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.
       Из силикатов в качестве связующих формовочных и стержневых
смесей применяют жидкое стекло и цементы.

                     5.8.1. Жидкое стекло
   Жидкое стекло является самым распространенным (после глины),
дешевым нетоксичным связующим, применяемым для изготовления
форм и стержней, особенно в единичном и мелкосерийном производ-
стве. Основным преимуществом жидкостекольных смесей является
возможность упрочнения их в контакте с оснасткой при комнатной
температуре.
   Жидкое стекло представляет собой водный раствор щелочных си-
ликатов переменного состава – Na2O⋅nSiO2 или K2O⋅nSiO2. Если жид-
кое стекло содержит силикаты натрия, оно называется натриевым, а
если силикаты калия – калиевым. В литейном производстве в основ-
ном применяют натриевое (содовое) жидкое стекло, как более деше-
вое и менее дефицитное, чем калиевое. Жидкое стекло оценивают по
модулю и плотности. Модуль жидкого стекла определяют по форму-
ле
                             %SiO 2
                       M =          ⋅ 1,032,
                             %Na 2O
где %SiO2 и %Na2O – процентное содержание SiO2 и Na2O в жидком
стекле, 1,032 – коэффициент отношения молекулярных масс оксидов
натрия и кремнезема.
   Согласно ГОСТ 13078–81 жидкое стекло (содовое) выпускается с
модулем 2,61–3,0, низкомодульное и 3,01–3,5 – высокомодульное,
плотностью 1360–1500 кг/м3.
   В литейном производстве применяют жидкое стекло с модулем
2,0–3,1. Чем выше модуль жидкого стекла, тем выше его степень по-
лимеризации и тем больше скорость твердения. Это часто является
причиной малой живучести смесей, приводит к быстрому нараста-
нию прочности в начальные периоды твердения, но является причи-
ной снижения прочности через более длительный период твердения
например через 24 ч. Поэтому модуль жидкого стекла, применяемого
для приготовления смесей, снижают добавкой NaOH. Количество



                                80


щелочи, необходимое для снижения модуля жидкого стекла с M1
до М2, определяют по формуле
                           129,032 ⋅ Na 2O ⋅ ( M 1 − M 2 )
                      n=                                   ,
                                       M 2C
где n – необходимое количество NaOH, г;
   Na2O – содержание Na2O в исходном жидком стекле, г;
    С – массовая доля добавляемого водного раствора NaOH, %.
   Модуль М и плотность ρ жидкого стекла выбирают в зависимости
от принятого способа отверждения формовочной смеси (табл. 5.5).
                                                                    Таблица 5.5
            Рекомендуемые модули и плотность жидкого стекла
               в зависимости от способа отверждения смеси
 Способ отвер-              Тип отвердения                     М    ρ, кг/м3
    ждения
  СО2-процесс    Углекислый газ                          2,0–2.3   1480–1520
     ЖСС         Двухкальциевые силикаты (феррохро-
                 мовый шлак, нефелиновый шлам)           2,7–3,1    ≥1360

     ПСС         Двухкальциевые силикаты (феррохро-
                 мовый шлак, нефелиновый шлам)           2,7–3,1    ≥1420

     ХТС         Жидкие отвердители – сложные эфиры,     2,4–2,6    ≥1480
                 комплексный порошкообразный метал-
                 лофосфат (антипирен из нефелина)        2,3–2,5    ≥1470


   Отверждение форм и стержней с жидким стеклом было впервые
осуществлено (50-е годы) продувкой их СО2. Реакция отверждения
жидкого стекла по СО2-процессу
       Na2O ⋅ nSiO2 + CO2 + mH2O → Na2CO3 + nSiO2 + mH2O.

   Удельный расход СО2 составляет 0,5–1,5 дм3/г жидкого стекла.
Количество СО2, необходимое для достижения максимальной проч-
ности смеси,



                                     81


                     Q со 2 = A( 0,26 – 0,073М),
где Q со 2 – количество СО2, % от массы смеси;
  А – содержание жидкого стекла, % от массы смеси;
  М – силикатный модуль.
  Продолжительность продувки смеси, с,
                         τ = К(320 – 90М),
где К – коэффициент, зависящий от содержания жидкого стекла (А) и
размера зерен наполнителя (для песка 1К3О302 и А = 5–7%, К ≈ 1).
   В настоящее время отверждение этих смесей, кроме СО2, произ-
водится также с помощью порошкообразных (феррохромовый шлак,
нефелиновый шлам) и жидких отвердителей (эфиров, альдегидов).
   Нефелиновый шлам, %: СаО 54–58; SiO2 28–32; Al2O3 2–4; Fe2O3 2–4;
(Na2O+К2О) 2–3 – побочный продукт производства глинозема из не-
фелиновых руд.
   Феррохромовый шлак – саморассыпающийся шлак ферросплавного
производства, содержащий более 70% двухкальциевого силиката. Хи-
мический состав, %: СаО 48–54; SiO2 20–30; Al2O3 4–8; MgO 7–12;
Сr2O3 2–12; FеО 0,1–2.
   Антипирен – порошкообразный материал, получаемый при взаи-
модействии кислых фосфатов с карбамидом и аммиаком типа
                 а[(NH4)2О] ⋅ b(Аl2О3) ⋅ с(Р2О5) ⋅ nН2О.
   Антипирен в сочетании с феррохромовым шлаком в жидкосте-
кольных смесях снижает трудоемкость выбивки и ускоряет затверде-
ние смеси.
   Жидкие отвердители сложного типа – прозрачные маловязкие
жидкости от бесцветного до желтого цвета, плотностью 1080–1500
кг/м3, с характерным запахом эфира (этилгликоль, глицериндиацетат,
глицеринтриацетат, пропиленкарбонат и др.).
   Существенным недостатком жидкого стекла как связующего яв-
ляется плохая выбиваемость смесей из отливок. Причиной является
расплавление силикатов натрия при нагреве формы металлом с по-
следующим спеканием формовочной смеси при охлаждении, что



                                 82


приводит к резкому увеличению остаточной прочности. По этим же
причинам жидкостекольные смеси плохо поддаются регенерации.

                         5.8.2. Цементы
   Цементы были первыми связующими, примененными в 30-е годы
для изготовления форм, отверждаемых на воздухе, т. е. для получе-
ния холоднотвердеющих смесей (ХТС). Цемент получают путем об-
жига при 1300–1450°С до спекания измельченных смесей природных
пород известняка и глины или других минералов. Размолотый про-
дукт обжига (клинкер) с небольшим количеством гипса и других до-
бавок называют портландцементом.
   В настоящее время для приготовления ХТС, а также для изготов-
ления моделей применяется цемент марок 400 и 500. Упрочнение
форм основано на гидратации при взаимодействии с водой минера-
лов цемента с образованием кристаллогидратов, которые, срастаясь,
создают связи (каркас) между песчинками формовочной смеси. Реак-
ция основной составляющей цемента (алита) с водой следующая:
      2(3СаО ⋅ SiO2) + 6H2O → 3CaO ⋅ 2SiO2 ⋅ 3H2O + 3Ca(OH)2.
   На первой стадии происходит растворение и гидратация компо-
нентов цемента. Образующиеся гидраты выпадают из пересыщенно-
го раствора в виде кристаллов, и процесс их срастания (полимериза-
ции) продолжается до тех пор, пока все связующее затвердеет. По-
скольку растворение и гидратация идут медленно, добавляют уско-
рители твердения. Цементы по сравнению с жидким стеклом позво-
ляют обеспечить лучшую выбиваемость смесей из отливок, так как
при нагреве от отливки они дегидратируются и смеси разупрочняют-
ся. Для приготовления ХТС необходимо вводить 10–12% цемента и
примерно такое же количество воды. Оптимальное водоцементное
отношение в формовочной смеси – 0,7–0,8. однако процесс тверде-
ния цементов происходит медленно, иногда 2–3 суток. Прочность
через 4 ч составляет 0,1–0,15 МПа. Поэтому ХТС с цементом приме-
няют при изготовлении крупных отливок в единичном производстве.
   Более быстро твердеют глиноземистые цементы марок 400 и 500,
содержащие трехкальциевый алюминат, пятикальциевый трехалю-




                               83


минат 5СаО⋅3Al2О3, однокальциевый алюминат СаО⋅Al2О3 и одно-
кальциевый двухалюминат СаО⋅2Al2O3.
   Недостатком цементов, как связующих, является снижение актив-
ности при длительном хранении вследствие образования гидратных
оболочек на их частицах. Например, при применении цемента марки
400 после хранения его 5 мес. длительность твердения смеси увели-
чивается втрое. Активность верхнего слоя складируемого цемента
снижается в несколько раз уже через 15 сут. Поэтому цемент надо
хранить в сухом помещении в герметизированной таре.
   Твердение ХТС ускоряется при совместном вводе глиноземистого
цемента (50–60%) и портландцемента (40–50%) в результате химиче-
ского взаимодействия между отдельными минералами цементов. Бо-
лее существенное ускорение и повышение прочности достигается
при добавке СаСl2, FeCl3, FeSO4 и совместно карбонатов и алюмина-
тов щелочных металлов.

                         5.9. Фосфаты
   Производство отливок с применением ХТС со связующими на ос-
нове металлофосфатных композиций – фосфорной кислоты и окси-
дов металлов (или их соединений): Fe, Mg, Al, Al-Cr, Al-Mg и др. –
непрерывно растет. При взаимодействии оксидов металлов и фос-
форной кислоты образуются кристаллогидраты – однозамещенные
соли ортофосфорной кислоты, обладающие связующими свойствами:
             FeO + 2H3PO4 + H2O → Fe(H2PO4)2 ⋅ 2H2O.
   Одни из металлофосфатных композиций, например, на основе
оксидов железа и магния, твердеют при комнатной температуре, дру-
гие композиции, например, на основе оксидов алюминия и хрома –
при нагреве.
   При твердении и сушке фосфатные композиции приобретают по-
лимерные структуры типа MenOn⋅P2O5⋅kH2O, а после прокаливания –
MenOn⋅P2O5.
   Алюмофосфатные связующие твердеют при 350–400°С, а при до-
бавке к ним одного из металлов (Fe, Cr, Mn, Mg, Ca) образуются со-
единения типа MenOm⋅Al2O3⋅P2O5, которые твердеют при 20–30°С.



                               84


   Из всех металлофосфатных связующих композиций больше дру-
гих применяют железо- и магнийфосфатные. Для железофосфатных
композиций могут применяться различные материалы, содержащие
оксиды железа (табл. 5.6).
                                                         Таблица 5.6
             Материалы, применяемые для железофосфатных ХТС
                                              Содержание, %
                  Материал
                                           FeO           Fe2O3
    Порошок магнитный черный                ≤8          ≤ 92–100
    Крокус                                 10–20         80–90
    Трифолин                               10–25         75–90
    Железорудный концентрат                24–28         57–68
    Железооксидный шлам                    10–25         75–90
    Плавильная пыль (от электродуговых
    печей, мартенов, вагранок)             6–10          70–90
    Пыль после обнаждачивания отливок      6–11          47–76
    Окалина железная                                      100


   Металлофосфатные связующие композиции применяют для ХТС,
для изготовления стержней, упрочняемых тепловой сушкой и в на-
гретой оснастке, в сочетании с ЭТС для получения оболочек при ли-
тье по выплавляемым моделям.
   Формовочные смеси с металлофосфатными связующими имеют
ряд преимуществ по сравнению с другими связующими: высокие
прочность и термостойкость, хорошую выбиваемость, нетоксичность
и возможность повторно использовать связующие свойства фосфа-
тов.

   Хорошая выбиваемость железофосфатных смесей связана с пре-
вращением термодинамически неустойчивых фосфатов двухвалент-
ного железа, образовавшихся в отвержденной композиции, в фосфа-
ты трехвалентного железа. Этот переход сопровождается резким ра-
зупрочнением структуры.
   Для магнийфосфатных ХТС применяют магнийсодержащие мате-
риалы, которые при взаимодействии с Н3РО4 имеют различную ак-

                                   85


тивность (время затвердевания) – от 1–3 (для каустического магнези-
та) до 54–80 с (для хромомагнезита). При твердении композиции
MgO–H3PO4 выделяется теплота, по количеству которой можно су-
дить о характере твердения.
   Из других фосфатов в качестве связующих для формовочных сме-
сей и противопригарных красок применяются хорошо растворимые в
воде триполифосфат натрия (Na5P3O10)n, полиметафосфат натрия
(NaPO3)n, алюмохромфосфат, натрийалюмофосфат и алюможелезо-
фосфат. Для приготовления противопригарных красок применяют
также алюмофосфатное связующее Aln(H3-nPO4)3, в котором n = 1...3.
Его получают при взаимодействии глиноземистых материалов с
H3PO4 при 60–80°С в присутствии катализаторов.

                      5.10. Алюминаты
   В Японии разработан способ формовки, при котором использует-
ся песок из Al2O3, а в качестве связующего алюминат натрия. Реко-
мендуется молярное соотношение Na2O/Al2O3 = 1,5...2. Готовую
смесь перед формовкой перемешивают в среде СО2 2–2,5 мин. Форма
отверждается СО2, при взаимодействии которого со связующим об-
разуются Na2CO3 и Al(OH)3. После охлаждения отливки форма разу-
прочняется при смачивании водой: Na2CO3 растворяется в ней, а
Al(OH)3 отделяется от песка и остается в воде в виде суспензии.
Предлагается также схема регенерации такой смеси, когда раствор-
суспензию пропускают через фильтр, на котором остаются частицы
Al(OH)3. Затем раствор подвергают электролизу для получения Na2O
и Na2CO3. Из раствора Na2O и Na2CO3 получают вновь алюминат на-
трия.
   Отверждение таких смесей можно осуществлять путем добавки
алюминиевого порошка. Смесь, содержащая 5% алюмината натрия и
отвержденная CO2, имеет прочность при сжатии 1 МПа, а с 4%
NaAlO2, алюминиевым порошком (0,7%) – 2 МПа. После выбивки
отливок в отработанную формовочную смесь вводится до 5% воды,
производится перемешивание и 2–3-кратная промывка, в результате
которой песок полностью освобождается от связующего, и после
сушки его снова можно применять. Связующее после фильтрации



                                86


или выпаривания используется вновь, т. е. при этом регенерируется
не только песок, но и связующее.

                    5.11. Этилсиликаты
   Этилсиликат – прозрачная, слабоокрашенная в желтый или бу-
рый цвет жидкость с запахом эфира. Этилсиликат является продук-
том реакции этилового спирта с хлоридом кремния.
               SiCl4 + 4C2H5OH → (C2H5O)4Si + 4HCl.
   В литейном производстве применяют этилсиликат (ЭТС) двух ма-
рок: ЭТС-32 и ЭТС-40. Цифры указывают среднее содержание SiO2
в этилсиликате.
   На основе этилсиликата приготовляют связующие растворы для
получения оболочек (форм) при литье по выплавляемым моделям и
получения керамических форм. Связующий раствор этилсиликата
является коллоидным раствором, который переходит в гель кремние-
вой кислоты, связывающий песчинки.
   Для получения связующего раствора этилсиликат (ЭТС) подвер-
гают гидролизу (добавляют в воду), при котором этоксильные груп-
пы C2H5O замещаются гидроксильными группами ОН, а линейное
строение молекул ЭТС превращается в разветвленное и частично
сшитое в результате поликонденсации. По мере такого замещения
образуются такие продукты гидролиза (гидролизаты), которые боль-
ше напоминают кремниевую кислоту, образующую коллоидный рас-
твор-золь.



   При полном замещении этоксильных групп реакция протекает по
схеме
         OC2H5                          OH
   Si    OC2H5 + 4H2O             Si     OH    + 4C2H5OH
         OC2H5                           OH
  ОС2Н5                             ОН
          OH


                               87


  nSi     OH              n(SiO2 ⋅ 2H2O).
          OH                   Золь
  ОН
   В действительности степень гидролиза всегда меньше 100%, т. е. в
состав мицелл входят и этоксильные группы. Гидролиз этилсиликата
проводят раствором воды в спирте, ацетоне или эфироальдегидной
фракции, поскольку этилсиликат не растворяется в воде, а реакция
гидролиза этилсиликата в воде может идти только на поверхности их
раздела. Для ускорения гидролиза применяют катализатор – соляную
кислоту (0,2–0,4%-й раствор).
   На прочность оболочки, скорость твердения, склонность ее к тре-
щинообразованию влияют состав раствора, количество воды, вид
растворителя и технология гидролиза ЭТС. Практические исследова-
ния показали, что применением совмещенного метода гидролиза
ЭТС и получением на его основе суспензии с пылевидным наполни-
телем можно повысить прочность оболочек в 2–2,5 раза. При интен-
сивном перемешивании связующий раствор можно получить без до-
полнительного растворителя, что позволяет уменьшить содержание
SiO2 в растворе до 10–14% и увеличить прочность оболочки.
   В последние годы для литья по выплавляемым моделям в качестве
связующего применяют также кремнезоли. Кремнезоли-коллоидные
дисперсии SiO2 в воде, стабилизированные гидроксидами щелочных
металлов (0,25–0,65% NaOH по массе). Из групп кремнийорганиче-
ских материалов в качестве связующих противопригарных красок
применяют лаки КО-925, КО-921, КО-075, которые отличаются более
высокой термостойкостью, чем органические полимеры.

           6. Вспомогательные материалы
   Кроме наполнителя и связующего, в состав формовочных и стерж-
невых смесей входят различные добавки, улучшающие их свойства.
   К вспомогательным составам и материалам относятся припылы,
разделительные смазки и полупостоянные покрытия для оснастки,
клеи для ремонта и склейки стержней и форм, замазки для заделки
дефектов форм, стержней и отливок, прокладочные жгуты (шнуры)



                                88


для форм, фитили для образования вентиляционных каналов в
стержнях, экзотермические смеси для элементов литейных прибылей
с целью подогрева металла прибыли, теплоизоляционные материалы
и составы, огнеупорные материалы для литейно-металлургического
припаса (керамические элементы для литниковых систем, сетки для
фильтрования металла, материалы для футеровки разливочных ков-
шей и т. п.). Кроме того, в составах формовочных и стержневых сме-
сей используются многочисленные добавки для улучшения или дос-
тижения специальных свойств.

          6.1. Припылы, разделительные смазки
   В качестве припылов используются тонкодисперсные порошки
серебристого графита, талька, ликоподия и др.
   Графит кристаллический литейный (ГОСТ 5279–74) применяют
для покрытия рабочих поверхностей форм и стержней при получе-
нии отливок сложной конфигурации с поверхностью повышенного
качества; для получения красок, паст и в качестве припылов при по-
лучении отливок, не требующих высокого качества поверхности.
   Тальк порошкообразный и микротальк (ГОСТ 21234–75,
ГОСТ 21235–75, марка ТП) – минерал 3Mg⋅4SiO2⋅H2O.
   Сажа белая (ГОСТ 13797–84).
   Эбонитовая пыль (ТУ38–105323–76).
   Ликоподий – порошок из спор растения плауна. Не смачивается
водой. В практике применяется искусственный ликоподий КС, пред-
ставляющий собой мелкоизмельченный мрамор, плакированный
стеарином. Припыливание ликоподием рекомендуется проводить из
мешочка, нанося его тонким и ровным слоем.
   Древесный уголь содержит не более 1,5% золы; влажность не вы-
ше 5%, объемная масса 0,3–0,4 г/см3. При просеивании через сито
016 остаток должен быть не более 5%.
   Дисульфид молибдена (порошок МоS2), обладающий высокими
антифрикционными свойствами. Позволяет использовать модели без
уклона. Для удержания его на вертикальных поверхностях моделей
рекомендуется выполнять поверхности слегка шероховатыми.



                               89



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика