             1,2 (12,0)
КО                         2,0                   840–870              0,8 (8,0)
УСК                        2,0                   850–920              0,8 (8,0)
Сланцевое
ГТФ                       1,95                 1010–1030             0,56 (5,6)
ПС                        3–4                     920                1,8 (18,0)




                                       68


   Натуральная олифа представляет собой льняное или конопляное
масло, обработанное при 250°С без доступа воздуха в присутствии
сиккативов. Сиккативы (соли жирных, смоляных и нафтеновых ки-
слот) – вещества, хорошо растворимые в растительных маслах и
служащие катализаторами для быстрого их высыхания.
   Олифа оксоль представляет собой продукт окисления раститель-
ных масел (55%) с последующим введением сиккативов и растворе-
нием в уайт-спирите (45%). Уайт-спирит – фракция перегонки нефти
(особо чистый керосин, возгоняющийся при 140–200оС, имеющий
плотность 770 кг/м3).
   Связующие 4ГУ (п) и 4ГУ (в) – это раствор сплава (50%) полувы-
сыхающих и высыхающих масел (соответственно, индекс “п” или
“в”) с канифолью (3%) или нефтеполимерной смолой в уайт-спирите
(47%). Указанные связующие вводятся обычно в смесь в количестве
1,5–2%.
   Связующее ОХМ – это обработанное хлопковое масло плотно-
стью 960–970 кг/м3.
   В 50–60-е годы был разработан ряд связующих на основе продук-
тов переработки нефти, сланцев и других веществ, которые почти
полностью заменили масла.
   П – раствор окисленного петролатума (побочный продукт при из-
готовлении смазочных масел из нефти) в уайт-спирите в соотноше-
нии 1:1. Плотность 820–880 кг/м3.
   ПТ – раствор в уайт-спирите окисленного петролатума и таллово-
го масла (до 30%) – побочного продукта при получении целлюлозы.
   ПТА – раствор в уайт-спирите окисленного петролатума, обрабо-
танного аммиаком, и таллового масла.
   ГТФ – продукт термической переработки эстонских сланцев (ге-
нераторная тяжелая фракция).
   ПС – связующее из 60% П и 40% ГТФ.
   СЛК – 50% ГТФ и 50% лака-энтиноля.
   КО – раствор кубовых остатков (от производства синтетических
жирных кислот) в уайт-спирите.



                               69



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика