Литье в песчанные формы (курсовой проект) / Свойства смесей. Методы испытаний

ФОРМОВОЧНЫЕ И СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМЕСЕЙ И МЕТОДЫ ИХ ИСПЫТАНИЙ

Прочность формы, стержня или образца для испытаний – это их способность сопротивляться разрушению или необратимому деформированию под действием внешних статических или динамических нагрузок или температурных напряжений.

В формовочных и стержневых смесях прочность связующего значительно меньше прочности основного материала - огнеупорного наполнителя (предел прочности кварца при сжатии составляет 2280-2800 МПа, при растяжении - 85-120 МПа, при изгибе - 92-180 МПа). Поэтому прочность указанных смесей определяется двумя параметрами: σ, МПа

- индивидуальной прочностью связи между зернами наполнителя в зоне контакта

N, 1/ см³

- числом реализованных контактов, т.е. контактов, которые осуществляются через пленку связующего.

В силу неоднородности размеров и неопределенности геометрии зерен обе названные величины могут оцениваться только статистически.

Так, например, при уменьшении размеров зерен, которые оцениваются по d_ср (мм), число контактов увеличивается. Для монофракционных песков имеем следующую зависимость:

dср , мм	0,1	0,16	0,2	0,315	0,4
N*10-5,1/см3	37,8	9,2	4,7	1,4	0,5

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЧНОСТЬ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ

Прочность должна быть достаточной, чтобы обеспечить получение, транспортировку, хранение, сборку форм и стержней без повреждений или разупрочнений.

Таблица 1 – Примерные показатели минимальной прочности форм

Тип смеси	Производство	σсж, МПа
Песчано-глинистые для сырой формовки	Массовое	0,06-0,20
	Единичное или серийное	0,06-0,10
ХТС или смеси с тепловой сушкой	Единичное или серийное	1,00-2,00 (облицовочная)
		0,05-0,80 (наполнительная)

Основными технологическими факторами, влияющими на прочность, являются:

- состав и гранулометрия наполнителя;

-состав и свойства связующей композиции;

- степень уплотнения.

На рисунках 1,2 приведены зависимости прочности песчано-глинистых смесей от содержания глины, влажности, работы уплотнения.

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

n - число ударов копра

Рисунок 1 - Зависимость σ_сж и σ_р песчано-глинистых смесей от степени уплотнения при влажности W,%: 1-2,4%; 2-2,8%; 3-3,2%; 4-4,4%

Рисунок 2 - Влияние влажности - W и содержания

бетонита на прочность формовочной смеси

Методы испытаний технологических свойств смесей изложены в ГОСТ 23409.0 – 78 – ГОСТ 23409. 26 – 78

Схема определения прочности формовочной смеси

Прочностью формовочной смеси называют предел прочности при разрушении стандартного образца при выбранном виде нагружения.

Вид испытания	Размеры образца	Смеси
Сжатие		Сырые песчано-глинистые; ХТС(холоднотвердеющие смеси), отверждаемые тепловой сушкой
Растяжение		Сырые песчано-глинистые, отверждаемые в нагретой оснастке и ХТС, отверждаемые тепловой сушкой
Изгиб	Сечение – квадрат 25х25 мм Длина 200 мм	ХТС и смеси, отверждаемые в нагретой оснастке
Раздавливание		Сырые песчано-глинистые
Срез		ПГС и ХТС

Для стандартных испытаний уплотнение образцов из сырых песчано-глинистых смесей проводится тремя ударами копра ( m_груза =6,35 кг, H _{падения груза}= 50 мм).

Образцы из ХТС уплотняются вручную; из ЖСС – затвердевают без специального уплотнения под постоянным давлением; из смесей, отверждаемых в нагретой оснастке – с пескодувным уплотнением.

Показатели уплотнения ХТС сопровождаются указанием времени выдержки образцов от изготовления до испытания, обычно 1, 2, 3, 4, 24 ч. Для смесей, отверждаемых в нагретой оснастке определяется σ_гор – «горячая прочность» и σ_хол –«холодная прочность».

Твердость – свойство уплотненной смеси сопротивляться деформированию при внедрении в нее индентора (шарикового или ножевого наконечника твердомера). Твердость - косвенный показатель прочности и под влиянием технологических факторов изменяется в том же направлении, что и прочность.

Определяется твердость на поверхности формы или стержня. Без разрушения позволяет оценить прочность путем сравнения с критериями, выработанными практикой для данного технологического процесса.

Твердость форм из песчано-глинистых смесей определяется прибором, индентором которого является шарик, который вдавливается на глубину 0 – 2,5 мм. Твердомер прижимают к поверхности образца или формы до тех пор, пока ее не коснется вся опорная плоскость прибора. Шкала прибора имеет 100 делений. В зависимости от вида сплава, массы отливки и других факторов твердость должна быть в интервале от 70-90 ед.

Для определения твердости форм, изготовленных под высоким давлением, имеется твердомер со шкалой 65-100 ед., индентором является конус с углом 120°.

Для определения твердости прочных форм служит прибор с индентором в форме острого диска, глубина погружения которого 0 – 2,5 мм, шкала 100 делений. При испытании прибор прижимается к поверхности формы и перемещается на расстоянии 85 – 100 мм. Величина твердости соответствует показанию шкалы прибора.

Хрупкость (обратная ей величина пластичность) – характеризует способность формы или стержня деформироваться под нагрузкой без разрушения.

Формовочные смеси являются преимущественно хрупкими материалами. При повышении хрупкости на операциях извлечения стержней из ящиков и протяжки моделей возникают систематические поломки.

Для оценки хрупкости могут служить следующие показатели:

1. Соотношение σ_сж /σ_р

Для сырых песчано-глинистых смесей σ_сж /σ_р = 4 – 12.

Чем выше этот критерий, тем меньше хрупкость. Наименьшее число дефектов наблюдается при σ_сж /σ_р > 10 ÷12.

Для ХТС σ_сж /σ_р понижается по мере отверждения. Прочность повышается, пластичность понижается.

Для песчано-смоляных ХТС критерий изменяется так:

через	1 час	2часа	4 часа
σсж /σр	5,00	3,25	2,45

2. Предельная деформация разрушения при изгибе стандартного образца.

Она измеряется для смесей, имеющих σ_сж > 0,5÷1 МПа.

Для ХТС различных составов:

через 4 часа σ_изг от 0,14 до 0,59 МПа

через 24 часа σ_изг от 0,07 до 0,22 МПа

Определяется на лабораторном прессе.

3. Ударная вязкость, определяется на маятниковом копре на стандартных образцах изгиба.

У песчано-смоляных ХТС 0,05 – 0,10 Дж/см²

4) Для сырых песчано-глинистых смесей. Стандартный образец сбрасывается с высоты 183 см на сетчатую наковальню с размером ячеек 13,2 мм. Остаток разбитого образца, не прошедший через сетку, является мерой пластичности.

Осыпаемость - склонность смеси к разрушению поверхностного слоя при истирании. Является характеристикой поверхностной прочности формы, стержня.

Осыпаемость определяют как потерю массы при истирании цилиндрического образца в течение 1 мин.

Изменение осыпаемости связано с повышением или понижением влажности поверхностного слоя из-за испарения или поглощения влаги гигроскопичным связующим. Скорость этих процессов зависит от влажности смеси, влажности воздуха, температуры.

При влажности воздуха, превышающей 80-85%, влажность смеси в поверхностном слое растет из-за гигроскопичности, поверхностная прочность падает, появляется значительна осыпаемость.

Поверхностная прочность песчано-глинистых смесей при хранении снижается, т.к. в поверхностном слое нарушается оптимальное соотношение глина-вода.

В производственных условиях для стабильной технологии осыпаемость не должна превышать 0,1 - 0,2 %.

Самотвердеющие смеси с жидким стеклом и смолами, как правило, упрочняются при хранении. Повышенная осыпаемость является признаком того, что стержень или форма изготовлены из смеси, частично потерявшей живучесть.

Живучесть – максимальное время хранения готовой смеси без частичной потери общей и поверхностной прочности по сравнению с прочностью, которую имеет смесь, уплотненная сразу после приготовления.

Этим свойством обладают смеси, в которых при хранении могут самопроизвольно протекать процессы физико-химического взаимодействия компонентов друг с другом и с окружающей средой – ХТС, ЖСС, смеси для «горячих ящиков»

Методы определения живучести

1) Определяют прочность в зависимости от времени выдержки готовой смеси в период от смешивания до уплотнения через определенные временные интервалы (3,5,10 мин. и т.д.). За живучесть принимают время выдержки, соответствующее падению прочности не более чем на 15 – 30 %.

Если о живучести судить по поверхностной прочности, то за максимально допустимое следует принять значение осыпаемость 0,15 – 0,20 %.

2) Определяют уплотняемость смеси по изменению высоты образца после уплотнения тремя ударами копра при постоянной массе навески 160 г.

Живучесть находят по точке перегиба на кривой зависимости уплотняемости от времени выдержки, что соответствует потере прочности не более чем на 20- 30 %.

3) Для ХТС с отвердителем живучесть определяют по изменению характеристик тока при постоянном вращении ротора в неуплотненной смеси (рисунок 4).

Рисунок 4 – Графические зависимости для определения живучести ХТС

Сила тока, потребляемая на вращение, пропорциональна изменению тормозящего момента вследствие физико-химических превращений в связующем.

4) Определяют изменение насыпной массы или формуемости в зависимости от времени выдержки неуплотненной смеси. Живучесть находят по точке перегиба на полученной кривой.

Текучесть – характеризует внутреннее трение или сопротивление сдвигу смеси при ее деформации в направлении, перпендикулярном к приложению нагрузки. Применительно к качеству уплотнения текучесть характеризуется способностью смеси уплотняться с максимальной равномерностью степени уплотнения в объеме формы или стержня.

Сопротивление сдвигу S описывается законом Кулона:

S = p· tgφ + c,

где р – нормальное давление; φ – угол внутреннего трения (для формовочных смесей находится в интервале φ = 20 ÷ 50° - связан со свойствами наполнителя); с – связность или сцепление ( зависит от свойств связующего).

Наибольшее влияние на текучесть оказывает сцепление. Отсюда, смеси во влажном состоянии делят на:

а) сыпучие (σ_сж^вл ≤ 0,005 ÷ 0,007 МПа) – для уплотнения достаточно вибрации;

б) пластичные (σ_сж^вл > 0,007 МПа) – уплотнение встряхиванием, прессованием.

Для определения текучести песчано-глинистых смесей наиболее распространен метод Орлова, основанный на определение отношения величин твердости уплотненной прессованием смеси в точках А и Б (рисунок 4).

Уплотняемость – способность смеси повышать объемную массу при заданной работе уплотнения

или способность смеси к формированию прочности в результате уплотнения.

Применяется для технологической характеристики песчано-глинистых смесей, линейно зависит от влажности. Используется для контроля готовности смеси перед выпуском ее из смесителя.

Заполняют гильзу D = 50 мм, Н = 100 мм, уплотняют тремя ударами копра.

Уплотняемость У = ( Н – Н₁) / Н ·100, %, где Н₁ – высота смеси после уплотнения.

Подвижность – для жидкой самотвердеющей смеси (ЖСС) – способность заполнять полости при изготовлении форм или стержней.

Гильзу Ø 100 мм, высотой 150 мм устанавливают на пластину Ø 300 мм с нанесенными на ней концентрическими окружностями (с интервалом 2 мм) заливают смесью, избыток счищают. Гильзу плавно поднимают и определяют диаметр расплыва.

Формуемость (сыпучесть) - способность формовочной смеси уплотняться при заполнении формы свободной засыпкой.

Чем больше влажность, тем выше уплотняемость и ниже формуемость.

Используется для контроля готовности смеси перед выпуском ее из смесителя.

Формуемость определяют путем просеивания смеси в сетчатом барабане, который используется для определения осыпаемости (рисунок 3). Навеску смеси массой m=200 г вращают в барабане в течении 10 сек.

Формуемость рассчитывается по формуле:

Ф = (m₁/ m) ·100, %,

где m₁ – масса навески, прошедшей через сито.

Газопроницаемость – способность уплотненной формовочной смеси пропускать через себя воздух (в реальности - газы, образующиеся при взаимодействии отливки и формы: пары воды; продукты разложения связующего; газы, растворенные в металле).

От газопроницаемости зависит вероятность образования газовых дефектов в отливках. Газопроницаемость увеличивается при высушивании или поверхностной подсушке.

Газопроницаемость испытывается на лабораторной установке и рассчитывается по формуле Дарси:

К=(Q · h)/(F · ∆p · τ), см²/Па · мин,

где Q – объем воздуха, проходящий через образец смеси, см³; h – высота образца, см; F – площадь поперечного сечения образца, см²; ∆p – перепад давления воздуха перед образцом и за ним, х10^-2, Па; τ - продолжительность прохождения объема воздуха Q через образец, мин.

Влажность – определяется содержанием воды, которая в формовочной смеси может быть самостоятельным компонентом связующей композиции (песчано-глинистые, цементные смеси) или входить в состав одного из ее компонентов как растворитель (жидкое стекло, водорастворимые синтетические смолы).

Влажность влияет почти на все технологические свойства.

Существует три вида связи влаги с твердыми компонентами формовочной смеси:

1. Химическая связь (гидратная вода). Для удаления гидратной воды необходимо прокаливание формовочной смеси при температуре 400÷500° С

Навеску смеси массой m = 50 г сушат в сушильном шкафу при температуре Т = 105 ÷110°С в течение τ = 30 мин. и взвешивают.

Влажность рассчитывают по формуле:

W = ((m₁-m₂)/m)·100. %,

где m₁ – масса емкости с навеской до высушивания; m₂ – масса емкости с навеской после высушивания.

Гигроскопичность – способность формовочной смеси поглощать влагу из воздуха с соответствующими изменениями свойств (при хранении).

Поглощение влаги происходит вследствие наличия у связующих сорбционной способности, которой в той или иной степени обладает большинство литейных связующих.

Для определения гигроскопичности образец для определения прочности на изгиб или растяжение выдерживают в закрытой форме из сырой песчано-глинистой смеси. Толщина образца не более 10 мм. После выдержки через заданные интервалы времени (15, 60 мин. и т.д.) образцы испытывают на прочность.

Термические напряжения измеряются на цилиндрических образцах различных размеров путем определения нагрузки, которую необходимо приложить для преодоления расширения образца вдоль оси. Для этой цель служат дилатометры.

По свободному расширению можно судить о склонности соответствующих смесей к термическим напряжениям и связанными с ним дефектами расширения ( трещины, пригар, просечки).

Трещиностойкость можно определить при одностороннем нагреве. Один из методов состоит в регистрации резкого изменения воздухопроницаемости образца в момент образования в нем трещины. Используется для анализа условий образования дефектов расширения.

Г

σ^t_сж, МПа

орячую прочность определяют после выдержки образца при заданной температуре.

^{Податливость — способность литейных форм и стержней перемещаться (деформироваться) под действием сил, возникающих при усадке отливок. Недостаточная податливость приводит к образованию горячих трещин у фасонных отливок. Податливость зависит от структуры смеси, рода крепителя, плотности набивки смеси и др. Наибольшие требования податливости предъявляются к стержневым смесям.}

Податливость – способность уплотненной нагретой смеси деформироваться под определенным давлением.

Она определяет в одних условиях вероятность образования горячих трещин в отливке, в других – размерную точность отливки по внутреннему и наружному контуру.

Податливость является определяющим фактором нарушения геометрии сырой формы, т.к. сжатие формы начинается сразу же в период заливки металла.

Для прочных форм и стержней – сухих и холоднотвердеющих – податливость связана с торможением усадки и, следовательно, образованием горячих трещин в отливке или возникновением напряжений. Чтобы повысить податливость в формовочную смесь добавляют древесные опилки, а в стержневую смесь – выгорающие добавки.

С помощью технологической пробы о податливости судят по наличию трещин или искажению размеров на кольцевой металлической пробе со стержнем из испытуемой смеси.

Остаточная прочность смеси σ⁰ после нагрева и охлаждения характерезует ее выбиваемость.

Газотворность – способность формовочной смеси выделять газы при нагреве вследствие испарения свободной и связанной влаги и образования газообразных продуктов термического разложения связующего.

Газотворность определяется для смесей с органическими связующими.

Податливость — способность литейных форм и стержней перемещаться (деформироваться) под действием сил, возникающих при усадке отливок. Недостаточная податливость приводит к образованию горячих трещин у фасонных отливок. Податливость зависит от структуры смеси, рода крепителя, плотности набивки смеси и др. Наибольшие требования податливости предъявляются к стержневым смесям.

Долговечность — способность формовочных и стержневых смесей сохранять свои свойства после повторных заливок. Вследствие неравномерного нагрева смеси в форме, залитой расплавом, зерна песка в зонах высоких температур испытывают большие внутренние напряжения, что приводит к растрескиванию их и измельчению зернового состава оборотных смесей. Аналогично ведут себя и другие добавки, поэтому песчаная часть смеси при повторных заливках все больше обогащается мелкими фракциями, снижающими газопроницаемость и частично огнеупорность.

Глинистая часть смеси под воздействием высоких температур обжигается (теряет воду), а при повторных использованиях смеси присутствует как неактивное вещество, ухудшая ее свойства.

Текучесть — способность смеси под воздействием внешних нагрузок перемещаться из более уплотненных зон в менее уплотненные. Это свойство смеси имеет большое значение при изготовлении прессованием полуформ.

Выбиваемость — освобождение отливки из опоки и формовочной смеси после полного ее затвердевания и достаточного охлаждения. К трудновыбиваемым относятся жидкостекольные смеси, которые под воздействием высокой температуры спекаются в трудновыбиваемые комки. Выбиваемость смесей улучшают путем ввода специальных органических добавок.

Пластичность — способность смеси деформироваться под воздействием внешней нагрузки без нарушения целостности и сохранять полученную форму после снятия нагрузки. Пластичность необходима для отчетливого воспроизведения отпечатка модели или стержневого ящика. Требуемая пластичность достигается изменением в смеси содержания глины и воды.

Влажность оказывает большое влияние на свойства смеси. Недостаток влаги приводит к снижению прочности смеси и к получению дефектов у отливок из-за осыпаемости стенок формы; избыток влаги приводит к снижению прочности формы и снижению газопроницаемости. Поэтому наибольшее влияние влажность оказывает на качество отливок, получаемых в сырых формах.

Прочность — способность уплотненной смеси сопротивляться внешним усилиям. Прочность смеси нужна для того, чтобы изготовляемая форма не разрушалась при извлечении из нее модели, а также во время ее транспортировки и заливки. При недостаточной прочности смеси может произойти разрушение отдельных частей формы (обвалы), вследствие чего получится искажение конфигурации отливки.

Газопроницаемость формовочных и стержневых смесей — способность пропускать газы благодаря наличию пор между зернами песка. Это свойство смеси необходимо для удаления из полостей формы водяных паров и газов, выделяющихся из самой смеси и из расплава во время заполнения формы и затвердевания отливки.