Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Формовочные материалы. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
198
Добавлен:
20.05.2014
Размер:
1.35 Mб
Скачать

Таблица 3.15

Массовая доля потери массы при прокаливании формовочного песка

Массовая доля потери массы

Абсолютное допускаемое

при прокаливании, %

расхождение, %

 

 

От 0,10 до 0,30

0,05

Св. 0,3 до 0,8

0,10

Св. 0,8 до 2,0

0,15

Св. 2,0 до 5,0

0,20

 

 

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.

 

 

 

 

Таблица 3.16

Теплофизические свойства высокоогнеупорных материалов

 

 

 

 

 

 

 

 

Температура С°,плавления

-Тепло аккумулирующая ,способность м/(Дж

Температурный

 

 

 

·К)

коэффициент расширения (К1)

 

 

 

1/2

в интервале 300–1000°С

ρ,

Материал

 

·с

 

 

 

2

 

 

кг/м3

 

 

 

объемного

линейного

 

 

 

 

 

 

 

Кварцевый песок SiO2

1550–

1260

1,54

13,7·10–6

2650

 

1713

 

 

 

 

Дистен-силлиманит

1800–

1470

0,43

3250

Al2O3·SiO2

1830

 

 

 

 

Циркон ZrO2·SiO2

2600

1820

0,16–0,63

5,5·10–6

4570

Рутил TiO2

1560–

1960

0,25–0,92

4200–

1570

4300

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

 

Окончание табл. 3.16

 

Температура С°,плавления

-Тепло аккумулирующая ,способность м/(Дж

Температурный

 

 

 

·К)

коэффициент расширения (К1)

 

 

 

1/2

в интервале 300–1000°С

ρ,

Материал

 

·с

 

 

 

 

2

 

 

 

кг/м3

 

 

 

объемного

 

линейного

 

 

 

 

 

 

 

 

Хромомагнезит

2000–

2100

0,8–0,9

 

3900

MgO·Cr2O3

2100

 

 

 

 

 

 

Хромит FeO·Cr2O3

1600–

2380

0,7

 

3760–

1800

 

4280

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнезит MgCO3

2000–

 

13,5·10–6

2900

 

2800

 

 

 

 

 

Оливиниты, дуниты

1830–

 

3200–

(Mg,Fe)2SiO4

1750

 

3500

 

 

 

 

Шамот (40% Al2O3,

1580–

 

(4,5÷6,0) 10–6

3000

остальное SiO2)

1750

 

 

 

 

 

Муллит 3Al2O3 2SO2

1810

 

3030

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 (SiО22О3 > 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 ОНвнутрь 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