Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

стве случаев под понятием «влажность» формовочной смеси подразумевается содержание в ней воды, удерживаемой физико-химической и физико-механической связями. Влажность не одинаково влияет на различные свойства смеси. С повышением влажности одни свойства смеси до определенного значения улучшаются, другие ухудшаются. Это вызывает соответствующие трудности при составлении рецептур смесей и необходимость принятия компромиссного решения, порою ухудшающего их некоторые свойства. Диапазон изменения влажности формовочных смесей, уплотняемых обычными методами (вручную, встряхиванием, прессованием, пескометом), находится в пределах 3-6%, а стержневых – в пределах 0-4%.

Существующие методы определения и контроля влажности смесей условно разделяются на две группы: а) прямые методы, непосредственно физического или химического определения влажности; б) косвенные методы, основанные или на измерении свойств формовочных смесей, зависящих от влажности, или на измерении интенсивности протекания в смеси каких-либо процессов, зависящих от влажности, при воздействии какого-либо внешнего фактора. Прямые методы контроля влажности формовочных смесей основаны на непосредственном разделении материалов на сухое вещество и воду. Наиболее распространенным и простым является метод определения потери массы образца после его воздушно-тепловой сушки при105 0С. Высушивание производится до постоянной массы образца.

Массовую долю влаги Х в процентах вычисляют по формуле:

где m1 – масса чаши с образцом до высушивания; m2 - масса чаши с образцом после высушивания; m - масса образца.

Это метод является трудоемким, требует тщательного взвешивания образцов и длительного времени испытаний (1-2 ч). В условиях современного литейного производства наиболее эффективно использовать методы косвенного определения влажности (электрические и электрофизические), которые позволяют осуществлять оперативный (экспрессный) анализ влажности формовочной или стержневой смеси непосредственно в технологическом потоке.

Наиболее перспективными являются методы косвенного контроля, построенные на взаимосвязи диэлектрических свойств смеси и ее влагосодержания. В Белорусском национальном техническом университете разработан влагомер ЦВЛ-1, работа которого основана на том, что при прохождении через смесь микроволнового излучения с частотой 10-20 ГГц, поглощающая способность воды (ав) достигает 30 ед., в то время как практически все обезвоженные материалы (в том числе входящие в состав песчано-глинистых смесей) имеют нулевой уровень поглощения. Это обеспечивает прямую зависимость между ослаблением микроволнового электромагнитного импульса

где aв – поглощающая способность воды; L - толщина слоя смеси; см - плотность исследуемой смеси; W - влажность смеси; Kt - температурный коэффициент.

201

Прибор ИВЛ-1 (рис.7.2) позволяет практически мгновенно измерять влажность формовочных смесей в диапазоне 2-6% на стандартных цилиндрических образцах или непосредственно на литейной форме.

Рис. 7.2 Лабораторный СВЧ влагометр ИВЛ-1:

1- шасси; 2- крышка; 3- цифровой индикатор; 4- установочное отверстие; 5- измерительная гильза; 6- исследуемый материал; 7- тумблер включения; 8-предохранитель; 9-потенциометр «Крутизна»; 10потенциометр «Ноль»; 11установочная кнопка

Для этого стандартный цилиндрический ( 50 50) образец исследуемой смеси (рис.7.2, поз.6) вставляется в гнездо 4, в котором сосредоточены излучатель 12 и приемник СВЧ. С помощью установочной кнопки 11 заранее задается диапазон измерения влажности. После включения тумблера 7 в течение 3-5 с на цифровом индикаторе 3 высвечивается искомая величина влажности смеси. В случае необходимости такой прибор может быть подключен к любому самописцу или через компьютер к принтеру.

Прилипаемость – свойство, характеризующее способность сырой смеси прилипать к лентам транспортера, стенкам смесителя, бункеров и другого оборудования во время приготовления, транспортирования и хранения к поверхности модели или стержневого ящика при изготовлении форм и стержней. Прилипаемость ограничивает использование транспортных средств, вызывает необходимость частой очистки смесителей, бункеров. Прилипаемость смеси к модельной оснастке ухудшает качество поверхности форм и стержней, снижает производительность труда. Стандартных методов определения прилипаемости не существует. Однако из применяемых нестандартных наиболее совершенной признана методика определения прилипаемости смеси по усилению отрыва основания от образца смеси (рис.7.3).

202

где р – нормальное давление; - угол внутреннего трения; с – связанность или сцепление Величина с обусловлена силами адгезионно-когезионного взаимодействия зерен огнеупорного

наполнителя, покрытых пленкой связующего, т.е. зависит преимущественно от свойств самого связующего – вязкости, поверхностного натяжения, адгезии к наполнителю, предельного напряжения сдвига.

Угол внутреннего трения (для формовочных смесей находится в интервале 20-500) в большей степени связан с гранулометрией песка, формой зерен, т.е. со свойствами огнеупорного наполнителя.

Наибольшее влияние на текучесть оказывает сцепление. О текучести можно судить косвенно по прочности смеси во влажном состоянии. Следовательно, прочность может служить критерием при разделении формовочных и стержневых смесей на так называемые сыпучие, пластичные и жидкие. Жидкие смеси заполняют форму или полость стержневого ящика под действием гравитационных сил. Эти смеси практически не обладают начальной прочностью. Смеси с прочностью до 0,005-0,007 МПа относятся к сыпучим. Для их уплотнения достаточно только вибрации. Смеси с большей прочностью требуют применения уплотнения с большими затратами энергии (встряхивание, прессование и др.).

Для определения текучести песчано-глинистых смесей наиболее распространен метод, предложенный для уплотнения статистическим прессованием. Этот метод основан на определении отношения величин твердости уплотненной смеси в точках А и В (рис.7.4).

Рис. 7.4 Схема определения текучести смеси при статическом уплотнении.

Текучесть смеси Т рассчитывается по формуле:

где НА – твердость образца в точке А; НВ – твердость образца в точке В.

204

ется равномерная предварительная плотность по объему формы. Методика испытания основана на определении способности смеси просеиваться через сито в стандартном сетчатом барабане, применяемом для определения осыпаемости. Для этого навеску массой 200 г помещают в барабан, который вращается в течение 10 с, после чего прошедшую через сетчатую стенку барабана смесь взвешивают, а формуемость определяют по формуле:

где m1 – масса исходной навески; m2 - масса прошедшей через сито смеси.

Живучесть – свойство, характеризующее длительность сохранения смесью основных свойств. Необходимость учитывать это свойство смеси и выражать его количественно возникла в связи с разработкой формовочных и стержневых смесей, в которых могут самопроизвольно протекать процессы физико-химического взаимодействия между составными компонентами – различными видами самотвердеющих смесей с окружающей средой. Установившихся методов качественной оценки живучести смесей нет. Она может определяться визуально по всем объективным критериям или изменениям насыпной массы в зависимости от времени неуплотненной смеси. Наиболее эффективно живучесть можно определить путем замера прочности в зависимости от времени выдержки готовой смеси в период от перемешивания до уплотнения через определенные интервалы (например, 180, 300, 600 и т.д. секунд). За живучесть принимают время выдержки, соответствующее падению прочности смеси более чем на 15%. Аналогично можно контролировать и другие технологически важные параметры смеси, такие как осыпаемость, текучесть, формуемость и др.

Гигроскопичность. Формовочные и стержневые смеси, будучи пористыми материалами с относительно большой удельной поверхностью, взаимодействуют на различных этапах технологического процесса изготовления отливки с окружающей атмосферой. В одних случаях смеси теряют влагу, в других – впитывают ее из воздуха или контактирующего материала. Гигроскопичность смесей существенно влияет на технологические свойства форм и стержней, изготовленных из них, особенно в высушенном состоянии. Остаточное содержание влаги после сушки форм и стержней не должно превышать 0,2%. По мере насыщения влагой из окружающей среды снижается общая и поверхностная прочность стержней, повышается их газотворность. При заливке таких форм жидким металлом возникает опасность образования газовых дефектов. Повышенной гигроскопичностью характеризуются смеси, изготовляемые на основе органических водонерастворимых связующих материалов. Метод определения гигроскопичности основан на определении массы влаги, поглощенной сухой смесью. Гигроскопичность (Х) в процентах вычисляется по формуле:

где m – масса сухого образца до испытания; m1 - масса образца после испытания.

Для определения гигроскопичности обычно используют метод анализа сорбционной вла-

206

гоемкости, осуществляемый в эксикаторе под водой. Испытания продолжают до установления постоянной массы образца, контролируя при этом температуру и относительную влажность воздуха в эксикаторе.

Прочность формы, стержня или образца для испытаний – это их способность сопротивляться разрушению или необратимому деформированию под действием внешних статических, динамических нагрузок или температурных напряжений. Прочностью формовочной смеси называют предел прочности при разрушении стандартного образца при выбранном виде нагружения.

Вформовочных 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 – индивидуальной прочностью связи между зернами наполнителя в зоне контакта и числом реализованных контактов, т.е. контактов, которые осуществляются через пленку связующего материала. В силу неопределенности геометрии зерен и неоднородности их размеров обе названные величины могут оцениваться только статистически.

Теоретически разрушение единичного контакта может быть адгезионным – по границе раздела связующий материал-наполнитель и когезионным – по пленке связующего. Реальное разрушение, как правило, бывает смешанным с преобладанием адгезионного (для ХТС с органическими связующими) или когезионного (ПГС, жидкостекольные смеси). На прочность контакта влияют природа связующего материала, физические свойства поверхности наполнителя, а также структурные факторы – число контактов (N), форма и размеры манжет связующего, соединяющего зерна. При уменьшении размеров зерен, которые оценивают по среднему диаметру (Дср), число контактов увеличивается. При соблюдении условия равенства толщины манжеты ( ) увеличение числа контактов (N) приводит к увеличению прочности. Однако даже при значительном увеличении N прочность резко падает, если уменьшается .

Сувеличением степени уплотнения прочность растет быстрее, чем плотность, т.е. одновременно с более плотной упаковкой происходит раздавливание манжет с соответствующим увеличением площади склейки. Повышение плотности смеси на 15-20% увеличивает число контактов

(N)на 40-50 %, а прочность на сжатие ( сж) для ПГС – в 3-4 раза; песчано-смоляных ХТС – в 1,5- 2 раза.

Вформировании прочности смесей, подвергающихся химическому или тепловому упрочнению, значительную роль играют внутренние напряжения, обусловленные усадкой связующей композиции. На их значение влияют природа связующей композиции. На их значение влияют природа связующей композиции, ее состав и режим упрочнения. Чем выше скорость упрочнения, тем больше напряжения. Поэтому зависимость прочности от скорости отверждения при самозатвердевании или тепловой обработке, как правило, имеет экстремальный характер.

Прочность смесей должна быть достаточной, чтобы обеспечить изготовление, транспортировку, хранение, сборку форм и стержней без повреждений или разупрочнения. Поэтому формо-

207

вочные и стержневые смеси подвергаются различным видам испытаний на прочность, изложен-

ных в ГОСТ 23409.7-78.

Схема механических испытаний образцов во влажном и сухом состояниях представлена на рис.7.6.

Рис. 7.6. Схема механических испытаний образцов в сухом (а) и во влажном (б) состояниях: I - при сжатии; IIпри срезе; IIIпри изгибе; IVпри разрыве

Для реализации этих схем с помощью лабораторного копра (рис.7.7) и оснастки (рис.7.8) изготавливаются стандартные образцы – «цилиндры» и «восьмерки», прочность которых испытывается соответственно на сжатие и разрыв с помощью универсального прибора (рис.7.9), который работает по принципу горизонтального гидравлического пресса.

Рис. 7.7 Лабораторный копер для изготовления образцов

208

поршня.

В общем виде предел прочностной смеси определяют по формуле (7.8):

где Р – разрушающая образец нагрузка; F - площадь поперечного сечения образца.

Как правило, шкалы (1,2) прибора (рис.7.9) градуируются в Па или МПа, что позволяет сразу же после разрушения образца определять его реальную прочность.

Твердость (косвенный показатель прочности) – свойство уплотненной смеси сопротивляться деформированию при внедрении в нее шарикового или ножевого наконечника-твердомера

(рис.7.10).

Рис. 7.10 Твердомеры для определения поверхностной твердости литейных форм.

Учитывая то, что объемная прочность стандартного образца смеси неполностью характеризует прочность форму или стержня из этой смеси, ее твердость может быть дополнительной информацией для характеристики прочностных показателей смеси. Установлено, что между прочностью смесей и поверхностной твердостью форм, из них изготовленных, обычно существует соответствие: чем выше прочность, тем больше твердость. Поэтому прочностные свойства смеси непосредственно в форме можно характеризовать поверхностной твердостью формы. Твердость форм и стержней во влажном состоянии измеряют прибором, состоящим из шарикового наконечника диаметром 10 мм, пружины и индикатора (рис.7.10,а). Твердость определяется сопротивлением смеси погружению шарикового наконечника на глубину 0-5 мм под нагрузкой 1,96-9,8 н (0,2-1 кГ). Показатели твердости выражают в абсолютных единицах.

Поверхностную твердость сухих форм и стержней измеряют методом царапания поверхности ножевым наконечником прибора (рис.7.10,б). Твердость определяется сопротивлением смеси погружению ножевого наконечника на глубину 0-2,5 мм под нагрузкой 9,8-18,6 н (1-1,9 кГ).

Осыпаемость определяет склонность смеси поверхностного слоя форм и стержней к разрушению при истирании. Поверхностный слой смеси находится в особых условиях, т.к. число контактов огнеупорного наполнителя, формирующих его прочность, значительно ниже, чем у наполнителя внутри смеси. Поэтому на поверхностную прочность, которая характеризуется осыпаемостью, влияют гигроскопичность связующего, время твердения смесей.

Изменение осыпаемости связано с повышением или понижением влажности поверхностного слоя из-за испарения или поглощения влаги гигроскопичным связующим. Скорость этих

210