Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Д.М. Кукуй Н.В. Андрианов

ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ФОРМОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СМЕСИ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для студентов специальности «Машины и технология литейного производства» учреждений, обеспечивающих получение высшего образования

Минск 2 0 0 5

УДК 62/.74 (075.8) ББК 34.61я7

К 89

Рецензенты:

директор Института технологии и металлов НАН Беларуси, чл.-кор., д-р техн. наук, проф.

МАРУКОВИЧ ЕВГЕНИЙ ИГНАТЬЕВИЧ; зав. каф. «Машины и технология литейного пр-ва» Гомельского техн. ун-та, канд. техн. наук, доцент РОВИН ЛЕОНИД ЕФИМОВИЧ

Кукуй Д.М.

К89 Теория и технология литейного производства формовочные материалы и смеси Искусственная сушка горных пород: Учебн. пособие / Д.М. Кукуй, Н.В. Андрианов. – Мн.: БНТУ, 2005. – с.

ISBN 985-479-221-8.

В пособии приведены сведения об исходных материалах для формовочных и стержневых смесей, а также противопригарных покрытий, представлены современные направления синтеза смесей и контроля их качества. На основе существующих теорий пригарообразования рассмотрены различные методы борьбы с пригаром на поверхности отливок из черных и цветных металлов, а также основные экологические показатели литейных цехов в зависимости от вида используемых формовочных и стержневых смесей. Приведены основы процессов смесеприготовления и регенерации формовочных песков.

Издание предназначено для студентов, изучающих литейное производство, а также для аспирантов и инженеров, работающих в данной отрасли.

УДК 62/.74 (075.8) ББК 34.61я7

ВВЕДЕНИЕ

Литейное производство является основной заготовительной базой современного машино-, станко-, автомобиле-, тракторостроения. Сегодня трудно представить отрасли, где отсутствовала бы необходимость в литых изделиях из различных сплавов. Поэтому неудивительно, что в вышеперечисленных отраслях промышленности доля литых изделий составляет 30-90%.

Из всего объема отливок более 80% изготавливается в так называемых разовых формах, для получения которых ежегодно тратится огромное количество самых разнообразных формовочных материалов, влияющих в конечном итоге на качество отливок.

И так было всегда, с первых шагов зарождения одной из древнейших на земле отрасли – литейного производства. Изучение древних цивилизаций, существовавших в различных районах земного шара, показало, что литейное дело было известно человеку более 5 тыс. лет назад. Первые отливки изготавливали из меди и бронзы, используя для плавки обычные костры, а литейные формы изготавливали путем выдалбливания в мягких каменных породах (известняк, песчаник, шифер и др.) полостей для отливки в них топоров, наконечников стрел, различных украшений. Развитие гончарного дела привело к появлению глиняной формы, что позволило изготавливать достаточно сложные отливки, так как с помощью лепки стало возможным усложнить форму литого изделия и даже украсить его орнаментом. В III тысячелетии до н.э. в Закавказье и в долине реки Инд для получения в отливках отверстий и внутренних полостей стали применять стержни, которые также изготавливались из пластичной глины с последующей их прокалкой. Очередным крупным шагом в усовершенствовании литейной формы было применение восковых моделей, которые положили начало современным технологиям изготовления отливок в оболочковых формах.

Изучение жизни и быта древнейших показало, что предки народов СНГ были знакомы с литьем бронзы и меди еще во II тысячелетии до н.э. Особенно большого искусства в изготовлении оружия и украшений из бронзы достигли литейщики народов, заселявших в ХYI в. до н.э. территорию Грузии. Литейщики древнего государства Урарту слыли большими мастерами художественного литья и домашней утвари еще в XI-X вв. до н.э. Большого расцвета достигло литейное ре-

3

месло в IY – III вв. до н.э. в Скифском государстве, где особенно широко применялось литье по выплавляемым моделям для получения художественных отливок и украшений. Скифы применяли и постоянные каменные формы для литья наконечников стрел.

Принятие христианства в X в. послужило новым толчком в развитии литейного ремесла на Руси. При княжеских дворах, в монастырях появились мастерские, где отливали колокола, церковные двери, кресты, подсвечники и другие предметы церковного обихода. Наряду с этим для защиты феодальных княжеств и монастырей изготавливали оружие – топоры, секиры, ножи, наконечники стрел и копий. С образованием Московского государства новое развитие получило производство пушек и колоколов. Именно в это время появились шедевры литейного искусства – «Царь-пушка», отлитая Андреем Чоховым в 1586 г. (масса – 40 т, длина – 5,34 м, масса ядра – 2 т), «Царь-колокол», отлитый отцом и сыном Моториными в 1735 г. (масса – 200 т). Процесс изготовления форм для получения этих отливок уже содержал элементы современных технологий, а именно, специальные формовочные и стержневые смеси, выплавляемые модели, формовку по шаблонам с горизонтальной и вертикальной осями вращения и др. Именно это позволило не только получать высокое качество поверхности литых изделий, но и гарантировать требуемое звучание колоколов.

Дальнейшее развитие литейного производства связано с появлением чугуна, который был известен в Китае более 1000 лет тому назад, а в Европе стал применяться только в XI-XIY веках, когда начали строить маленькие шахтные печи, так называемые домницы. Свидетельством столь давнего использования чугуна в Китае служит дошедшая до нашего времени уникальная чугунная отливка Царя-льва, изготовленная в 954 г. Высота отливки более 5,5 м, длина более 5 м, а масса около 100 т. Между ногами литого гиганта свободно проезжала лошадь, запряженная в телегу.

В начале XYI в. в г.Москве отливали чугунные ядра, а при Иване Грозном началось производство чугунных пушек и колоколов. В Петровские времена была создана чугунолитейная промышленность на Урале, в центральных областях России, вблизи Петербурга. В это же время появились первые чугунолитейные мастерские на территории нынешней Беларуси.

4

Благодаря появлению в конце XYIII – начале XIX в. шахтных печей Батышева (прототип современной вагранки), литейное производство практически отделилось от металлургии и превратилось в заготовительную базу при производстве котлов, паровозов, станочного, кузнечного и прокатного оборудования. В этот период (1873 г.) была изготовлена самая крупная в мире чугунная отливка – шабот кузнечного молота (масса 620 т). Для ее изготовления вокруг формы было построено 14 вагранок, из которых чугун выпускался непосредственно в форму. Отливка остывала в форме 5 месяцев.

XYIII в. вошел в историю развития литейного производства не только как качественно новый этап в организации и изготовлении промышленных отливок. Он заложил основы развития крупного статуарного литья, начало которому положил Петр I, уделявший исключительно большое внимание украшению Петербурга. Для развития художественного литья Петр I приглашал иноземных мастеров, среди которых были Филипп Шпекле и К.Б. Растрелли. В 1764 г. в Петербурге при Академии художеств создается Литейный Дом, где получила образование замечательная плеяда русских мастеров статуарного литья: Василий Можалов, Иван Баженов, Никита Бирюков, Василий Екимов. В.Екимов был одним из выдающихся мастеров и создал шедевры статуарного литья. Это прежде всего памятник великому русскому полководцу А.В.Суворову, отлитый в 1801 г. по проекту М.Козловского, монументальный памятник Минину и Пожарскому по проекту скульптора И.П. Нартоса, поставленный в 1818 г. в Москве на Красной Площади, статуя Самсона по проекту И.Козловского (1801 г.), установленная в Петергофе, и многие другие. Значительное влияние на развитие художественного литья оказал скульптор Э.М.Фальконе – создатель знаменитого "Медного всадника" – конной скульптуры Петра I, над которой он работал в течение 12 лет, с 1766 по 1778 г. Последним талантливейшим скульптором-литейщи- ком при Литейном Доме Академии художеств был П.К. Клодт, создавший множество великолепных скульптур. Среди них памятник Карамзину (1861 г.), установленный в Симбирске, скульптурная группа из четырех коней на Аничковом мосту в Петербурге (1842 г.), памятник князю Владимиру в Киеве (1853 г.) и писателю-баснописцу Крылову в Петербурге (1855 г.) и другие. Всемирную известность русские литейщики приобрели в 1900 г., когда на Всемирной выставке в Париже высшую награду получил литой ажурный павильон, из-

5

готовленный на Каслинском заводе (Урал). Высота павильона 5 м. Сооружение состоят из 10 тыс. литых деталей, сочетавшие мотивы многих национальных искусств. Этот павильон сохранился до сих пор и экспонируется в галерее искусств г. Екатеринбурга. Уникальными литыми скульптурами и решетками славится г. СанктПетербург и его окрестности, а также многие города России и Беларуси. Подобные примеры можно приводить в огромных количествах, но заинтересованным в изучении этого вопроса лучше всего обратиться к интересным литературным источникам [1-4].

Что касается развития литейного производства на территории Беларуси, то, еще во II-III вв. здесь производилось кричное железо, то понастоящему литейные технологии получили развитие в послевоенные годы. Однако началось формирование в республике автомобиле- и тракторостроения. Именно в этот период были построены мощные литейные комплексы Минских тракторного и автомобильного заводов, Гомсельмаша, Гомельского завода "Центролит" и др. Общий объем производства отливок в белорусских литейных цехах в 1980 г. превысил 1,2 млн. т в год, что выводило республику на одно из первых мест в мире по выпуску отливок на одного жителя. Этот относительный показатель характеризует не только энерговооруженность республиканского литейного производства, но и его широкие возможности по изготовлению как литых заготовок, так и самых разнообразных художественных отливок. В настоящее время производственные мощности более чем 70 литейных участков, цехов и заводов республики находятся на уровне 950 тыс. т отливок в год, в том числе чугунных – 700 тыс. т (75%), стальных – 180 тыс. т (19%), отливок из цветных сплавов – 70 тыс. т (6%). Для того, чтобы отливки отечественных производителей были конкурентоспособными не только на рынке СНГ, но

ив дальнем зарубежье, необходимо стремиться к повышению качества

иточности отливок. Качество отливок зависит от двух основных параметров: физико-механических свойств сплавов и точности изготовления формы. Учитывая то, что более 80% отливок изготавливается в разовых песчаных формах с использованием разовых стержней, именно формы и стержни, а также материалы, из которых они изготавливаются, определяют многие качественные показатели отливки: чистоту поверхности, отсутствиедефектов, геометрическуюточностьидр.

Кроме того, в основном формовочные и стержневые материалы формируют экологическую ситуацию как в литейных цехах, так и за

6

их пределами, что накладывает большую ответственность на их выбор и применение в составах смесей. Поэтому изучение материалов, используемых для изготовления формовочных и стержневых смесей, а также теоретических основ формирования их свойств и взаимодействия с расплавомявляется основойобеспечения качества литых деталей.

Для целенаправленного изучения формовочных материалов и контактных процессов на границе раздела «металл – форма» необходимо привлечение основных положений как фундаментальных наук (физики, химии, физической химии, математики, теплофизики) так и прикладных (механики, сопромата, деталей машин и др.). С учетом именно таких положений осуществлено изложение материалов учебного пособия. При этом использованы не только последние сведения о формовочных и стержневых материалах, но и основополагающая информация о них, изложенная в трудах таких классиков литейного материаловедения, как П.П. Берг, Б.Б. Гуляев, С.С. Жуковский, А.М. Лясс, И.В. Валисовский.

Учебный материал изложен в соответствии с программой дисциплины "Теория и технология литейного производства" для студентов, обучающихся по специальности I-36.02.01 ”Машины и технология литейного производства”, и может быть использована аспирантами и инженерно-техническими работниками литейного производства.

1. ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЕ ПРИ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Известно, что процесс получения отливок в наиболее общем виде может быть представлен следующей кибернетической моделью (рис. 1.1) [5], из которой следует, что на качество отливки превалирующее влияние оказывает литейная форма. Ее качество в свою очередь зависит от параметров компонентов формовочной смеси, их количественного соотношения и технологий смесеприготовления.

Предназначение литейной формы заключается в том, что она должна обеспечивать формирование высококачественной отливки, отвечающей всем требованиям современных стандартов как по качеству поверхности, так и по геометрическим размерам, физикомеханическим свойствам и структуре. Для решения этой задачи необходимо обеспечить технологически правильное протекание следующих процессов, связанных с взаимодействием литейной формы и расплавом, а затем – с отливкой:

7

–взаимодействие формы с расплавом. Длительность этого процесса составляет от долей секунды до нескольких секунд;

–взаимодействие формы с твердой коркой, образовавшейся на поверхности кристаллизующейся отливки. Длительность этого процесса колеблется от нескольких секунд до 1-2 мин;

–взаимодействие формы с затвердевшей, но не остывшей отливкой. Длительность этого процесса зависит от габаритных размеров массы отливки и формы, вида сплава и может колебаться от минут до часов;

–взаимодействие формы с отливкой в период ее охлаждения, также зависящее от габаритных размеров и массы отливки и формы, вида сплава. Длительность этого процесса может достигать нескольких суток.

Рис. 1.1. Кибернетическая модель процесса изготовления отливок

Важным с точки зрения формирования качественной отливки является то, что в течение всего периода формирования отливки в литейной форме происходят сложные физико-химические процессы, которые можно подразделить на:

–тепловые;

–газовые;

–физические;

–химические.

Но прежде чем более подробно рассмотреть эти процессы с точки зрения формирования требований к формовочным материалам, необходимо остановиться на основных процессах, происходящих с формовочными материалами до соприкосновения их с расплавом, т.е. на стадиях смесеприготовления и изготовления форм и стержней.

8

Только совокупное знание вышеперечисленных процессов и явлений позволяет уже на стадии проектирования литейной технологии, в том числе и с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР), разрабатывать оптимальные составы формовочных и стержневых смесей, противопригарных покрытий, условий смесеприготовления, формовки, изготовления стержней, а также выбирать оптимальные параметры заливки, кристаллизации и охлаждения. Все это создает условия, обеспечивающие не только хорошее качество отливок, но и высокие экономические и экологические показатели работы литейного подразделения.

Любая формовочная или стержневая смесь в четырех основных состояниях (при выпуске из смесителя, уплотненная под действием собственной массы, принудительно уплотненная и упрочненная) обладает общими формальными признаками коллоидной системы – многофазностью и дисперсностью [6-9]. Классический вариант формовочной смеси – это трехфазная дисперсная система, включающая в свой состав твердую (наполнитель – I), жидкую (связующий материал – 3) и газообразную (4) фазы (рис. 1.2). Опыт показывает, что важнейшим и универсальным технологическим свойством является прочность [9]. От нее зависит качество отливок, в том числе и их размерная точность, образование многих литейных дефектов. Учитывая то, что литейщики всегда имеют дело с прочностью как при комнатной температуре (в процессах смесеприготовления, формовки, сборки форм), так и при повышенных температурах (в процессах заливки форм, кристаллизации и охлаждения отливок), необходим универсальный подход и анализ формовочных материаловв широкомдиапазонетемператур.

Рис. 1.2. Модель фрагмента формовочной смеси:

1 – наполнитель (твердая фаза); 2 – стыковая манжета; 3 – пленка связующего материала (жидкая фаза); 4 – поры смеси (газовая фаза)

9

При этом необходимо учитывать, что формовочные смеси соприкасаются с отливкой только одной поверхностью, в связи с чем находятся в более благоприятных тепловых условиях по сравнению со стержневыми смесями, которые соприкасаются с отливкой по всем своим поверхностям. Поэтому к стержневым смесям предъявляются повышенные требования как по термостойкости, так и по прочности при высоких температурах. Однако вне зависимости от вида смеси, основной целью процесса смесеприготовления является получение такой дисперсной системы, в которой жидкая фаза максимально равномерно распределена по поверхности твердой фазы (см. рис. 1.2). Приготовление формовочной смеси представляет собой процесс образования термодинамически устойчивой скелетной системы коагуляционного типа. При неизменном составе и отсутствии химических взаимодействий она обратима по прочности, т.е. может многократно разрушаться и восстанавливаться. Процесс перемешивания, следовательно, есть непрерывное разрушение и образование коагуляционных контактов, которое сопровождается ростом межфазной поверхности раздела «связующее – наполнителъ», пропорциональным расходу энергии. Очевидно, что одним из критериев качества перемешивания может служить число контактов, образовавшихся в единице объема после уплотнения. Параллельно из отдельных компонентов идет образование связующей композиции – суспензии, эмульсии, коллоидного раствора. Из нее формируется оболочка вокруг зерен наполнителя. Второй процесс термодинамически намного выгоднее первого, поэтому на качество смеси он влияет в меньшей степени. Сама кинетика образования контактов сильно зависит от вязкости связующей композиции, смачивания на поверхности раздела «связующее – наполнитель», расхода энергии на перемешивание Е (рис. 1.3).

При использовании маловязких связующих (смолы, жидкое стекло, лигносульфонаты) перемешивание требует небольших затрат энергии и времени, при вязких (глинистые суспензии) процесс становится высокоэнергоемким и состоит в образовании и "намазывании" глинистой пасты на зерна. Предел прочности коагуляционной структуры после уплотнения обычно не превышает 0,04-0,22 МПа для глинистых связующих и 0,001-0,01 MПа у смесей, не содержащих глин. В последних связующие в исходном состоянии не обладают заметными клеящими свойствами из-за малых значений адгезионной и когезионной прочности.

10