Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

зионную ( ког) прочность. В связи с этим прочность любой смеси ( ) в общем виде можно представить так:

где адг – суммарная адгезионная прочность контактов связующего и наполнителя;

смког – суммарная когезионная прочность пленки связующего материала;

ког – суммарная когезионная прочность зерен наполнителя.

Рис. 1.4. Факторы, влияющие на прочность формовочных смесей

Учитывая то, что когезионная прочность наполнителя на порядки превышает когезионную прочность связующего, а также адгезионную прочность, этот показатель обычно не рассматривается, а учитываются лишь поверхностные свойства наполнителя, сущест-

венно влияющие на адг.

12

Основными факторами, влияющими на адгезионную прочность, являются:

–молекулярные силы, действующие между поверхностью наполнителя и связующим материалом (силы Ван-дер-Ваальса);

–химические реакции между связующим и поверхностью наполнителя, результатом которых может быть образование химических связей.

Учитывая, что поверхность кварцевого наполнителя всегда "по-

крыта" гидроксильными группами ( ОН) и гидратными оболочками, протекание процесса образования адгезионных связей возможно по следующим схемам [9] (рис. 1.5).

1)

Рис. 1.5. Взаимодействие различных связующих материалов

споверхностью кварцевого зерна:

1– глиняный связующий материал (А – кремнекислородные тетраэдры глины;

Б– октаэдры с алюминием глины); 2 – синтетический смоляной связующий материал (--- водородная связь); 3 – синтетический смоляной связующий материал (- ионная или химическая связь)

13

Наиболее прочными являются химические связи, образованные по схеме 3, для реализации которых рядом авторов предлагается осуществление так называемого процесса аппретирования песка, т.е. его предварительной химической активации с целью придания ему существенно большего химического сродства к связующему материалу. Как следует из схемы (см. рис. 1.5), наряду с наполнителем на процесс формирования адгезионных контактов оказывают влияние и количество связующего материала, его поверхностные

свойства и в первую очередь поверхностное натяжение ( 12) и смачиваемость ( ). В соответствии с известным уравнением Дюпре величина адгезии между жидкой и твердой фазами может быть определена из соотношения

Учитывая закон Юнга для условий равновесия спокойно лежащей на твердой поверхности капли: 13 – 23 = 12 соs , уравнение

где – краевой угол смачивания твердого тела жидкостью. Величину cos называют смачиваемостью. Ее определяют так

же, как и 12, экспериментально. Знак cos определяют знаком разности 12 – 23 . Если разность положительная, то 0° 90° и I cos (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Формы капли связующего на поверхности кварцевого наполнителя: а) смачиваемые поверхности. < 90°; б) не смачиваемые поверхности > 90°; 1 – газ (воздух); 2 – жидкость (связующий материал); 3 – твердое тело (поверхность наполнителя)

14

Это соответствует условию смачивания поверхности наполнителя жидким связующим материалом. Если разность отрицательная, то смачивание отсутствует, что является неприемлемым для обеспечения эффективного процесса перемешивания компонентов и получения идеальной модели смеси (см. рис. 1.2).

Исходя из (1.2), (1.3), полное смачивание (т.е. когда = 0°, a cos = 1) может характеризоваться работой адгезии:

Это условие может быть соблюдено только лишь тогда, когда соприкасающиеся фазы однородны, т.е. фактически в этом случае речь идет о когезионной прочности, а формулу (1.4) можно с полным основанием представить как работу когезии, т.е.

Таким образом, увеличивая поверхностное натяжение жидкого связующего материала, можно повышать его когезионную прочность во влажном состоянии и увеличивать тем самым сырую проч-

ность ( сж) формовочной или стержневой смеси. В сухом же состоянии на когезионную прочность оказывает влияние ряд факторов и в первую очередь химическая природа связующего и продуктов его отверждения, а также дефекты и напряжения, возникающие в пленке связующего в процессе его отверждения.

Известно, что для достижения максимальной прочности при минимальном расходе связующего необходима такая оптимальная толщина пленки связующего на зернах наполнителя, чтобы формировалось максимальное количество адгезионных контактов, а в межзерновых пространствах образовывались стыковые манжеты. Для связующих, применяемых в литейном производстве, оптимальная толщина пленки связующего находится в пределах 10-30 мкм. На равномерность распределения связующего по зернам наполнителя наряду с поверхностным натяжением и краевым углом смачивания существенное влияние оказывает и вязкость связующего. Чем меньше этот параметр, тем при меньшей толщине пленки образуются стыковые манжеты, что позволяет сократить расход связующего материала и обеспечить максимально возможную прочность

15

смеси. Увеличение толщины пленки связующего, нанесенного на поверхность зерен наполнителя, приводит к возникновению в ней различных напряжений и, как следствие, к снижению адгезионной и когезионной прочности и собственно прочности смеси.

Рассмотренные выше факторы – это лишь часть причин, влияющих на формирование прочности смеси. Наряду с ними на этот параметр оказывают влияние конфигурация зерен наполнителя, их взаимное расположение (упаковка зерен), равномерность распределения связующего по поверхности зерен, факторы внешнего воздействия (давление, температура, влажность) и много других.

Но первым этапом формирования свойств смеси является процесс перемешивания компонентов, когда осуществляется их равномерное распределение в объеме смеси и формирование на поверхности наполнителя оболочки связующего материала. На этой стадии создается структура, качество которой наряду со свойствами исходных материалов, определяют свойства упрочненной смеси. Более подробно результаты теоретических и экспериментальных исследований по влиянию различных параметров на эффективность процесса смесеприготовления изложены в разделе 8.

Очевидным является тот факт, что в разрыхленном состоянии любая формовочная или стержневая смесь сразу после окончания процесса смесеприготовления имеет очень низкую прочность. Однако в процессе уплотнения смеси прочность должна повышаться до такой величины, чтобы обеспечить качественное изготовление, транспортировку, сборку форм и стержней без трещин и поломок. Именно на эти прочностные свойства необходимо ориентироваться при разработке новых смесей или корректировке уже применяемых составов. Для того чтобы квалифицированно представлять, какова должна быть абсолютная прочность формы или стержня, необходимо знать, каким нагрузкам они подвергаются в процессе выполнения различных технологических операций (табл. 1.1, 1.2) [9]. В крупносерийном и массовом производстве отливок наиболее опасными операциями при изготовлении форм являются протяжка модели, удары и толчки при кантовке, передаче с позиции на позицию, сборке; динамические нагрузки при разгоне, сталкивании собранной формы на конвейер.

16

Таблица 1.1

Схема нагружения для форм

17

Таблица 1.2

Схема нагружения для стержней

18

Для стержней требования к прочностным свойствам связаны с поломками при извлечении из оснастки, транспортировке, сборке и заливке формы расплавом. В отличие от формовочных смесей, подвергаемых в основном сжимающим и растягивающим напряжениям, в стержневых смесях преобладают напряжения изгиба.

Опыт показывает, что в массовом производстве отливок прочностные показатели песчано-глинистых смесей для различных методов формовки должны иметь следующие пределы (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Прочностные показатели формовочных смесей

Прочностные показатели стержневых смесей зависят не столько от способа изготовления, сколько от состава и типа смеси. Так, для СО2- процесса максимальная прочность смеси после отверждения может

достигать сж = 1,2…1,5 МПа. Такого же показателя достигают и отвержденные стержни из жидких самотвердеющих смесей (ЖCC). В то же время песчано-смоляные холодно-твердеющие смеси (ХТС) могут достигатьпрочностипосле отверждения р = 2,5…3,0 МПа.

В 9 и 10 разделах более подробно изложены составы формовочных и стержневых смесей и показаны основные закономерности формирования их свойств.

Наиболее сложные физико-химические процессы в формовочных и стержневых смесях происходят в период заливки сплава в форму, затвердевания и охлаждения отливки. С момента попадания первой порции жидкого металла в форму начинается тепловое

19

взаимодействие между отливкой и формой, которое сопровождается нагревом формы и массопереносом некоторых составляющих формы или стержня, а также продуктов их тепловой трансформации [11]. В процессе формирования отливки металл выделяет, а форма и стержень поглощают теплоту: физическую (около 20%), кристаллизации (около 70%) и фазовых превращений (до 5%) [12]. По мере прогрева стенки формы происходит испарение свободной и связанной влаги (при 100-150 °С), выделение кристаллогидратной и конституционной влаги (150-600 °С), деструкция органических и разложение неорганических веществ, полиморфные превращения в кварце и глине, выделение газов при испарении и деструкции связующих, физико-химические процессы взаимодействия между расплавом и материалом формы и стержня, механическое воздействие расплава на поверхностные слои формы и формирование в них напряжений [8]. Протекание всех этих процессов оказывает влияние в первую очередь на качество поверхности отливки.

Принимая соответствующие начальные и граничные условия теплообмена отливки и формы, можно определить тепловые потоки в любой части системы «отливка – форма». Исследования показали, что тепловой поток в поверхностном слое формы достигает

8 106 ккал/м2 ч. Он определяется главным образом теплофизическими свойствами формовочных материалов, в меньшей степени – толщиной слоя покрытия и не зависит от свойств металла отливки. Следует отметить, что параллельно тепловому происходит и механическое воздействие потока расплава на форму, приводящее к образованию таких дефектов, как засоры, просечки, обвалы, ужимины, пригар.

При заливке жидкого сплава форма воспринимает ферростатическое давление и гидравлический удар, под влиянием которых возникают отрывающие, срезающие или сжимающие усилия. Величина напряжений среза или отрыва зерна зависит от скоростного напора

потока сплава в поверхностных слоях: ρ V2/2, где ρ – плотность сплава, V – скорость потока.

Если ρ V2/2 > tср (где tср – поверхностная прочность формы при высоких температурах), то произойдет отрыв и смыв зерна с поверхности. Чаще всего это происходит при движении сплава в литниковых каналах, где скорости потока максимальны. Аналогичный эффект возможен и в полости формы в тех случаях, когда неправильно сконструирована отливка и литниковая система. Подобное

20