Материаловедение и технология конструкционных материалов

после чего определяет литейные уклоны и рассчитывает литнико­ вую систему. Таким образом получают чертеж отливки, который служит основой для разработки чертежей модели и стержневых ящиков, по которым изготавливается так называемый модель­ ный комплект (рис. 13.1). Для изготовления формы и стержня кроме модельного комплекта нужна формовочная и стержневая смеси. Их изготавливают из соответствующих компонентов в сме­ сителях.

б

о ИТ

С| - ■•вф

Рис. 13.1. Модельный комплект:

а — эскиз детали; б — модель; в — стержневой ящик; г — отливка

Общая схема последовательности операций по изготовлению отливки показана на рис. 13.2. На модельную плиту устанавли­ вают модель и опоку, после чего слоями засыпают и уплотняют формовочную смесь. После завершения набивки опоку повора­ чивают, извлекают из нее модель и получают полуформу. Таким же образом изготавливают и вторую половинку формы. Стерж­ невой ящик используют для получения стержня, образующего внутреннюю полость отливки. Как правило, после извлечения из стержневого ящика стержни подвергают сушке, а формы по­ даются на сборку сырыми. На следующем этапе форму собирают, для чего в нижнюю полуформу устанавливают стержень и за­ крывают верхней полуформой. Затем в зазор между стержнем и формой через литниковую систему заливают расплавленный металл, который плавят одновременно с изготовлением формы. Залитая форма выдерживается некоторое время, чтобы дать возможность металлу закристаллизоваться и охладиться до за­ данной температуры, после чего происходит выбивка отливки

а

б

t

Рис. 13.2. Последовательность операций изготовления отливки:

о — изготовление модельного комплекта; б — приготовление смесей; в — изготовление формы; г — изготовление стержня; д — сборка и заливка формы; е — выплавка сплава; ж — выбивка формы; з — удаление стержня; и — обрубка литников; к — очистка

из формы. Затем из отливки выбивают стержень, обрубают лит­ ники и очищают отливки от пригоревшего к поверхности песка.

Теперь рассмотрим каждый из этих этапов более подробно.

Формовочные и стержневые смеси и их приготовление

Для изготовления форм и стержней используют специально приготовленные из формовочных материалов смеси. Основны­ ми исходными материалами являются песок и глина, но кроме них используют связующие вещества и добавки. Кроме исход­ ных материалов для приготовления формовочных смесей широ­ ко используют оборотные (бывшие в употреблении) смеси.

Качество отливок непосредственно связано со свойствами смесей. Существует большое количество различных критериев оценки качества смесей, но основными считают прочность,

газопроницаемость, противопригарность, пластичность и подат­ ливость.

Различают два способа оценки прочности смесей: на сжатие — для сырых форм и на растяжение — для сухих форм и стержней. В обоих случаях по оговоренной стандартом технологии приго­ тавливают образцы и испытывают их на лабораторных установ­ ках. Предел прочности на сжатие составляет 1...10 Па для сырых смесей и после сушки повышается на порядок, что связано с упроч­ нением пленки связующих веществ, обволакивающих песчинки. Прочность смесей зависит от содержания влаги, количества и типа связующего вещества, степени уплотнения и, в меньшей степени, от зерновой структуры песка, качества перемешивания и т.д. При низкой прочности смесей формы и стержни не выдерживают динамического удара струи заливаемого в форму металла или статического давления столба расплавленного металла, в резуль­ тате чего происходит их разрушение, что в итоге приводит к появ­ лению брака в отливках.

Газопроницаемость характеризует способность смеси про­ пускать через толщу формы или стержня образующиеся в них газы. При низкой газопроницаемости газы, образующиеся при испарении влаги или в результате выгорания связующих мате­ риалов, поступают в заливаемый металл, вызывают его вскипа­ ние и образование в отливках газовых раковин. Газопроницае­ мость зависит от влажности смеси, размеров и однородности зерен песка, степени уплотнения и содержания глины. Она определя­ ется путем измерения времени прохождения стандартного объема воздуха через образец, условия изготовления которого регламен­ тированы стандартом.

Противопригарность — это способность смеси не оплавлять­ ся, не спекаться под воздействием расплавленного металла и не образовывать с его оксидами химические соединения, которые способствуют образованию на поверхности отливок (пригара) — трудноудаляемого металлокерамического слоя. Для борьбы с при­ гаром стараются создать в полости формы восстановительную атмосферу, добавляя в состав смесей мазут или каменноугольную пыль. Чтобы исключить механическое проникновение расплава в поры смеси, поверхность стержней окрашивают, а рабочую полость припыливают огнеупорными припылами.

Пластичность необходима смеси для обеспечения четкого отпечатка модели в форме. При высокой пластичности смесь

в процессе уплотнения перемещается не только в направлении приложения силы, но и перпендикулярно ему, что обеспечивает заполнение углов формы. На пластичность влияет количество влаги и глины, а также зерновая структура песка.

Податливость — способность смеси сокращаться в объеме под действием сжимающих усилий отливки при ее усадке в про­ цессе охлаждения. Низкая податливость приводит к возникно­ вению напряжений в отливке и даже появлению в ней трещин. Податливость связана с потерей смесью прочности при прогреве от отливки, а также с ее пористостью, зерновой структурой и наличием специально вводимых добавок (древесных опилок).

Основа любой смеси — пески, глины и связующие добавки. Формовочные пески делят на классы в зависимости от содер­ жания в них глинистой составляющей и примесей, а также на группы — в зависимости от размера основной фракции. Основной составляющей песка является кремнезем Si02, но в виде приме­ сей он может содержать каолин, слюду, полевой шпат, оксиды железа, магнезит и т.д. Для приготовления огнеупорных обли­ цовочных смесей и стержневых красок используют шамот, оливинит, цирконовый концентрат и другие материалы.

Формовочные глины служат минеральным связующим

вформовочных смесях. Их классифицируют по минералогиче­ скому составу, прочности, огнеупорности и пластичности. По ми­ нералогическому составу глины подразделяют на каолиновые

(A1Z 3 ■2Si02 • 2Н20), бентонитовые (А120 3 • 4Si02 • Н20 • 2Н20) и полиминералъные. Бентонитовые глины обладают более высо­ кой способностью к набуханию и более высокой прочностью по сравнению с другими. Как связующий материал глина обладает рядом недостатков. Высокая прочность смеси может быть полу­ чена только в том случае, когда она содержит большое количество глины, а это снижает газопроницаемость .и способствует образова­ нию пригара на поверхности отливок. В связи с этим содержание глины в смесях ограничивается, а для обеспечения требуемых свойств в них вводят специальные связующие добавки.

Эти добавки делят на три класса. К классу А относят органиче­ ские связующие, нерастворимые и несмачиваемые водой, к клас­ су Б — органические связующие, растворимые или смачиваемые водой, и к классу В — неорганические связующие, растворимые водой в незатвердевшем состоянии (жидкое стекло). Основной характеристикой связующих является их удельная прочность

при растяжении сухого образца, т.е. прочность в расчете на 1 % связующего. Широкое распространение в качестве связующих находят синтетические смолы, смолосодержащие продукты (пеки) и их смеси с органическими водными материалами, а также коллоидные растворы органических веществ (сульфид­ ная патока, декстрин).

Особенно перспективно введение в состав смесей синтетиче­ ских смол, способных к отвердеванию в холодной или нагреваемой оснастке. Для холоднотвердеющих смесей широко применяются смолы на карбомидофурановой (БС-40), карбомидоформальдегидной (КФ-Ж), фенолформальдегидной (ОФ-1) и фенолфурановой (ФФ-1Ф) основе, которые растворяются в фуриловом спирте и отвердевают в стержневых ящиках при добавке 0,7... 1,0 % ортофосфорной кислоты. Содержание смолы в смеси обычно не превышает 2 %.

Горячетвердеющие смеси не нуждаются в катализаторе, но требуют применения нагреваемой оснастки. Типичным пред­ ставителем термореактивной смолы является пульвербакелит, который в виде пудры или раствора вводится в состав стержне­ вой смеси в количестве 3...5 %.

Состав формовочных смесей определяется маркой литейного сплава, массой отливки, спрсобом изготовления форм, массово­ стью производства и другими факторами. Смеси бывают едиными

(в массовом производстве), облицовочными и наполнительными

(в мелкосерийном производстве крупных отливок). Облицовоч­ ной смесью высокого качества обкладывают модель, а все осталь­ ное пространство опоки заполняют низкокачественной наполни­ тельной смесью, изготовленной из оборотной смеси и не содер­ жащей в качестве крепителя других связующих, кроме глины. Типичный состав единой смеси для сырых форм: свежий песок — 5... 15 %, каменноугольная пыль — 0 ,5 ... 1,5 %, глина — 8...19 %, связующие добавки типа сульфидно-спиртовой барды — 0,5 %, остальное — бывшая в употреблении оборотная смесь. Естественно, облицовочная смесь содержит больше свежего пес­ ка, угольной пыли и специальных добавок.

К стержневым смесям предъявляют более высокие требова­ ния, чем к формовочным, так как во время заливки форм и ох­ лаждения металла стержни со всех сторон окружены расплавом и испытывают высокие статические, динамические и термиче­ ские нагрузки. Стержни разделяют на классы в зависимости от

сложности конфигурации, наличия тонких сечений и количест­ ва стержневых знаков. Для каждого из классов разработаны ти­ повые смеси, для которых строго оговорены количество свежего песка, наличие оборотной смеси, тип и количество связующего, содержание глины, использование специальных добавок (опи­ лок, солей, асбестовой крошки и др.).

Круговорот смеси в литейном цехе и оборудование, применяе­ мое для подготовки исходных компонентов, представлены на схеме, приведенной на рис. 13.3. После выбивки залитых форм на выбивной решетке 1 оборотная смесь для разрушения комьев пропускается между валками 2 и подается на магнитный сепа­ ратор 3, где из нее извлекают куски металла, попавшие в смесь при выбивке форм. Затем смесь просеивается на полигональных ситах 4 и подается в бункеры 5, установленные над смесителем 6. Наиболее часто для перемешивания компонентов смеси применя­ ются бегуны с вертикальными или горизонтальными (маятнико­ вого типа) катками. На схеме показаны бегуны с вертикальными катками. Свежий песок со склада сушится в барабанных суши­ лах 7, просеивается на ситах 8 и засыпается в бункеры 5, откуда через дозирующее устройство периодически засыпается в сме­ ситель. Глина перемешивается с водой в лопастных смесителях 9 и в виде эмульсии через насос 10 подается по мере надобности в смеситель 6. Готовая формовочная смесь выдерживается в бун­ керах-отстойниках 11 с целью усреднения влаги, после чего раз­ рыхляется в аэраторах 12 и по транспортерам подается в бун­ керы 13, установленные над формовочными машинами. Залитые формы подаются на выбивную решетку 1, и круговорот смеси повторяется.

Следует отметить, что для стержневых смесей схема подго­ товки исходных материалов проще, так как в их состав не вхо­ дит оборотная смесь. Для их приготовления используют свежий сухой песок и крепители, которые перемешивают в смесителях. Для холоднотвердеющих смесей катализаторы (ортофосфорную кислоту) вводят в смесь непосредственно перед заполнением стержневого ящика, для чего ее дополнительно перемешивают

скатализатором в лопастных или шнековых смесителях.

Вмелкосерийном производстве крупных отливок широко применяются жидкие самотвердеющие смеси различных соста­ вов. В состав наиболее ходовой смеси входит 5 % белого ферро-

хромового шлака, 5 % жидкого стекла, 0,5 % пенообразователя (ДС-РАС, контакт Петрова), 0,1 % стабилизатора пены (асидол, мылонафт), 1,5 % воды и сухой песок. Отвердение смеси проис­ ходит благодаря взаимодействию (Ca0)2Si02, входящего в белый шлак, с жидким стеклом (раствор Na20 • mSi02). Поверхностно­ активный пенообразователь вводят для образования пузырьков пены, которые снижают коэффициент трения между зернами песка и способствуют его легкому перемещению, т.е. обеспечи­ вают жидкоподвижность смеси, вследствие чего она легко за­ полняет стержневые ящики и не требует уплотнения.

13.4. Изготовление форм вручную

В литейном производстве свыше 20 % отливок получают в фор­ мах, изготовленных вручную. Этот метод предусматривает уплот­ нение формовочной смеси пневматическими трамбовками в опо­ ках, почве (в полу литейного цеха), кессонах — ямах, выложенных кирпичом. При этом могут быть использованы разъемные и не­ разъемные модели, шаблоны, скелетные модели и образцы де­ талей.

Последовательность операций изготовления формы по двух­ сторонней разъемной модели методом ручной формовки показа­ на на рис. 13.4. Модельную плиту 2 с моделями низа 3 и верха 4 устанавливают на одну из опок 1, после чего накрывают второй опокой 5. Модель низа припыливают разделительным слоем 6, в качестве которого может использоваться каменноугольная пыль, молотый кварцевый песок, тальк. Иногда ее опрыскивают через пульверизатор керосином или разведенным мазутом. Затем в верх­ нюю опоку слоями засыпается и утрамбовывается пневматиче­ скими или ручными трамбовками 8 формовочная смесь 7. Верхний слой смеси срезают до верхнего уровня опоки и с помощью средств механизации поворачивают всю систему в сборе на 180°. На штырь шлакоуловителя устанавливают стояк с литниковой чашей 9, при­ пыливают модель и заполняют опоку верха, уплотняя формовоч­ ную смесь слоями. Затем поднимают полуформу верха, удаляют из опоки низа модель с модельной плитой, а из опоки верха — элементы модели литниковой системы. При необходимости от­ делывают полуформы, исправляя в них дефекты, и приступают

к сборке формы. В процессе сборки в полуформу низа устанав­ ливают отдельно изготовленный и высушенный стержень 10, после чего ее закрывают полуформой верха, скрепляют опоки (или форму нагружают грузом) и заливают расплавленным ме­ таллом. После затвердевания металла и охлаждения отливки до определенной для каждого сплава температуры форма разруша­ ется, отливка подается на обрубку и очистку, а опоки — на по­ вторный цикл формовки.

ЯШ Машинная формовка

Машины позволяют механизировать операции уплотнения формовочной смеси, удаления модели из формы, а для опок низа — поворот полуформы. Механизация процесса формовки улучшает качество и равномерность уплотнения смеси, точность размеров отливки, повышает производительность и облегчает условия труда. Машинная формовка предполагает раздельное изготовление полуформ на разных машинах и их сборку на про­ межуточном конвейере или плацу. Иногда в массовом производ­ стве мелких и средних отливок применяют безопочную формовку. Вернее, формовка осуществляется в опоках, которые удаляют­ ся после сборки форм.

По методу уплотнения формовочной смеси различают следую­ щие типы формовочных машин: прессовые, встряхивающие, пескометы, пескодувные, пескострельные, импульсные, вакуум­ ные, специальные и комбинированные (пескодувно-прессовые, гравитационно-прессовые и др.). Выбор типа машины определя­ ется размерами и конфигурацией отливки, серийностью произ­ водства и традиционными особенностями сложившегося на заводе технологического процесса. В целом же считается, что прессо­ вый, пескодувный и пескострельный типы машин применяются для мелких отливок, хотя прессование под высоким давлением может быть использовано для средних и даже крупных форм. Встряхивающие машины и импульсная формовка обычно при­ меняются для средних по размеру форм. Крупные формы наби­ вают пескометом.

Прессовые машины бывают нескольких разновидностей. Наиболее часто применяют машины с верхним и нижним прес­