Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

процессов зависит от влажности смеси, воздуха и температуры. У гигроскопичных связующих при относительной влажности воздуха, превышающей 80-85%, влажность смеси в поверхностном слое возрастает, поверхностная прочность падает, появляется значительная осыпаемость. Если связующее высыхает при хранении, то поверхностная прочность зависит от его природы и способа отверждения. Самотвердеющие смеси с жидким стеклом и смолами, как правило, упрочняются при хранении. У этих смесей повышенная осыпаемость является признаком того, что форма или стержень изготовлены из смеси, частично потерявшей живучесть. При СО2-процессе, особенно при «передуве» или пониженном содержании жидкого стекла, осыпаемость возрастает из-за развития напряжений в высыхающей сетке силикагеля. Осыпаемость формовочных смесей определяют на стандартных цилиндрических образцах диаметром и высотой 50 мм. Образцы испытывают в сухом или влажном состоянии.

Рис. 7.11 Прибор для определения осыпаемости смесей

Прибор (рис.7.11) представляет собой барабан 1 диаметром 110 мм. Стенки барабана изготовляют из сетки с ячейками 4 4 мм (диаметр проволоки 0,9 мм. Для испытания используют стандартный цилиндрический образец, который помещают в барабан так, чтобы он не соприкасался с торцами барабана. После этого включают двигатель прибора и барабан начинает вращаться со скоростью 60 об/мин в течение 60 с. При этом боковая поверхность образца трется о сетку барабана. Поверхностная прочность (осыпаемость) характеризуется потерей массы образца в единицу времени и выражается в процентах к первоначальной массе образца:

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

Газопроницаемость. Для получения качественной отливки в литейной форме должны быть созданы условия, способствующие удалению газов через поры формовочной смеси, т.е. смесь должна быть газопроницаемой. Газопроницаемость формовочных смесей должна ставиться в зависимость от газотворной способности. При этом должны учитываться как общее количество выделяющихся газов, так и кинетика процесса газовыделения. Газовый режим литейной формы определяется газотворной способностью формовочных и стержневых смесей, газопроницаемость форм и стержней. Под газовым режимом литейной формы понимается комплекс одновременно протекающих процессов газовыделения, химических реакций с участием газов, фильтрации газов

211

через поры литейной формы или движение их через жидкий металл.

Получение качественных отливок возможно при условии создания в литейной форме направленного газового потока. Фильтрация газов, образующихся в форе в результате теплового воздействия металла на формовочный материал, при направленном газовом потоке происходит от поверхности отливки через материал форм и стержней в атмосферу. Нарушение направленности газового потока может вызывать образование газовых дефектов. Величина газопроницаемости формовочных материалов определяется по формуле, описанной на законе фильтрации Дарси:

(7.10)

где Q – объем воздуха, проходящий через исследуемый образец смеси, м; h - высота образца, м; F - площадь поперечного сечения образца, м2; р – перепад давления воздуха перед образцом и за ним, кг/м2; - продолжительность прохождения объема воздуха Q через данный образец, с.

Схематично процесс определения газопроницаемости можно представить следующим образом (рис.7.12).

Рис. 7.12 Схема прибора для определения газопроницаемости формовочных и стержневых смесей

Воздух из-под калиброванного колокола 1, плавающего в баке 2 с водою, через отверстие 3.ю трубку 4 колокола, трубку 5 бака и трехходовой кран 6 поступает в полость 9 в металлической гильзе 10 с исследуемым образцом смеси 11. В зависимости от давления воздуха под колоколом 1, газопроницаемости образца смеси и диаметра ниппеля 7 в полости 9 создается определенное давление воздуха р, замеряемое водяным манометром 15.Манометр сообщается с полостью 9 трубкой 12, прикрытой колпачком 8. Емкость 13 является резервуаром для воды манометра 15. Вода в резервуар наливается через отверстие, которое при эксплуатации прибора должно быть плотно закрыто пробкой 14. Образцы для испытания на газопроницаемость имеют те же размеры, что и образцы для определения прочности смеси на сжатие, т.е. диаметр 50 0,2 мм и высоту 50 0,8 мм.

В настоящее время в литейных цехах и лабораториях на вышеприведенном принципе работают как механические (рис.7.13,а), так и электронные (рис.7.13,б) приборы для определения газопроницаемости, шкалы которых проградуированы в ед. газопроницаемости.

212

мер, прочность смесей с жидким стеклом, нагретых до 200-3000 С, несколько выше исходной прочности вследствие дополнительного испарения влаги и упрочнения геля, связывающего зерна песка. При дальнейшем нагреве (до 400-5000 С) прочность начинает резко уменьшаться в результате обезвоживания геля до такого предела, при котором он теряет связующие свойства. При высоких температурах (8000 С и выше) смесь с жидким стеклом обладает практически нулевой прочностью, так как связующие (силикат натрия) расплавляется и связь между зернами песка разрушается.

Характер изменения прочности смеси в нагретом состоянии различен для разных смесей (для разных связующих и наполнителей), а также при разных температурах. Если, например, прочность смеси с органическими связующими при низких температурах будет возрастать при увеличении содержания связующего, то при высоких температурах возрастающие количества связующего в смеси не приведет к повышению прочности. В то же время большое значение имеет и скорость нагрева. Установлено, что прочность смеси при высоких температурах и быстром нагреве мало отличается от прочности при комнатных . В то же время медленный нагрев до высоких температур приводит к существенному изменению прочности различных смесей по сравнению с прочностью при комнатной температуре.

Прочность при сжатии при высоких температурах регламентируется ГОСТ 23409.8-78. При заливке металла стенки формы и стержни подвергаются интенсивному прогреву. При нагреве в смесях протекают различные процессы; одни из них способствуют увеличению прочности, другие – ее снижению. К первым относятся испарение растворителя, некоторые химические процессы, ко вторым – процессы выгорания связующего, расплавления отдельных компонентов смеси. Характер изменения прочности смеси в нагретом состоянии различен для разных смесей. Воздействие высоких температур сказывается прежде всего на поверхностных слоях формы; именно эти слои в период заливки испытывают наибольшие силовые воздействия. Смеси, обладающие повышенной прочностью при высоких температурах, обеспечивают сохранение конфигурации и размеров формы при заливке и во время затвердевания отливки. Повышенная прочность смесей позволяет предотвратить брак по пригару, песчаным раковинам и обвалам. Однако высокая сопротивляемость форм и стержней в период усадки отливки может привести к образованию в них горячих трещин. Метод определения предела прочности при сжатии при высоких температурах основан на определении сопротивления сжатию нагретого образца при приложении к нему нагрузки.

Поверхностная прочность форм и стержней при высоких температурах и связанная с ней осыпаемость являются одним из важных критериев оценки качества смесей, так как это свойство определяет в первую очередь опасность образования засоров в отливках. К сожалению, смеси на осыпаемость при высоких температурах в производственных условиях почти не испытываются, хотя методы и приборы для этого известны.

На рис.7.14 представлена схема одного из таких приборов [22]. Песчаный образец 1 вместе с предварительно установленной металлической втулкой уплотняется тремя ударами копра в гильзе. Втулка необходима для укрепления образца 1 к столику 2, который при помощи шестерен 3 и 4

214

вращается вокруг вертикальной оси. После установки образца силитовая печь 5, нагретая до требуемой температуры (максимальная температура 12000 С), опускается. Затем на образец опускается стержень 6 с грузом 8. К стержню 6 через шарнир прикреплена стальная круглая фреза 7 того же диаметра, что и образец 1. При вращении шестерни 3 фреза стирает верхний слой образца под давлением, создаваемым грузом 8. Величина давления составляет 0,025 кгс/см2, скорость вращения шестерни 5 об/мин. Температура и время, в течение которого образец находится в печи до испытания, зависят от условий опыта.

Рис. 7.14 Прибор для определения осыпаемости образца смеси при высоких температурах

Газотворная способность смеси определяет ее способность выделять газы при нагревании до высоких температур и является основным источником образования газовых дефектов в отливках. В связи с этим анализ газотворности как исходных материалов, так и смесей в целом, является необходимым процессом, особенно, при использовании наиболее газотворных песчано-смоляных смесей.

Определение газотворной способности обычно осуществляют с помощью прибора, схема которого представлена на рис.7.15.

Рис. 7.15 Схема установки для определения газотворной способности формовочных материалов: 1- электрическая печь; 2- кварцевая трубка; 3- лодочка с навеской; 4- реостат печи; 5- гальванометр; 6- термопара; 7- уравнительный сосуд; 8- подвод охлаждающей воды; 9- мерная

215

бюретка с холодильником; 10штатив.

Основа этой установки – трубчатая электрическая печь 1 (печь Марса), внутри которой находится кварцевая или формовочная трубка 2, имеющая внутренний диаметр 18-20 мм. Один конец трубки соединяется с водоохлаждаемой мерной бюреткой 9, а другой закрывается пробкой. Навеску смеси 3 грамма помещают в фарфоровую лодочку 3, которую, в свою очередь, устанавливают в трубку после достижения в ней температуры 10000 С. Выделяющийся из навески газ поступает в мерную бюретку 9, вытесняя из нее воду в уравнительный сосуд 7, укрепленный, как и бюретка, на штативе 10. В процессе проведения опытов уравнительный сосуд должен постепенно опускаться с тем, чтобы нивелировать уровень воды в бюретке и уравнительном сосуде.

Охлаждение водопроводной водой 8 поступающих в бюретку газов и нивелировка уровня воды в сосудах позволяют приводить газы практически к нормальным условиям.

Температура печи замеряется, как правило, платино-платинородиевой термопарой 6, связанной с гальванометром 5, и регулируется при помощи реостата 4. В процессе испытания смеси количество выделяющегося газа замеряется в мерной бюретке через 15, 30, 60, 90, 120, 180, 300 секунд. Если и после этого происходит выделение газов, то процесс измерения продолжается до практически полного их исчезновения. Газотворная способность выражается количеством (см3) газов, выделяемых 1 граммом смеси при нагреве ее до 10000 С.

Термические деформации и напряжения в смесях вызываются линейными и объемными изменениями в них при заливке форм жидким металлом. Величина термических деформаций в форме зависит от теплового расширения формовочных материалов, усадки смеси вследствие ее спекания и испарения влаги, выгорания органических добавок и расплавления связующих, модификационных и минералогических превращений. В результате перечисленных процессов может нарушиться сплошность поверхности формы, что вызовет образование дефектов отливки (ужимины, раковины) и повысит вероятность образования в ней трещин.

Термические напряжения измеряются на цилиндрических образцах различных размеров путем определения нагрузки, которую необходимо приложить для преодоления расширения образцов вдоль оси. Для этой цели служат специальные приборы – дилатометры (рис.7.16).

Рис.7.16 Схема дилатометра для определения деформации смеси при нагреве

216

Образец 2 устанавливают на специальную подставку 1 из огнеупорного материала и вводят

впечь 3, нагретую до заданной температуры. Деформация образца при нагреве передается через кварцевый шток 4 на индикатор 5. Между опорным концом штока и образцом находится кварцевая прокладка. Подобные дилатометры позволяют изучать влияние на термическую деформацию состава смеси, уплотнения образца, температуры нагрева и т.п.

Возможны два варианта испытаний: 1) образец помещают в печь с заданной температурой, как бы имитируют работу смеси в реальной форме; 2) образец нагревается вместе с печью и деформация образца происходит при более равновесном состоянии.

Всовременных установках для замера деформаций образцов смеси предусмотрены автоматическое регулирование температуры в печи и запись деформации на ленту.

Исследуемые на дилатометре образцы испытывают свободные деформации, в то время как деформация реальных форм и стержней происходит при действии тормозящих факторов. Кроме того, образец по сечению прогревается неравномерно, поэтому результаты испытания являются относительными и усредненными.

Огнеупорность – свойство материала противостоять, не расплавляясь, действию высоких температур. При высокой огнеупорности формовочных смесей снижается вероятность образования пригара на отливках. Для определения этого параметра из испытуемой смеси изготавливаются специальные образцы в виде трехгранных пирамидок – пироскопов (рис.7.17), которые помещают

впечь вместе со стандартными пироскопами с известной огнеупорностью.

Рис.7.17 Пироскопы для определения огнеупорности формовочных песков

Температура, при которой вершина испытуемого пироскопа коснется его основания, принимается за огнеупорность смеси. При этом огнеупорность обозначается номером того стандартного пироскопа, с которым одновременно упала испытуемая пирамида.

Термостойкость – это время сохранения смесью прочностных свойств при определенных условиях нагружения и нагрева. Учитывая то, что это свойство зависит, в первую очередь, от вида связующего материала, то необходимость в его определении наиболее актуальна для песчаносмоляных смесей, у которых связующее подвергается при нагреве деструкции, приводящей к падению прочности смеси. Определения термостойкости осуществляют с помощью дилатометра (рис.7.16), в котором образец нагревают до температур 600-1000 С и нагружают усилием 0,15-0,45 МПа, имитирующим давление жидкого металла на смесь. В качестве примера в табл.7.1 приведе-

217

ны значения термостойкости ( с) песчано-смоляных смесей с карбамидно-фурановым и фенолформальдегидным связующими материалами [14].

Податливость определяется степенью механического торможения усадки отливки, т.е. способностью нагретой смеси деформироваться под определенным давлением. Сопротивление смеси к деформации при охлаждении отливки может вызывать образование в ней горячих трещин. Стандартные методы определения податливости смеси отсутствуют. В качестве ориентировочного критерия податливости может служить прочность смеси при повышенных температурах. Для определения степени податливости смесей в условиях, близких к действительным, используются отливки простой конфигурации, в которых создается торможение ее усадке со стороны формы или стержня. Однако следует учитывать, что податливость это комплексное свойство, зависящее не только от свойств смеси (прочности, теплопроводности и т.п.), но и свойств заливаемого расплава (температуры и интервала затвердевания, прочности и пластичности металла при высоких температурах и т.д.), условий заливки формы (температуры и скорости заливки, температуры формы и стержня) и от конструкции отливки. Поэтому, говоря о податливости смеси, необходимо всегда оговаривать вышеперечисленные параметры и условия изготовления отливки.

Долговечность - способность смеси сохранять свои свойства при многократном нагреве. Долговечность зависит от физических и химических свойств отдельных компонентов, входящих в состав смеси.

Процессы, происходящие в формовочных и стержневых смесях при заливке жидкого металла, практически необратимы. Некоторые виды смесей (песчано-глинистые) после ввода в их состав воды частично восстанавливают свои первоначальные свойства. Учитывая то, что именно песчано-глинистые смеси многократно находятся в обороте, и все их компоненты претерпевают знакопеременные нагрузки, долговечность этих смесей должна регулярно контролироваться и регулироваться введением новых свежих ингредиентов.

В литейной практике количественная оценка долговечности определяется по формуле:

218

где сж – среднее арифметическое значение трех определений предела прочности при сжатии свежеприготовленной смеси, Па; 3сж - среднее арифметическое значение результатов определения предела прочности при сжатии смеси после трехкратного нагрева, Па.

Выбиваемость – степень трудности удаления стержней или частей формы из остывшей отливки, зависит от многих факторов и является одним из критериев технологичности смеси. В практике литейных заводов наибольшее применение для определения выбиваемости смесей получил метод ЦНИИТМАШ. Выбиваемость смесей оценивают по работе, затраченной на пробивку стандартного образца, изготовленного из исследуемой смеси. Образец предварительно прокаливается в течение 1 часа при заданной температуре и охлаждается вместе с печью. Охлажденный образец вставляется в специальную оправку и на лабораторном копре, оснащенном специальным бойком, пробивается на всю глубину. Работа выбивки определяется по формуле:

сота падения груза, м.

Следует различать выбиваемость смеси, определяемую на образцах, и выбиваемость реальных стержней и форм. Если в первом случае разрушается образец, равномерно прогретый по всему объему, то во втором – стержень в различных его местах имеет неравномерную температуру, зависящую от направления теплового потока. В связи с этим при анализе реальной выбиваемости смеси необходимо иметь данные о температурах прогрева стержня по его сечению, и именно эти значения использовать при прогреве образцов до начала их испытания на выбиваемость.

Регенерируемость смесей определяет их способность в результате специальной обработки очищать зерна наполнителя от поверхностных пленок связующих материалов, продуктов их термодеструкции, специальных добавок, входящих в состав смеси и т.д. Учитывая то, что регенерированными песками можно заменить в смесях значительную часть свежих наполнителей, регенерируемость смесей является весьма важным свойством, в первую очередь, с точки зрения экономичности и экологичности смесей. В главе 12 более подробно изложены способы регенерации различных смесей и методы контроля качества регенератора.

Теплофизические свойства смесей, к которым относятся теплоемкость, теплопроводность, теплоаккумулирующая способность и температуропроводность, активно влияет на процессы взаимодействия расплава с материалом формы, кристаллизацию и охлаждение отливки и зависят от природы огнеупорного наполнителя, состава смеси и степени ее уплотнения.

В связи с этим, применение формовочных материалов с различными теплофизическими свойствами является одним из наиболее эффективных средств регулирования как качества поверхности, так и структуры и механических свойств отливок.

Основными теплофизическими константами являются: коэффициент теплопроводности , объемная теплопроводность С (С = с , где с – удельная теплоемкость, - плотность), коэффициент теплоаккумулирующей способности «b» и коэффициент температуропроводности «а».

219

(7.14)

Линейная форма в тепловом отношении представляет собой анизотропное тело, тепловые свойства которого заметно изменяются при изменении температуры, которой соответствуют вполне определенные истинные значения теплофизических констант. Величины теплофизических коэффициентов также зависят от температуры и типа заливаемого сплава, толщины стенки отливки.

Коэффициент теплопроводности определяется удельным тепловым потоком (количеством теплоты на единицу поверхности), направленным по нормали к поверхности источника тепла, при изменении на 10 С на единицу длины. Таким образом, теплопроводность характеризует процесс передачи тепла в исследуемом веществе. Учитывая то, что формовочная смесь является многокомпонентной дисперсной системой, в которой теплопередача является сложным процессом, состоящим из более простых, накладывающихся и действующих друг на друга процессов теплопроводности, излучения и конвекции. Измеряется теплопроводность с помощью специальных приборов, описанных в [22].

Теплоемкость измеряется количеством теплоты, которое необходимо сообщить телу для

увеличения его температуры на 10 С.

Таким образом, теплоемкость характеризует способность вещества аккумулировать тепло. Учитывая то, что формовочные смеси, а, особенно, их наполнители имеют низкую температуропроводность, в колориметр для определения теплоемкости весьма трудно установить равновесные условия, что делает практически невозможным использование калориметрического метода для изучения теплоемкости формовочных смесей. В связи с этим для определения этого параметра используются косвенные методы, позволяющие вычислять коэффициент теплоемкости по экспериментально найденным другим теплофизическим характеристикам.

Теплоаккумулирующая способность литейной формы b является основной физической константой, определяющей интенсивность процесса охлаждения отливки. Изменением величины коэффициента теплоаккумулирующей способности формовочных материалов можно в широких пределах изменять скорость кристаллизации отливки и тем самым эффективно воздействовать на процесс ее формирования. Применение формовочных смесей различных составов дает возможность изменять коэффициент теплоаккумулирующей способности от 10 до 55 ккал/(м2 ч ½ град). По данным профессора А.И.Вейника для неметаллической формы изменение коэффициента b в 3,8 раза сопровождается ростом скорости затвердевания в 14,4 раза.

Коэффициент температуропроводности а формы характеризует температурное поле, поэтому для изучения процесса перераспределения температуры в форме необходимо знать величину коэффициента а.

Как коэффициент теплоаккумулирующей способности, так и коэффициент температуро-

220