Формовочные материалы. Учебное пособие

Таблица 3.15

Массовая доля потери массы при прокаливании формовочного песка

3.4. Высокоогнеупорные формовочные материалы

Для получения крупных чугунных и стальных отливок с чистой поверхностью вместо кварцевых песков применяют другие высокоогнеупорные материалы: хромит, хромомагнезит, циркон, дистен-силли- манит, шамот и др. Эти материалы имеют более высокие теплофизические свойства и меньшую склонность к физико-химическому взаимодействию с железом и его оксидами, поэтому позволяют получать чугунные и стальные отливки с более чистой поверхностью.

Теплофизические свойства некоторых высокоогнеупорных материалов приведены в табл. 3.16.

40

Поскольку эти материалы по сравнению с кварцем имеют более высокую теплопроводность, длительность контакта жидкого металла с формой при их применении снижается.

3.4.1. Хромит

Хромит, или хромистый железняк – природный материал, содержащий хромшпинелиды. Химическая формула основного минерала в хромите FeO·Cr2O3, в котором содержится 68% Cr2O3 и 32% FeО. Однако из-за наличия примесей содержание Cr2O3 в хромите намного меньше. Минимальное содержание Cr2O3 в хромите 36%.

К особенно вредной примеси в хромите относится CаСO3, который при нагревании разлагается с выделением CO2, что может вызывать образование газовых дефектов. Поэтому содержание СаО в хромите допускается не более 1,5%, содержание SiO2 – не более 7%, постоянно присутствующих примесей (п.п.п.) – не более 2%. Соотношение Cr2O3:FeО в природном материале находится в пределах 2,7–5,0 (в зависимости от месторождения).

41

Для уменьшения газовыделения (п. п. п.), особенно СО2, рекомендуется перед приготовлением формовочных смесей хромит прокаливать при температуре 900–1000°С.

Температура плавления хромита (при содержании Cr2O3 до 40%) не превышает 1800°С, плотность – 3760–4280 кг/м3. Хромит имеет более низкий температурный коэффициент объемного расширения, чем кварц. Хромит применяется для приготовления облицовочных смесей (или паст), при производстве крупных стальных и чугунных отливок. Полагают, что при применении хромита отливки с чистой поверхностью получаются в результате его спекания с последующим закрытием пор при нагреве поверхности формы заливаемым и залитым металлом.

3.4.2. Магнезит

Магнезит – горная порода, содержащая минерал МgСО3. Чистый МgСО3 имеет цвет от коричневого до светло-серого, плотность 2900 кг/м3. В горных породах наряду с минералом МgСО3 содержатся соединения кальция, кремния и железа.

При переработке магнезитовой породы путем обжига из нее удаляется CO2, а магнезит превращается в оксид магния MgO кристаллизующийся как минерал периклаз. Оксид магния имеет свойства, подобные извести, т. е. поглощает влагу из воздуха и гидратируется. Поэтому его обжигают до спекания при температуре свыше 1400°С с добавками оксидов железа. В результате получают металлургический магнезит, имеющий шоколадно-коричневый цвет и содержащий более 85% MgO – основного жаростойкого компонента. Если обжиг происходит при температуре 800–950°С, образуется обезуглероженный каустический магнезит, обладающий вяжущими свойствами.

Чистый MgО имеет огнеупорность 2800°С, а магнезитовые изделия – более 2000°C.

Зернистый материал для формовочных смесей получают дроблением отходов и боя магнезитовых изделий.

Магнезит рекомендуется применять для приготовления облицовочных смесей или противопригарных красок, при получении отливок из высокомарганцовистых и других высоколегированных сталей.

42

3.4.3. Хромомагнезит

Хромомагнезит представляет собой продукт обжига при температуре 1500–1600°С смеси, состоящей из 50–70% хромитовой руды и 30–50% металлургического магнезита. Хромомагнезит содержит 40–58% MgО и 16–27% Cr2O3. Огнеупорность его – не менее 2000°С, плотность – 3900 кг/м3. В отличие от магнезита хромомагнезит хорошо противостоит резким изменениям температуры.

В литейном производстве обычно применяются отходы и бой хромомагнезитового кирпича. Хромомагнезит используется для приготовления облицовочных смесей, паст и красок, при получении крупного стального литья из легированных сталей. Для приготовления облицовочных смесей используют размолотый хромомагнезит, имеющий остатки на ситах 1–016–50...60%, а на ситах 01–005 – 40...50%; для паст – остаток на ситах 04–016 – 30...40 %, а на ситах 01–005 и в тазике – 60...70%; для красок – остаток на сите 005–90%, остальное – остатки на ситах 01–0063.

3.4.4. Циркон

Циркон – природный минерал, химическая формула ZrO2 SiO2. В природных цирконовых песках кроме циркона содержатся и другие минералы: кварц, рутил, дистен, ильменит, оксиды железа.

С целью увеличения содержания циркона цирконовые пески обогащают до получения так называемого цирконового (обезжелезенного) концентрата, в котором содержится не менее 65% ZrО2 и не более

0,5% ТiО2, 0,1% Fe2О3, 0,1% Al2О3, 0,15% P2О5.

Циркон имеет высокую огнеупорность – не ниже 1600°С (при допустимом содержании примесей), малый температурный коэффициент объемного расширения (0,003), высокие плотность (4600– 4700 кг/м3) и теплопроводность. Он применяется в основном для приготовления противопригарных красок для стального литья, иногда для изготовления форм при литье по выплавляемым моделям и в оболочковые формы.

43

3.4.5. Оливин

Оливин представляет собой изоморфную смесь форстерита и фаялита. Химическая формула его MgО·FeО·SiО2 (MgО – 23%, FeO – 42 и SiO2 – 35%). Температура плавления форстерита MgО·SiО2 – 1900°С, фаялита – 2FeO·SiO2 – 1200°С. Температура плавления оливина зависит от соотношения содержания оксидов магния, железа и содержания кварца. Поэтому оливин необходимо применять с минимальным содержанием оксидов железа и не смешивать с кварцевым песком. Нежелательной примесью в оливине является серпентин

3MgO·2SiО2·2Н2О.

Горные породы, содержащие свыше 80% оливина, называют оливинитами, а породы, содержащие 60–80% оливина, – дунитами. Оливин применяют для облицовочных формовочных смесей при изготовлении крупных стальных и чугунных отливок, что позволяет получать их с более чистой поверхностью, чем при использовании кварцевого песка. Кроме того, использование оливина, в отличие от кварца, не вызывает заболевания рабочих силикозом.

3.4.6. Дистен-силлиманит

Дистен-силлиманит содержит дистен и силлиманит, являющиеся модификациями одного и того же вещества (формула Аl2O3·SiO2), но имеющие различную кристаллическую структуру. Структура дистена не претерпевает изменений при нагреве до 1300°С, а силлиманита – до 1545°С. Плотность дистен-силлиманита 3200–3500 кг/м3.

Химический состав дистен-силлиманитового концентрата следующий, %: не менее 57 Аl2O3, не менее 39 SiO2, не более 1,0 TiO2, не более 0,8 Fe2О3, не более 0,2 СаО, не более 0,2 Na2О + К2О, 0,4 MgО и

1– 2 ZrО2.

Дистен-силлиманит применяется в противопригарных красках для стального литья.

3.4.7. Шамот

Шамот получают путем обжига огнеупорной глины до спекания. Химический состав шамота различный и зависит от соотношения SiO2 и Аl2О3. Чем больше в шамоте содержание Аl2О3, тем выше его

44

огнеупорность. Шамоты бывают кислые (SiО2:А2О3 > 4), нормальные

(SiО2:А12О3 = 2...4), глиноземистые (SiО2:Аl2O3 < 2).

Чистый Аl2O3 (корунд) имеет температуру плавления (2047±8)°С, а шамот (в зависимости от класса) – 1580–1750°С.

Химический состав шамота, %: 30–45 А12О3; 54–70 SiO2; 4–7

ТiO2, Fе2О3, СаО, MgО, K2O, Na2O.

Основным преимуществом шамота по сравнению с кварцевым песком является малое тепловое расширение, поэтому на отливах не образуется таких дефектов, как ужимины. Шамот дороже кварцевых песков. Он иногда применяется для изготовления форм многократного использования несложной конфигурации и при формовке по сухому для изготовления средних и крупных стальных и чугунных отливок.

В литейных цехах из других алюмосодержащих материалов применяются муллит и корунд.

КорундАl2О3 – минералсинегоцвета(сапфир) плотностью4000 кг/м3. В технике применяется синтетический корунд, получаемый плавлением боксита или чистых глин, богатых оксидом алюминия. Для ускорения обжига применяют добавки 1–2 % TiO2, который образует с корундом твердый раствор и ускоряет рост кристаллов корунда. Синтетический корунд содержит до 95% Аl2О3 и характеризуется наилучшими свойствами: огнеупорностью, термостойкостью при резких изменениях температуры, химической стойкостью и отсутствием объемных изменений. Чистый Аl2О3 применяется для изготовления форм при литье по выплавляемым моделям и в качестве наполнителя противопригарных красок для стального литья.

Муллит 3Аl2О3 · 2SiО2 – высокоогнеупорный материал, получаемый путем сплавления каолина с корундом, применяется для изготовления форм при литье по выплавляемым моделям. В ряде случаев применяют и другие высокоогнеупорные наполнители формовочных смесей и противопригарных красок – рутил ТiО2, графит, шунгит.

45

3.5. Рекомендации по применению свежих формовочных песков

С учетом содержания вредных примесей, понижающих огнеупорность и противопригарную способность смесей, рекомендуется применять пески следующих групп: для крупного стального литья – 1К1–2, для среднего и мелкого стального, а также для крупного и среднего чугунного литья – 2К1–3, для среднего и мелкого чугунного литья, а также для всего цветного литья – 3К1–4, для мелкого несложного чугунного и всего цветного литья – 4К1–5.

Тощие и жирные пески применяют для изготовления песчаноглинистых формовочных смесей для мелкого литья из чугуна и цветных сплавов. Для стального литья жирные пески не рекомендуются, так как в них содержится большое количество вредных примесей.

С учетом зерновой структуры грубые пески группы 063 в литейном производстве не применяются, так как они образуют шероховатую поверхность отливок. Очень крупный и крупный песок групп 04 и 0315 используется при получении чугунных и стальных отливок массой свыше 1000 кг. Средний песок группы 02 рекомендуется для мелкого и среднего литья из чугуна и стали. Мелкий и очень мелкий пески групп 016 и 01 применяются при изготовлении тонкостенных чугунных и стальных отливок, а также отливок из цветных сплавов. Тощий песок группы 0063 применяется при производстве индивидуальных поршневых колец и других тонкостенных отливок.

Обогащенные пески с низким содержанием глинистой составляющей (до 1,0%) рекомендуется использовать для изготовления форм и стержней по холодной и горячей оснасткам, из самотвердеющих смесей и прессованием под высоким давлением. Наиболее эффективными методами улучшения качества песков являются: гидравлическая обработка песка при высокотемпературной сушке, гидравлическая обработка с оттиркой и термическая обработка. Термическая обработка песка при высокотемпературной сушке (700– 850оС) в специальных установках с “кипящим слоем” при вихревом потоке горячего газа позволяет снизить способность кварцевого песка к расширению и растрескиванию.

46

Кварцевый песок остается основным формовочным материалом во всех странах, несмотря на наличие месторождений оливинового, хромитового и других материалов. Использование высококачественных классифицированных кварцевых песков имеет техникоэкономические преимущества.

В отдельных случаях при индивидуальном и мелкосерийном производстве отливок целесообразна замена кварцевых песков некварцевыми. Так, например, смеси на основе хромитовых песков при литье стали дают возможность устранить механический пригар и улучшить качество поверхности отливок. Загрязнение хромитового песка кварцевым недопустимо из-за образования при высокой температуре жидкой фазы, которая ухудшает противопригарные свойства смеси. Формы для крупных отливок необходимо окрашивать. Эффективная регенерация хромитовой смеси достигается в специальной камере с последующей сушкой, воздушной и магнитной сепарацией.

Применение хромита в совокупности с бентонитом для чугунного литья обеспечивает получение чистой поверхности отливок без добавки в смесь каменноугольной пыли.

4. Формовочные глины

47

4.1. Происхождение глин

Литейными формовочными глинами называются горные породы, состоящие в основном из тонкодисперсных частиц, водных алюмосиликатов, обладающих связующей способностью и термохимической устойчивостью, достаточной для того, чтобы в определенных условиях образовывать прочные и не пригорающие к отливке формовочные смеси.

По своему происхождению глины подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные – остаточные глины разложения – образовались в результате разложения кристаллических горных пород или выпадения из водных растворов, содержащих глинозем и кремнезем, и остались на месте образования.

Вторичные глины образовались путем выпадения из водных растворов и перенесения с места своего образования в районы залегания.

Состав глин, образовавшихся в результате разрушения горных пород, зависит от пород и степени кислотности или щелочности, характеризуемой концентрацией водородных ионов (рН). В кислой среде (рН<7) образуются каолинитовые, в щелочной (рН>7) – монтмориллонитовые глины.

Формовочные глины являются минеральным связующим в формовочных смесях.

4.2. Минералогический состав формовочных глин

Минералогический состав глин определяют с помощью рентгенографического и электронно-микроскопического методов анализа.

Глины состоят из одного или нескольких минералов, содержащих Al2O3, зерен кварца и небольшой примеси некоторых других минералов, не содержащих глинозема. По содержанию основных глинистых минералов формовочные глины делятся на каолинитовые, каолинитогидрослюдистые и бентонитовые.

48

К первой группе относятся глины, содержащие в основном мине-

рал каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O, его плотность 2,580–2,600 кг/м3,

температура плавления 1750–1787°С. При нагреве каолинит претерпевает превращения: при 100–140°С удаляется гигроскопическая вода, при 400–700°С теряется конституционная (химически связанная) вода и наблюдается эндотермический эффект. Каолинит переходит в метакаолинит (Al2O3·2SiO2), и глина теряет связующую способность. При 900–1050°С метакаолинит распадается на смесь аморфных Al2O3 и SiO2. При 1200–1280°С из свободного глинозема и кремнезема образуется минерал 3Al2O3 2SiO2 (муллит), что сопровождается также эндотермическим эффектом.

Каолинитовые глины находят широкое применение в литейном производстве и особенно для отливок стальных и чугунных деталей.

Каолинитогидрослюдные глины представляют собой промежуточные продукты разложения от слюд к каолиниту. По своему химическому составу и физическому состоянию эти минералы непостоянны.

Химический состав слюд К2О 3Al2O3 6SiO2 2H2O с температурой плавления 1150–1400°С.

Взависимости от содержания Н2О некоторые слюды относятся

кгидрослюдам и очень часто составляют значительный процент (до 30%) каолинитовых глин.

Основой бентонитовых глин является минерал монтмориллонит

Al2O3 4SiO2 H2O nH2O. В нем возможна замена некоторой части Al3+

на Mg2+, а Si4+ – на Al3+.

Особенностью монтмориллонита является способность расширяться в направлении одной из кристаллографических осей. Эти свойства позволяют проникать ионам Н+ и ОН– внутрь кристаллической решетки, что ведет к увеличению набухания глины. Температура плавления монтмориллонита – 1250–1300°С. Он способен отдавать или поглощать влагу из воздуха.

При нагревании до 100–150°С из него удаляется гигроскопическая, а также межслойная вода (Н2О); при 600°С он теряет способность набухать в воде. При температуре 735–900°С происходит раз-

49