Формовочные материалы. Учебное пособие

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 ковшей и т. п.). Кроме того, в составах формовочных и стержневых смесей используются многочисленные добавки для улучшения или достижения специальных свойств.

6.1.Припылы, разделительные смазки

Вкачестве 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 получении отливок сложной конфигурации с поверхностью повышенного качества; для получения красок, паст и в качестве припылов при получении 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, представляющий 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 выше 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.

90

Разделительные смазки уменьшают прилипаемость смеси к оснастке и снижают ее износ. Разовые разделительные покрытия в виде суспензий серебристого графита в углеводородных или нефтяных растворителях обладают высокими антифрикционными свойствами, однако графит загрязняет модельную оснастку, скапливаясь в углублениях и углах моделей, и может служить источником науглероживания отливок и искажения размеров. Лучшие результаты обеспечиваются с помощью смазок, представляющих собой растворы олеиновой кислоты в нефтяных растворителях.

Некоторые составы разделительных смазок для оснастки приведены в табл. 6.1.

91

Полупостоянные покрытия защищают оснастку (в основном деревянную) от преждевременного износа и одновременно уменьшают прилипаемость смеси к оснастке. Примеры некоторых покрытий приводятся ниже.

1.Нитроцеллюлозная эмаль НЦ 5123. Широко употребляемое покрытие. Его недостаток – невысокая влагостойкость.

2.Нитроцеллюлозная эмаль НЦ 5123+3÷5% битумного лака. Введение битумного лака частично устраняет недостатки, свойственные эмали НЦ 5123.

3.Покрытие состава, мас. ч.: эпоксидная смола ЭД-5100; дибутилфтолат 10–15; полиэтилен-полиамин 10–20; химически стойкий лак ХСЛ100. Применяется для металлической и деревянной оснастки при изготовлении стержней из ЖСС на жидком стекле и феррохромовом шлаке. Срок службы деревянной оснастки повышается

в2–3 раза. Отпадает необходимость в использовании разовых разделительных смазок.

4.Покрытие состава, мас.доля, %: низкомолекулярный силоксановый каучук 37–41; бензин “калоша” 39–53; этилсиликат-40 8–18; отвердитель – аминосилан АГМ-9 или кубовые остатки его ректификации АБК-2 1,5–2,5. Износостойкость 30000 съемов. Прочность на истирание до 6 МПа.

6.2. Литейные клеи и замазки

Клеи предназначены для склеивания стержней. Клей должен обладать хорошей кроющей способностью при нанесении на склеиваемые поверхности, обеспечивать требуемую прочность склеивания,

92

обладать минимальной гигроскопичностью. Некоторые составы клея для склеивания стержней приводятся ниже (в мас. долях, %).

Замазки применяются для заделки дефектов на поверхности стержней (швов, трещин, сколов) при их окончательной отделке. Замазки должны иметь хорошую пластичность после подсушки, не должны давать трещин и отслаиваться от стержней. При изготовлении форм и стержней из ХТС для заделки дефектов могут использоваться рабочие составы ХТС с предварительным нанесением на поврежденное место слоя смолы или жидкого стекла с применением крепящих шпилек.

При изготовлении отливок из чугуна и медных сплавов применяют замазку, состоящую из кварцевого песка (средний размер зерна 0063) – 65%, серебристого графита – 25%, глины каолинитовой – 15%. После перемешивания на 1 кг состава добавляют 0,3 л воды; для повышения пластичности иногда добавляют 0,5% мыльного порошка.

При изготовлении стержней для стальных отливок применяют замазку из каолинитовой глины – 40%, пылевидного кварца – 30%,

93

кварцевого песка – 30%. Полученную массу перемешивают с 2% ЛСТ (плотностью 1,3 г/см3) и водой – 13%.

При изготовлении стержней для отливок из алюминиевых сплавов применяют замазку из талька – 63–70%, кварцевого песка (средний размер зерна 01) – 36–38%, декстрина – 1–2%; сверх 100% добавляют ЛСТ – 1–2% (плотностью 1,3 г/см3) и воды – 30–40%. Для магниевых отливок в замазки добавляют 3–6% борной кислоты в качестве защитной присадки.

6.3. Прокладочные жгуты и стержневые фитили

Прокладочные жгуты служат для уплотнения разъемов при сборке форм, а также знаков стержней и литниковых чаш. Жгуты должны обладать хорошей пластичностью, достаточной прочностью на растяжение (0,004–0,005 МПа) и противостоять воздействию жидкого металла. В литейных цехах применяются прокладочные жгуты следующих составов.

1.Молотый асбест 60-80%, битум нефтяной (БН-П) 10–20%, минеральное масло 10–20%.

2.Молотая глина 50%, битум нефтяной (БН-П) 25%, вода 25%.

3.Молотая глина 10–15%, кварцевый песок 85–90%, вода (сверх

100%) 20–25%.

4.Бентонит 35–40%, тальк 10–12%, жидкое стекло (плотностью

1,34–1,36 г/см3) 48–55%.

Расход жгута составляет 2,5–4,0 кг/т годных отливок. Достигаемое снижение массы заливов при применении жгутов составляет 6–12 кг/т годных отливок.

С применением жгутов взамен промазки огнеупорной глиной толщина заливов по знаковым частям и ладу формы сокращается на 40–50%; выход годного литья для средних отливок повышается на 1%, для крупных – на 0,3%.

Стержневые фитили облегчают газоотвод из стержней в процессе заливки металла.

94

Для стержней, высушиваемых при температуре 220°С и выше применяются жгуты следующего состава: битум № 5 80%, парафин 15%, петролатум 5%.

Для стержней, высушиваемых при температуре ниже 220°С: битум № 3 80%, парафин желтый 20%.

Для стержней из песчано-смоляных ХТС рекомендуется применять капроновые шнуры, представляющие собой упругую трубку диаметром 7 мм из капроновых моноволокон и хлопчатобумажных нитей, которую размещают в стержне в процессе подачи смеси в стержневой ящик.

6.4.Экзотермические смеси

итеплоизоляционные материалы

Экзотермические смеси используют для обогрева прибылей с целью повышения эффективности питания отливок, сокращения массы прибыли и повышения выхода годных отливок.

Источником выделяющейся теплоты служит реакция окисления алюминия (в виде порошка, стружки или крупки) или кремния (в составе ферросилиция, силикокальция и др.).

2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe + 873,6 Дж. 4Al + 3O3 = 2Al2O3 + 1675,8 Дж.

3Si + 2Fe2O3 = 3SiO2 + 4Fe + 1381,8 Дж.

Составы экзотермических смесей включают следующие пять групп компонентов:

−окисляемые компоненты (алюминий, ферросилиций, силикокальций и др.);

−окислители (железорудные молотые концентраты, железная окалина, концентраты марганцевых и хромитовых руд, натриевая и калиевая селитра и др.);

−катализаторы, снижающие температуру воспламенения термитной смеси (фториды щелочных металлов, криолит);

−наполнители (кварцевый песок, шамотный порошок и др.);

−связующие (огнеупорная глина, жидкое стекло, ЛСТ, декстрин, синтетические смолы и др.).

95

Основные требования, предъявляемые к экзотермическим смесям: низкая температура воспламенения; стабильное горение смеси с небольшой скоростью; отсутствие обильного газовыделения при сгорании смеси; отсутствие пироэффекта; хорошая формуемость и прочность; отсутствие механического пригара и деформаций; применение недефицитных и недорогих материалов.

Расход экзотермической смеси на 1 т годных отливок составляет 60–70 кг. Масса прибыли снижается в 2,5–4 раза (по сравнению с необогреваемыми прибылями), выход годных отливок возрастает до 75–80%.

Примеры составов экзотермических смесей, в мас. долях, %:

−для стальных отливок: алюминиевый порошок 23, оксид железа 12, марганцевая руда 4, криолит 6, огнеупорная глина 10, декстрин 4, шамот порошкообразный 41;

−для отливок из серого и высокопрочного чугуна: алюминиевый порошок 15–20, оксид железа 8–16, криолит 2–4, огнеупорная глина 7–10, декстрин 4–6, шамот порошкообразный до 100%, синтетическая смола 4,5–5,5;

−для отливок из медных и алюминиевых сплавов: алюминиевомагниевая крупка (3,5–15% MgO) –-18,5, марганцевая руда 40–52, фтористый натрий 0,5–1,5, натриевая селитра 0,5–6,0, огнеупорная глина 4,0–6,5, жидкое стекло 4–6, кварцевый песок 10–25.

Теплоизоляционные материалы и смеси используют в виде пла-

стин, втулок, для облицовки литейных прибылей с целью ограничения потерь тепла жидкого металла в прибыли и увеличения длительности ее работы, а также в качестве засыпок на зеркало металла в ковшах, открытых прибылях и в изложницах при получении слитков

сцелью снижения теплопроводности через зеркало металла.

Ктеплоизоляционным материалам, применяемым в литейном производстве, относят аглопоритовый песок (кремнистые опаловые породы с примесями глинистых и песчаных материалов), диатомит (осадочная порода из раковин диамитовых водорослей), трепел (пористая опаловая осадочная горная порода), вспученный перлит (зернистый пористый материал, получаемый путем термической обработки измельченных металлических пород), керамзит (песок и гра-

96

вий), отходы слюды, вспученный вермикулит, кремнеземистое волокно, базальтовое волокно, высокоглиноземистую вату и др.

Наибольшее применение в технологических процессах литейного производства в качестве теплоизоляционного материала находит вспученный перлит как наиболее доступный, дешевый и технологичный материал.

6.5. Добавки специального назначения

Добавки для улучшения свойств смесей на стадии формовки и отверждения.

1. Добавки, снижающие внутреннее трение между частицами песка и улучшающие реологические характеристики смесей (сыпучесть, подвижность, формуемость, уплотняемость). К таким добавкам относятся поверхностно активные вещества (ПАВ), в частности, алкиларилсульфонаты (РАС, КЧНР, НБ, НЧЛ и др.).

Рафинированный алкиларилсульфонат (РАС) на основе сульфокислот керосиновых фракций представляет собой натриевые соли нефтяных сульфокислот.

Смачиватель НБ – натриевая соль сульфированного продукта конденсации нафталина с бутиловым спиртом (бутилнафталинсульфонат натрия).

НЧК – 25%-й раствор аммонийных солей нефтяных сульфокислот нейтральной или слабощелочной реакции.

КЧНР – контакт черный нейтрализованный рафинированный на основе натриевых солей алкилароматических кислот, представляющий собой водный раствор кислого нефтяного гудрона, нейтрализованный и рафинированный от масел, смол и сульфата натрия.

При введении ПАВ в смеси в количествах до 0,1% улучшается сыпучесть смесей, что особенно важно при пескодувном и пескострельном способе изготовления стержней. При повышении их расхода до 0,2–0,55 и при дополнительном введении воды они проявляют пенообразующие свойства и позволяют перевести смесь при активном перемешивании в жидкоподвижное состояние (ЖСС).

97

2.Добавки для повышения живучести готовой смеси; для жидкостекольных смесей используют водные растворы едкого натра, для песчано-смоляных – добавки аминоспиртов, гликолей.

3.Добавки для повышения прочности смесей, устранения разупрочнения смесей при хранении: продукты синтеза глюкозы или продукты взаимодействия метиламина и полисахаридов (крахмалит).

4.Добавки, химически связывающие вредные выделения и улучшающие санитарно-гигиенические условия труда. Для связывания паров формальдегида при отверждении песчано-смоляных смесей используют добавки мочевины или других аминосоединений. Выделения высокотоксичного фенола при нагреве фенолсодержащих смол могут быть в значительной степени обезврежены при введении в

смеси сильных окислителей (марганцевокислый калий, персульфат калия, кальциевая селитра).

5.Добавки улучшающие свойства форм и стержней:

1)добавки, улучшающие теплопроводность смеси. Благодаря действию этих добавок повышается скорость теплоотвода от жидкого металла, быстрее формируется его твердая корка в зоне контакта со стержнем (формой). К такого рода добавкам относятся порошки оксидов железа и марганца, металлические порошки (алюминия, железа, ферросилиция), чугунная или стальная дробь и т. д.;

2)добавки, препятствующие образованию газовых дефектов в отливках из черных сплавов. При термическом разложении азотосодержащих смол выделяются азот и водород, служащие причиной образования пористости и раковин в металле. Эффективным средством предупреждения газовых дефектов является введение тонкодисперсных порошков оксида железа или диоксида марганца. Эти же добавки препятствуют насыщению поверхности отливки углеродом (науглероживанию), что актуально при получении отливок из низкоуглеродистой стали.

В качестве материалов на основе оксидов железа применяется

сурик железный сухой для лакокрасочной промышленности (ТУ 6–10–1216–72) – природный неорганический пигмент краснокоричневого цвета на основе красковых руд Криворожского месторождения;

98

3)противопригарные добавки. Примерами служат добавки, образующие блестящий углерод в ПГС (каменный уголь, пенополистироловая крошка, специальные масла и др.), добавки фторидов и серы, препятствующие окислению при заливке магниевых сплавов, и многие другие;

4)добавки, легирующие поверхностный слой металла. Добавки этой группы вводят, как правило, в состав противопригарной краски. При контакте с жидким металлом легирующая добавка диффундирует из краски в поверхностный слой отливки, придавая ему требуемые специальные свойства. Например, добавки карбида бора, феррохрома служат для повышения твердости поверхностного слоя отливок из черных сплавов; добавки теллура, свинца, серы, сурьмы, висмута и их соединений снижают твердость поверхностного слоя металла и улучшают его механическую обрабатываемость;

5)добавки для улучшения податливости стержней при высокотемпературном нагреве. Вследствие силового взаимодействия отливки и формы в начальные моменты остывания в затвердевшем металле развиваются внутренние напряжения, которые могут привести к образованию в отливке горячих трещин. Для улучшения податливости формы используют выгорающие добавки (древесную муку или опилки, пенополистироловую крошку и т. п.) или волокнистые и высокопористые молотые материалы (асбест-крошка, вспученные перлит и вермикулит и т. п.). Для высокотермостойких смоляных связующих возможно внедрение добавок пластификаторов (дибутилфтолат, глицерин) или окислителей (КМnO4, NaNO3 и др.).

6. Добавки для улучшения выбиваемости смеси. Кероген непылящий (ТУ 38.10940–75) – однородный порошкообразный концентрат сланца, смешанного со смягчителем – нефтяным маслом ПН-6.

Кероген вводят в составы ЖСС, ПСС и смесей по СО2-процессу в количестве 2–3 мас. долей, %.

Диспергатор НФ технический (ГОСТ 6848–79) – нейтрализованный продукт конденсации сульфокислот нафталина с формальдегидом.

НФ жидкий пожаробезопасен, сухой – горючее вещество с температурой самовоспламенения 564°С; относится к III классу умеренно

99