Формовочные материалы. Учебное пособие

8.6. Песчано-масляные стержневые смеси

Название данного типа смесей условное, так как в настоящее время вместо масляных связующих широко используются их заменители (связующие П, ПТ, ГТФ, КО и др.), не содержащие в своем составе растительных масел.

Песчано-масляные смеси широко применяют для изготовления ответственных стержней I, II и III классов в условиях мелкосерийного и крупносерийного производства отливок. Упрочнение стержней, изготовленных из данного типа смесей, как правило, осуществляют тепловой обработкой – сушкой, температура которой зависит от природы применяемого связующего материала и колеблется от 170 до 180°С при использовании в качестве основного связующего крепителя М, декстрина, пектинового клея, а при использовании крепителей П, ПТ, ГТФ – до 200–220°С. Помимо связующих материалов, в состав песчано-масляных смесей вводят добавки формовочной глины с целью повышения прочности стержней во влажном состоянии и предупреждения их деформации под влиянием собственной массы, а также добавки СДБ.

Кроме указанных выше добавок, при литье сплавов на основе магния в состав смесей вводят специальные добавки: борную кислоту, фтористую присадку, которые предупреждают процесс окисления сплава в литейной форме.

Состав и свойства песчано-масляных стержневых смесей, предназначенных для стальных, чугунных и цветных отливок, приведены в табл. 8.18 и 8.19.

141

9. Противопригарные покрытия

9.1.Механизм образования пригара

испособы его предупреждения

Пригаром называют дефект в виде трудно отделяемого слоя на поверхности отливки, образовавшегося вследствие физико-химичес- кого взаимодействия формы или стержня с расплавом и его окислами. Различают два вида пригара: механический и химический.

Механический пригар образуется вследствие проникновения расплавленного металла в поры формы. Чем больше температура сплава и гидростатическое давление, а также размер пор в смеси, тем больше механический пригар. Для того, чтобы возник механический пригар, сплав должен проникнуть в поры формы или стержня на глубину не меньше диаметра зерна формовочного песка (0,1–0,315 мм). В этих условиях возникает капиллярное давление, которое может способствовать (при условии смачивания сплавом формы) либо препятствовать (когда сплав не смачивает форму) проникновению сплава в поры формы. Сплав проникает в поры формы под действием гидростатического и капиллярного давления. Глубина проникновения металла в поры формы может быть найдена из выражения

h= H − 2σ cosθ ,

ρr

где h – глубина проникновения металла в поры формы; Н – гидростатический напор сплава в форме; σ – поверхностное натяжение сплава; θ – краевой угол смачивания; ρ – плотность сплава; r – радиус пор.

Капиллярное давление будет препятствовать (при 90°< θ<180°) либо способствовать (при 0°< θ<90°) проникновению сплава в поры формы.

Жидкий неокисленный сплав не смачивает поверхность формы, и поэтому капиллярное давление будет препятствовать образованию пригара на отливках. Исключить или значительно уменьшить образование механического пригара возможно созданием восстановитель-

144

ной атмосферы в полости литейной формы и на границе “металл – форма” при заполнении ее сплавом до момента образования на поверхности отливки твердой корочки затвердевшего сплава.

Химический пригар возникает на отливках в результате физикохимического взаимодействия на границе “металл – форма” в результате сложных реакций между металлом отливки, его оксидами и материалом формы.

В отличие от механического пригара зерна формовочного песка в прогреваемом слое связываются главным образом продуктами химических реакций, протекающих при высоких температурах, преимущественно силикатами. Оксиды железа хорошо смачивают кварцевый песок и под действием капиллярного давления легко проникают в поры формы, вступая в реакцию с кремнеземом:

2FeO + 2SiO2 → 2FeO · SiO2

В сплавах с высоким содержанием марганца образованию пригара способствует аналогичная реакция между закисью марганца и кремнеземом

2Mn + 2SiO2 → 2MnO · SiO2

Образующиеся в результате этих реакций легкоплавкие силикаты после затвердевания цементируют зерна песка в слой пригара. Для уменьшения пригара в формовочные и стержневые смеси вводят специальные противопригарные добавки.

При производстве крупных стальных отливок в качестве проти-

вопригарных добавок в облицовочные формовочные и стержневые смеси вводят: 15–30% пылевидного кварца (> 94,5% SiO2), до 25% цирконового песка; до 15% серебристого графита (кристаллического), обладающего большой термохимической устойчивостью до 1800°С. Пылевидный кварц уменьшает пористость, цирконовый песок и серебристый графит увеличивают огнеупорность смесей.

При чугунном литье для уменьшения пригара в смеси вводят пылевидный каменный уголь. В период заливки формы частицы угольной пыли сгорают, выделяя СО и СО2, образующие газовую прослойку между формой и жидким металлом. В начальный момент заливки и в период снятия теплоты перегрева при дефиците О2 на поверхности отливки образуется в основном оксид углерода СО. Кроме

145

того, СО создает в форме восстановительную атмосферу, которая препятствует образованию оксидов сплава, способствующих смачиванию зерен формовочного песка и проникновению металла в поры формы. Каменный уголь должен выделять при сгорании не менее 30% летучих веществ и не более 11% золы. В нем должно быть не более 2% серы и 12% влаги. Дисперсность помола угля и его содержание в смеси зависят от толщины стенок отливок и могут быть выбраны по табл. 9.1.

Мазут в качестве противопригарной добавки применяют в облицовочных смесях для мелких чугунных отливок и отливок из медных сплавов, получаемых в сырых песчано-глинистых формах. Действие его подобно каменноугольной пыли. Мазут обладает меньшей зольностью, поэтому смеси более долговечны и газопроницаемы. Обладая большей газотворностью, содержание мазута в смеси не должно превышать 1–1,5%.

При литье магниевых сплавов в формовочные и стержневые смеси вводят защитные присадки (табл. 9.2), которые, интенсивно выгорая в процессе заливки металла, образуют между сплавом и стенками формы или стержня газовую прослойку с инертной атмосферой, препятствующей окислению отливки и горению сплава.

Таблица 9.2

146

Состав защитных присадок для магниевых сплавов

9.2. Противопригарные краски и пасты

Введение противопригарных добавок в состав формовочных и стержневых смесей не всегда может обеспечить получение отливок без пригара. Одним из наиболее распространенных способов предупреждения образования пригара на отливках является нанесение защитных покрытий на поверхность изготовленных форм и стержней, которые препятствуют проникновению жидкого металла в поры смеси и химическому взаимодействию оксидов металла с материалом формы. Формовочные краски должны обладать следующими свойствами:

−иметь большую температуру плавления и не размягчаться от соприкосновения с расплавом;

−оставаться постоянными по составу во время их приготовления, хранения и использования;

−обладать хорошей кроющей способностью;

−слой краски, нанесенный на поверхность формы или стержня, не должен трескаться при сушке форм и стержней;

−после подсушки удерживаться на поверхности формы или стержня.

Противопригарные краски состоят из огнеупорной основы (наполнителя), связующего материала и растворителя. Для предупреждения преждевременного осаждения наполнителя, т. е. с целью повышения устойчивости красок, в их состав вводят стабилизаторы. В

147

качестве стабилизатора применяют такие вещества, которые неограниченно набухают в жидкости и тем самым создают условия, препятствующие осаждению частичек наполнителя. В состав красок также вводят специальные добавки, предупреждающие брожение (формалин), ускоряющие их упрочнение (катализатор) и др.

В качестве наполнителей красок используют пылевидный кварц, графит, тальк, циркон, а также некоторые другие материалы. Пылевидный кварц применяют для покрытий форм и стержней при стальном литье, графит – для покрытий форм и стержней при чугунном и цветном литье, тальк – при цветном литье и циркон – при крупных стальных отливках.

Для приготовления красок применяют водорастворимые и органорастворимые связующие материалы. В состав водорастворимых красок входят органические связующие материалы: сульфитно-дрож- жевая бражка, декстрин, патока, крахмалит, древесный пек – и не органические материалы: жидкое стекло, сульфат алюминия

[(Al2(SO4)3 · 18H2O], сульфат магния (MgSO4 · 7H2O), триполифосфат натрия (Na5P3O10)n.

В составе органорастворимых красок (самовысыхающих – не требующих сушки) в качестве связующих применяют органические материалы: нитролак 644, поливинилбутираль и кремнийорганические материалы: лак КО-075 и смолу К-9.

Для разведения красок до требуемой плотности используют воду или органические жидкости. В качестве органических растворителей красок применяют уайт-спирит, этиловый спирт, растворитель 646, растворитель обувного гарнитоля.

В качестве стабилизаторов в состав красок вводят добавку бентонита, а также высокомолекулярные вещества, такие, как поливиниловый спирт (ПВС), карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ). Помимо своего назначения, стабилизаторы являются и связующими материалами, повышающими прочность слоя краски.

При подборе составов противопригарных красок принимается во внимание вид сплава, масса изготовляемых отливок, особенности формовочных или стержневых смесей. Учитывая многообразие факторов, определяющих требования к противопригарным покрытиям,

148

оптимальные составы красок, как правило, устанавливаются опытным путем.

9.2.1. Водные противопригарные краски

Водные краски применяют главным образом для форм и стержней, подвергаемых сушке. В отдельных случаях их также применяют при изготовлении форм и стержней из самотвердеющих смесей, но при этом необходимо использовать поверхностную подсушку слоя краски. Состав и свойства водных противопригарных красок с органическими и неорганическими связующими материалами приведены в табл. 9.3 и 9.4.

Водные краски с неорганическими связующими материалами применяют главным образом при массивном чугунном и стальном литье. Характерной особенностью этих красок является использование в качестве связующего материала водных растворов сульфатов алюминия и магния, а также триполифосфата натрия, которые придают краскам высокую термостойкость. Последняя достигается благодаря тому, что в процессе теплового разложения этих связующих материалов при температурах 700–1000°С они прочно спекаются в химически инертное к оксидам металла состояние. Упрочнение красочного слоя происходит после испарения влаги при температуре 100–200°С, поэтому формы и стержни, окрашенные такими красками, подвергают сушке при указанной выше температуре.

149