9.3. Самотвердеющие формовочные и стержневые смеси

Этот класс формовочных смесей относится к смесям для фор­мовки по-сухому и предназначен для изготовления форм крупных (массой более 500 кг) чугунных и стальных отливок, а также отли­вок из цветных сплавов.

Наибольшее применение для этих целей нашли жидкие само­твердеющие смеси (ЖСС), которые в отличие от традиционных песчано-глинистых смесей заливают в опоки или стержневые ящи­ки, а повышение прочности форм и стержней происходит не в ре­зультате уплотнения смеси, а вследствие ее отверждения непосред­ственно в оснастке. Основные преимущества этой технологии со­стоят в следующем: резко уменьшается трудоемкость изготовления форм и стержней и повышается производительность труда в 3-4 ра­за, отпадает необходимость в длительной сушке форм и стержней, появляется возможность комплексно механизировать и автоматизи­ровать изготовление форм и стержней в условиях индивидуального и мелкосерийного производства; улучшение прочности осуществ­ляется по всему объему формы или стержня; повышается точность форм и стержней, что позволяет снизить припуски на механиче­скую обработку отливок на 15-20% и снизить брак на 25-30%, по­вышается срок службы модельной оснастки в 2-3 раза, отпадает не­обходимость в применении громоздких формовочных и стержневых машин; улучшаются санитарно-гигиенические условия труда на участках изготовления форм и стержней.

В табл. 9.7 приведены составы ЖСС, а в табл. 9.8 - их свойства.

Таблица 9.7 Составы жидких самотвердеющих смесей

Наименование компонентов	Назначение смеси и количество компонентов, масс. %
	Облицовочная	Наполнительная	Стержневая
Песок кварцевый	57,0-66,5	58,0-67,0	94,0-96,5
Регенерированный песок	30,0-37,0	30,0-37,0	-
феррохромовый шлак	3,0-5,0	3,0-5,0	3,0-5,0
Добавка для улучшения выбиваемости	0,5-1,0	"	0,5-1,0
Сверх 100% жидкая компо­зиция	6,0-7,0	4,0-5,0	7,5-8,5
10%-процентный раствор NaOH	0,2-0,3	0,2-0,3	0,2-0,3
ПАВ (ДС-РАС, КЧНР и др.)	0,05-0,1	0,05-0,1	0,05-0,1

Примечание. В состав жидкой композиции вводится вода до плотности 1280-1320 кг/м'.

Таблица 9.8

Свойства жидких самотвердеющих смесей

Параметры смеси	Время твердения, ч	Физико-механические свойства ЖСС
		Облицовочная	Наполни­тельная	Стержневая
Текучесть, мм	-	100-106	90-95	115-120
Устойчивость пены, с	-	360-420	300-360	420-600
Влажность, %	-	4,5-5,0	5,0-5,6	5,0-6,0
Прочность на сжатие, МПа	1 3 24	0,09-0,12 0,25-0,30 0,45-0,60	0,03-0,05 0,13-0,15 0,30-0,35	0,15-0,20 0,35-0,45 0,60-1,20
Газопроницае­мость, ед.	1 3 24	150-200 200-230 300-340	100-120 180-200 300-340	200-250 300-350 400-500
Работа выбивки, Дж, после прокалки при 800 °С		30-45	35-30	40-60

Текучесть смеси обеспечивается введением в состав ЖСС поверх­ностно-активных веществ (ПАВ), которые в процессе смесеприготов-ления образуют пузырьки пены, покрывающие зерна песка и снижаю­щие трение между ними. В результате смесь приобретает такое свой­ство, как текучесть, и ею можно заливать форму или стержневой ящик.

Как следует из данных, представленных в табл. 9.8, вскоре после заливки ЖСС формы или стержневого ящика происходит гашение пены и смесь твердеет на воздухе, постоянно увеличивая прочность равномерно по всему объему. Твердение происходит вследствие взаимодействия жидкого стекла с ФХШ (2CaSiO₂), в результате че­го образуется сложный гидросиликат (Na₂O)_m*(CaO)_n*(SiO2)p*(H₂O)_q, являющийся основной структурообразующей фазой. Отличитель­ной особенностью ЖСС служит высокая газопроницаемость, осо­бенно после твердения в течение 24 ч, когда из смеси полностью исчезает пена, а образованные ею поры являются причиной высо­кой газопроницаемости смеси.

Подвижность ЖСС характеризуется текучестью, которая зависит от эффективности процесса пенообразования при ее перемешива­нии. Поэтому конструктивные особенности агрегатов для приготов­ления смеси должны обеспечивать не только хорошее перемешива­ние, но и достаточно интенсивное вовлечение в смесь воздуха. Этим условиям в наибольшей степени отвечают лопастные смеси­тели периодического или непрерывного действия.

В установках периодического действия (рис.9.4) сухие компо­ненты (песок и ФХШ) подаются в смежные бункера 1 и 2.

Составляющие жидкой композиции в определенных соотноше­ниях загружаются в мешалку 3 и при работающей установке непре­рывно перемешиваются во избежание возможного расслоения жид­ких компонентов. Из бункера 1 и 2 песок и ФХШ поступают в при­емный бункер автоматического весового дозатора 4, откуда отдози-рованное количество сухих компонентов выгружается в лопастный смеситель 6, где перемешивается в течение 60-90 с. Из мешалки 3 жидкая композиция поступает в бак-дозатор 5, откуда отдозированное количество жидкой композиции сливается в смеситель 6, где происходит окончательное перемешивание всех компонентов для приготовления ЖСС. После этого смесь заливается в стержневой ящик или опоку, которые подаются под смеситель по рольгангам или приводному конвейеру.

Рис. 9.4. Схема установки периодического действия приготовления ЖСС

Учитывая то, что жидкая самотвердеющая смесь обладает по­вышенной прилипаемостью и хрупкостью, при изготовлении стерж­невой и модельной оснастки необходимо предусматривать повы­шенные формовочные уклоны, тщательно выполнять галтели и отъ­емные части, а также особое внимание уделять отделке рабочей по­верхности стержневых ящиков и моделей. Для устранения прилипаемости ЖСС к модельной и стержневой оснастке их поверхности перед соприкосновением со смесью следует покрывать как полупо­стоянными, так и разовыми разделительными составами. Из полу­постоянных покрытий лучшими являются химически стойкий лак ХСЛ на основе перхлорвиниловой смолы и полиуретановый лак УР-24. Из разовых разделительных покрытий лучшие результаты Дают водные растворы эмульсола в соотношении 1:1, мазута с керо­сином и серебристым графитом (1:1:0,5), жирового гудрона с керо­сином или соляркой (0,3:1) и др.

Получение стержней и форм из ЖСС сводится к простой опера­ции заливки смеси в стержневой ящик или на модель, находящуюся в опоке. Смесь напивают с избытком для компенсации небольшой усадки, происходящей при отверждении смеси вследствие гашения в ее объеме пены. После начала твердения излишек смеси срезают и спустя 35-50 мин с момента заливки производят раскрытие стерж­невых ящиков или извлечение моделей. Каркасы проставляют в стержневые ящики до заливки смеси или погружают в нее сразу по­сле заполнения ящика смесью.

В тех случаях когда это возможно, стержни из ЖСС следует де­лать пустотелыми, а при изготовлении форм целесообразно пользоваться профильными опоками или жакетами. Средние и крупные формы рекомендуется изготавливать двухслойными, состоящими из облицовочной и наполнительной ЖСС, отличающейся пониженным расходом жидкого стекла.

Для более качественного заполнения жидкоподвижной смесью стержневых ящиков и опок средних размеров следует применять кратковременную в течение 10-20 с вибрацию при частоте 10-30 кГц и амплитуде колебаний 0,1-0,5 мм.

Стержни и формы из ЖСС обладают повышенной пористостью поверхности, поэтому их следует тщательно окрашивать противо­пригарными покрытиями. Если используются водные краски, то необходимо осуществлять подсушку окрашенных форм и стержней при температуре 200-250 °С в течение 30-120 мин в зависимости от их размеров.

При изготовлении крупных (массой до 50-70 т) единичных отли­вок (шестерен, плит, гребных насосов и др.) целесообразно исполь­зовать так называемые цементные ПСС, основой которых является Ц песок, а связующим - цемент.

К преимуществам песчано-цементных форм относятся: возможность получения отливок с повышенной точностью размера; устранение процесса сушки форм; увеличение производительности труда за счет уменьшения длительности (примерно на 30%) уплотнения формы; отсутствие необходимости укрепления формы шпильками и гвоздями; уменьшение брака отливок по засорам, обвалам и газовым раковинам и др. Эти преимущества обусловливаются главным образом физико-механическими свойствами смесей: самозатвердеванием при выдержке на воздухе, высокой прочностью на сжатие, высокой газопроницаемостью и текучестью и др. В составы песча­но-цементных смесей входят свежий кварцевый песок (20-50%), оборотная цементная смесь (60-50%), портландцемент (7-10%) и вода (8%). Прочность смеси перед заливкой формы расплавом обычно составляет 0,8-1,5 МПа.

Самоотвердение песчано-цементных смесей обусловливается про­цессом образования гидрата извести Са(ОН)₂ в результате распада дисперсных клинкерных частиц цемента при его соприкосновении с водой. Этот процесс протекает по реакции

Оптимальная температура твердения - гидратация цементно-песчаных смесей - равна 16-18 °С. Песчано-цементные формы изго­товляются по моделям или шаблонам с уплотнением смесей вруч­ную или на формовочных машинах.

Основным недостатком цементных смесей является большая длительность процесса их отверждения (до 2-3 сут), что не позволя­ет широко внедрить эти смеси в технологические процессы изго­товления форм и стержней.

Для устранения этого недостатка можно вводить в состав це­ментных ПСС водорастворимые гидролизные сахара (ВГС), кото­рые не только ускоряют процесс отверждения, но и обеспечивают повышение прочностных свойств смесей. Весьма важным положи­тельным свойством цементных смесей в отличие от жидкостекольных является их облегченная выбиваемость из отливок.

Положительные качества песчано-цементных смесей с ВГС по­зволили успешно использовать их в литейных цехах. Например, в ПО «Петрозаводскбуммаш» цементные ПСС применяют для изго­товления форм и стержней при получении чугунных и стальных отливок массой от 7 до 14 т.

Весьма перспективными с точки зрения высокой прочности, не­токсичности, легкой выбиваемости из отливок являются фосфатные ПСС. Фосфатное связующее представляет собой гетерогенную сис­тему, состоящую из двух компонентов: порошка, обладающего ос­новными свойствами, и кислоты. Химическое взаимодействие меж­ду ними приводит к самозатвердеванию смеси на воздухе. Продукты реакции - гидраты солей ортофосфорной кислоты - обладают связующими свойствами и в затвердевшем состоянии представляют собой неорганические полимеры.

Наиболее эффективными являются магний фосфатные смеси, ис­пользуемые ПО «Ижорский завод» для изготовления форм и стерж­ней при получении средних и крупных стальных отливок с толщи­ной стенок 300 мм и массой до 60 т. В табл. 9.9 приведены составы и свойства магний фосфатных смесей. Смесь 1 применяют для сред­них стальных отливок с тощиной стенки 60-150 мм, смесь 2 - для крупных массивных стальных отливок с толщиной стенки 300-600 мм, смесь 3 - для средних и крупных чугунных отливок с толщиной стенки 50-120 мм. Формы и стержни из фосфатных смесей изготав­ливают традиционными способами, после отверждения окрашива­ют, подвергают поверхностной подсушке аналогично тому, как это было описано при использовании жидкостекольных ПСС.

Таблица 9.9 Составы и свойства магнийфосфатных смесей

Компоненты	Содержание компонентов (масс. %) в смесях №
	1	2	3
Кварцевый песок	100	100	100
Пассивированный металлургиче­ский порошок	1,2-1,6	-	-
Плавленый магнезит	-	1,1-1,3	-
Магнезитохромит	-	-	6,0-7,0
Ортофосфорная кислота	6,0-7,0	2,0-2,2	5,0-6,0
Свойства смесей
Живучесть, мин	14-16	35-40	10-12
Прочность при сжатии, МПа, через: 1 ч твердения 4 ч твердения 24 ч твердения	0,8-1,0 2,0-2,2 3,0-3,2	0,7-0,8 2,5-2,8 5,0-5,6	0,7-0,9 1,9-2,1 2,7-3,0

В настоящее время из класса ПСС широкое применение имеют жидкостекольные смеси с жидкими отвердителями сложноэфирного типа, которые содержат пониженное количество связующего (3.5-4,0%), легко уплотняются вибрацией, позволяют получать широ­кий диапазон значений живучести, имеют высокую прочность после отверждения и хорошую выбиваемость из отливок. Как уже отмеча­лось в 4.2, к классу жидких отвердителей жидкостекольных смесей относятся сложноэфирные материалы, наиболее часто из которых применяют пропиленкарбонат и ацетат этиленгликоля. Типовой состав такой ПСС включает в себя (масс. %): обогащенный кварцевый песок -100; жидкое стекло (т = 2,35...2,45, р = 1450...1480 кг/м³) - 3,0-3,5; жидкий отвердитель - 0,3-0,4. Такая смесь приготавливается, как правило, в лопастном смесителе и имеет связующие физико-механические свойства: живучесть 6-15 мин; прочность при сжатии, МПа: через 1 ч твердения - 0,6-1,0; через 3 ч твердения - 1,2-1,6; через 24 ч твердения - менее 0,2%. Механизм отверждения жидкостекольных ПСС с эфирными отвердителями описывается химиче­скими реакциями (4.29) и (4.30).