2.3 Исходные формовочные материалы

2.3.1 Зерновой наполнитель – формовочный песок является основной составляющий формовочных и стержневых смесей, применяемых в литейном производстве. Огнеупорные наполнители формовочных и стержневых смесей разделяют на кварцевые и не кварцевые (высокоогнеупорные). Кварцевые применяют для получения отливок мелкого развеса из чугунов и литейных сталей. Не кварцевые, ввиду более высокой огнеупорности, для средних и крупных отливок из чугунов, а также отливок любого развеса из легированных сталей. Основу кварцевых песков составляет кварц (SiO₂), его доля в обогащенном формовочном песке может достигать 98,5%. Плотность кварца 2,65 г/см³, твердость по шкале Мооса 7, температура плавления 1713^оС.

Зерна кварца могут иметь различную окраску, обусловленную малыми количествами примесей. Примесями в кварцевых песках являются: полевые шпа­ты, среди которых различают:

-калиевые полевые шпаты (К₂0- А1₂0₃ 6Si0₂);

- слюды, присутствующие в песках в виде блестящих темных или серебристых чешуек. Наиболее распространены слюды: мусковит - белая калийная слюда (K₂0 3Al₂0₃ 6Si0₂ 2H₂0) и био­тит - черная железомагнезиальная слюда (K₂0 6(Mg, Fe)0 Al₂O₃ 6Si0₂ 2Н₂0);

- гидрооксиды железа (Fe₂O_3, FeS₂ и др.) в виде тонких пленок на поверхности зерен песка;

-карбонаты ( CaCO_3, MgCO_3, FeCO₃ ), которые, разла­гаясь при значительно более низких температурах, чем температура зали­ваемого металла, выделяют углекис­лый газ, что может привести к обра­зованию газовых раковин.

Полевые шпаты и слюды содержатся в некоторых песках в значительных количествах (до 15%). Из-за 6олее низкой, чем у кварца, температуры плавления и взаимодействия с оксида­ми расплавленного металла эти при­меси вызывают образование пригара на отливках. Гидроксиды железа суще­ственно снижают адгезионную способность поверхности песка и придают ему желтую или буроватую окраску. Карбонаты, разла­гаясь при значительно более низких температурах, чем температура зали­ваемого металла, выделяют углекис­лый газ, что может привести к обра­зованию газовых раковин. В качестве примесей в формовочных песках также встречаются глинистые минералы каолинит и монтмориллонит. Поскольку все примеси значительно ухудшают свойства огнеупорного наполнителя, в последнее время все больше применяют обогащенные формовочные пески с минимальным содержанием примесей.

2.3.2 Высокоогнеупорные формовочные материалы.

Для получения крупных чугунных и стальных отливок с чистой по­верхностью вместо кварцевых песков применяют другие высокоогнеупорные материалы - хромит, хромомагнезит, циркон, дистен-сил­­ли­манит, шамот. Эти материалы имеют более высокие теплофизические свойства (табл.2.1) и меньшую склонность к физико-химичес­кому взаимодействию с расплавами железа и его оксидов, поэтому позволяют получать чугунные и стальные отливки с более чистой поверхностью.

. Хромит FеO Cr₂O₃ относится к груп­пе хромшпинелидов (табл 2.2) и является широко распространенным природным сырьем. Хромитовый песок получают путем размола и рассева руды хромистого железняка. Температура плавления хромита (при содержании Cr₂O₃ до 40%) не превышает 1800°С, плотность в пределах 3760– 4280 кг/м³.При относительно высокой темпе­ратуре плавления хромитовый песок имеет низкую температуру спекания (1100°С), а

Теплофизические свойства высокоогнеупорных материалов Таблица 2.1

Материал	Температура плавления, °С	Тепло- аккумулирующая способность, Дж/(м2·с1/2·К)	Температурный коэффициент расширения (К1) в интервале 300–1000°С		ρ,кг/м3
			объемного	линейного
Кварцевый песок SiO2	1550–1713	1260	1,54	13,7·10–6	2650
Дистен-силлиманит Al2O3·SiO2	1800–1830	1470	0,43	–	3250
Циркон ZrO2·SiO2	2600	1820	0,16–0,63	5,5·10–6	4570
Рутил TiO2	1560–1570	1960	0,25–0,92	–	4200–4300

Окончание табл. 2.1

Материал	Температура плавления, °С	Тепло- аккумулирующая способность, Дж/(м2·с1/2·К)	Температурный коэффициент расширения (К1) в интервале 300–1000°С		ρ, кг/м3
			объемного	линейного
Хромомагнезит MgO·Cr2O3	2000–2100	2100	0,8–0,9	–	3900
Хромит FeO·Cr2O3	1600–1800	2380	0,7	–	3760–4280
Магнезит MgCO3	2000–2800	–	–	13,5·10–6	2900
Оливиниты, дуниты (Mg,Fe)2SiO4	1830–1750	–	–	–	3200–3500
Шамот (40% Al2O3, остальное SiO2)	1580–1750	–	–	(4,56,0)10–6	3000
Муллит 3Al2O3  2SO2	1810	–	–	–	3030

смеси на его основе обла­дают высокой прочностью при тер­мическом ударе.

Благодаря высокой теплопроводности хромита зона кон­денсации влаги в сырой форме на его основе образуется на значительно большей глубине, чем в смесях на кварце­вом песке.

Хромит инертен к оксидам железа при высоких температурах в любой газовой атмосфере, плохо смачивается жидким металлом, имеет высокую теплоаккумулирующую спо­собность. Все эти факторы при из­готовлении крупных стальных отливок способствуют предотвращению обра­зования химического и механического пригара, ужимин, улучшают условия кристаллизации металла. Xромитовые пески нельзя смеши­вать с кварцевыми во избежание об­разования пригара на отливках.

Характеристика природных огнеупорных материалов. Таблица 2.2

Материал	Массовая. доля, %		Плот- ность, г/см3	Твердость по шкале Мооса	Показатель рН	Огнеупор ность, ° С
	Основных компонентов	примесей, до
Циркон ZrO2∙SiO2	67,1 ZrO2 32,9 SiO2	4 CaO 2 Al2O3 0,4 TiO2 0,3 Fe2O3	4,6 - 4,7	7 - 8	6,5 - 7	2430 - 2450
Дистен-силлиманит Al2O3 ∙SiO2	63,1 Al2O3 36,9 SiO2	1 TiO2 3,0 Fe2O 0,2 CaO 0,2 Na2O+K2O	3,5 - 3,7	5 - 7	5,7	1880
Оливин MgO∙FeO∙SiO	45-50 MgO 40-43 SiO2 8-12 FeO	2,0 Al2O3+ +Cr2O3+CaO	3 -3,5	6,5 - 7	9,8	1890
Хромшпине- лиды (Mg, Fe2+) ∙(Cr,Al, Fe2+)2O4	18–62 Cr2O3 4-33 Al2O3 10–30 Fe2O3 2-18 FeO 6-16 MgO	2 TiO2 1 MnO 0,2 V2O3	4 - 4,8	5,5 - 7,5	8	1600 - 2000
Ставролит Fe(OH)2∙2Al2SiO5	55,9 Al2O3 26,3 SiO2 15,8 Fe 2,0 H2O	0,5 TiO2 2,0 Fe2O3	3,65 - 3,74	7 - 7,5	6	1700

Магнезит. 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.

Хромомагнезит. 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. Циркон имеет высокую огнеупорность – не ниже 1600°С, 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.

Оливин. Температура плавления оливина зависит от соотношения содержания оксидов магния, железа и содержания кварца. Температура плавления форстерита MgО·SiО₂ – 1900°С, фаялита – 2FeO·SiO₂ – 1200°С. Поэтому оливин необходимо применять с минимальным содержанием оксидов железа и не смешивать с кварцевым песком. Нежелательной примесью в оливине яв­ляется серпентин 3MgO·2SiО₂·2Н₂О. 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.

Шамот. 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.