Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

ют и вводно-бентонитовую суспензию, содержащую и порошкообразный противопригарный материал (бентонито-угольная суспензия). Для повышения качества отпечатка в состав ЕФС необходимо вводить специальные добавки, стабилизирующие влажность. К таким материалам относятся: порошкообразный крахмалит (модифицированный набухающий крахмал), мелисса (кормовая патока), экструзионные крахмалсодержащие реагенты и др. Они улучшают отпечаток модели и несколько повышают прочность смеси во влажном состоянии, а также в зоне конденсации влаги, снижают осыпаемость форм, предохраняют кромки формы от преждевременного обсыхания. С целью улучшения технологических свойств ЕФС (текучести, уплотняемости и формуемости) в их состав вводят такие добавки, понижающие трение между зернами наполнителя, как понизители вязкости – окзил, ПВЛХ, игетан и др, а также некоторые виды поверхностно-активных веществ. В целом содержание специальных добавок в ЕФС для прессовых и комбинированных методов формовки находится на уровне 0,05-0,5 %.

В последние годы рядом зарубежных фирм изготавливаются комплексные связующие материалы (на базе высококачественных бентонитовых порошков), включающие в свой состав весь комплекс специальных добавок, позволяющие не только улучшить качество ЕФС, но и снизить расход формовочных материалов, облегчить условия их автоматического дозирования и подачи в смеситель, а также стабилизировать процесс изготовления высококачественных форм и отливок. Такие комплексные компаундные материалы (премиксы) представляют собой механическую смесь всех технологически необходимых для ЕФС материалов (табл.9.2). Выбор того или иного компаунда зависит от двух основных параметров – способа формовки и вида сплава будущей отливки. Первые четыре состава (табл.9.2), включающие молотый уголь, предназначены для получения чугунных отливок, а составы 5 и 6 – для изготовления мелких и средних стальных отливок.

Таблица 9.2

Единые формовочные смеси для формовки по-сырому применяют и в серийном и массовом производстве стальных отливок массой до 500 кг. В этом случае ЕФС должны иметь более высокую по сравнению со смесями, используемыми для изготовления чугунных отливок, огнеупорность и газопроницаемость. Это связано, во-первых, с тем, что температура заливки форм сталью на 200-300 0С выше, чем чугуном, а, во-вторых, расплав стали значительно лучше чугуна растворяет в себе выделяющиеся в процессе заливки форм газы. Для достижения более высокой

251

огнеупорности ЕФС в их составах следует применять либо каолиновые глины, либо высококачественные бентониты. Кроме этого, следует стремиться к потреблению в составах таких смесей либо высококачественных крупнозернистых кварцевых песков, либо их высокоогнеупорных заменителей (цирконовый, шамотный, магнезитовый пески и др.). Следует помнить, что в составах ЕФС для изготовления стальных отливок ни в коем случае нельзя применять углеродсодержащие противопригарные добавки, которые могут осуществить науглероживание поверхностного слоя стальной отливки и ухудшить тем самым ее механические свойства.

Учитывая высокую стальных отливок к образованию горячих трещин, для предотвращения этого дефекта в состав ЕФС вводят до 2,0% древесных опилок, а для повышения текучести и поверхностной прочности форм смесь должна содержать 0,1-0,5% СДБ (КБЖ), УСК-1 или КО и др.

В тех случаях, когда отливки из цветных сплавов (алюминиевые, медные, магниевые) изготавливают в сырых формах, единые формовочные смеси должны иметь типовые составы, представленные в табл.9.3.

Таблица 9.3 Типовые составы единых формовочных песчано-глинистых смесей для изготовления отливок из

цветных сплавов (для прессовых методов формовки)

Сплавы Состав формовочной смеси, масс. % Физико-механические свойства смесей

Отличительной особенностью этих смесей является использование в их составах только мелкозернистых песков (0,063-0,16 мм), что предопределяет их низкую газопроницаемость. В качестве противопригарной добавки в смесях для медных сплавов применяют мазут, а смеси для изготовления отливок из алюминиевых сплавов можно использовать без противопригарных добавок. Фтористые присадки в ЕФС служат для предотвращения процесса окисления и возгорания магниевых сплавов в период заливки ими формы. Такой же эффект защиты металла от окисления достигается и введением в смесь борной кислоты Н3ВО3. Фтористые присадки, как правило, содержат фторборкислый аммоний NH4BF4, кислый фтористый аммоний NH4F и средний фтористый аммоний NH4NF2. Повышение качества поверхности отливок из алюминиевых сплавов достигается введением в состав ЕФС добавки пылевидного кварца (%-7 %), устраняющего проникновение расплава в поры формы и предотвращающего тем самым вероятность образования механического

252

пригара.

Вслучае необходимости получения смесей с повышенной газопроницаемостью (до 100 ед.) при производстве крупных отливок из цветных сплавов, кварцевой основой ЕФС являются средне- и крупнозернистые кварцевые пески (0,2-0,315 мм).

Всырых песчано-глинистых формах изготавливают, как правило, чугунные и стальные отливки массой до 500-600 кг. Изготовление более массивных отливок весьма проблематично, так как сырая форма не обладает достаточной прочностью, чтобы противостоять давлению большой массы заливаемого расплава, результатам чего является разрушение ее отдельных частей и получение бракованных отливок. Кроме того, при взаимодействии с расплавом вследствие испарения влаги образуется значительное количество газов, которые «забивают» поры смеси, резко снижая газопроницаемость формы. В результате этого создаются реальные условия проникновения образующихся газов в тело отливки, что приводит к появлению не только газовых дефектов, но, зачастую, и вскипов - дефектов отливок в виде скопления газовых раковин и наростов.

Именно в таких случаях, когда в сырых формах не удается получать качественные отливки, применяют сухие формы, требующие дополнительных операций сушки.

Основная цель сушки литейных форм состоит в упрочнении смеси, уменьшении ее газотворности и повышения газопроницаемости. Песчано-глинистые смеси, отверждаемые конвективной сушкой, применяют преимущественно при изготовлении форм для ответственных и сложных крупных отливок.

Для отливок массой до 1000 кг используют обычно смеси на основе кварцевых песков группы 02, для отливок массой свыше 1000 кг – пески групп 0315 и 04. При изготовлении отливок из легированных сталей применяют пески повышенной огнеупорности. Высушенные формы имеют высокие прочностные свойства, они способны выдерживать без деформации значительные гидростатические давления сплава и не разрушаться при механических воздействиях – толчках при транспортировке, ударах сплава при заливке. Высокая прочность сухой формы достигается повышенным содержанием в смесях глины и влаги в сравнении со смесями для формовки посырому. Для того, чтобы не слишком понизилась газопроницаемость смесей от повышенного содержания глины, для формовки по-сухому применяется более крупный песок. Поверхность отливок от этого не ухудшается, так как сухие формы окрашиваются противопригарной краской.

Повышение массовой доли глины, увеличивая прочность, затрудняет усадку отливки, что может привести к появлению горячих трещин. Во избежание этого в смеси для формовки посухому вводят выгорающие добавки (обычно древесные опилки, торф). Во время сушки форм из опилок или торфа испаряется влага, и удаляются летучие вещества, а образующиеся пары повышают газопроницаемость формы и придают ей податливость при заливке жидкого металла. Прибавление древесных опилок несколько снижает прочность формовочной смеси, поэтому опилочные смеси должны иметь повышенное содержание глины и соответственно воды. Кроме того, для увеличения прочности в смеси используется до 3,5% водорастворимых добавок (например, суль- фитно-дрожжевая бражка или лигносульфонаты технические). Типовые составы смесей для форм

253

чугунных и стальных отливок, заливаемых по-сухому, приведены в табл.9.4.

Для крупных стальных отливок, особенно из высокопрочных сталей, в качестве наполнителя используют цирконовый песок, магнезит, хромит и далее графит. Температура и длительность сушки форм из смесей, приведенных в табл.9.4, зависит, в первую очередь, от габаритных размеров формы (табл.9.5). Следует отметить, что формы, содержащие каолиновую глину, обычно сушат при температуре 350-450 0С, а при использовании бентонитовых глин – 200-250 0С.

Таблица 9.4 Типовые смеси для форм чугунных и стальных отливок, заливаемых по-сухому

254

9.2.Облицовочные и наполнительные формовочные смеси

Втех случаях, когда к качеству поверхности отливок предъявляются повышенные требования, литейная форма изготавливается комбинированной, состоящей из облицовочной и наполнительной смесей. В процессе формовки облицовочная смесь слоем 20-30 мм полностью покрывает модель, а поверх ее опока заполняется наполнительной смесью, которая выполняет функцию только механического наполнителя опоки. Облицовочная же смесь используется для оформления рабочего слоя формы, который непосредственно контактирует в заливаемым расплавом. В связи с этим облицовочная смесь должна обладать низкой пригораемостью, высокой поверхностной прочностью как при комнатной температуре, так и в процессе заливки формы расплавом, низкой газотврной способностью. Исходя из этих требований, облицовочные смеси приготавливаются из высококачественных формовочных материалов и содержат 20-60% свежих материалов (наполнитель, связующий материал) и 40-80 % оборотной смеси и специальных добавок, регулирующих и стабилизирующих технологические свойства (табл.9.6).

Если сравнивать составы ЕФС и ОФС (табл.9.1, 9.4 и 9.6), то, кроме различия в количестве свежих материалов (наполнитель и связующее), наблюдается повышенное содержание в облицовочных смесях специальных добавок, обеспечивающих изготовление отливок с высоким качеством поверхности. При этом следует отметить, что в массовом производстве отливок, особенно на автоматических формовочных линиях облицовочные смеси, как правило, не применяются. Поэтому в табл.9.6 приведены типовые составы ОФС только для машинной формовки встряхиванием с подпрессовкой, а не для обычно используемых в АФЛ прессовых машин.

Из класса сухих облицованных смесей, кроме песчано-глинистых, широкое применение нашли пластичные самотвердеющие смеси (ПСС) на базе жидкостекольных связующих материалов. Основой технологии изготовления литейных форм с использованием ПСС является двухстадийный процесс приготовления смеси. В центральном смесеприготовительном отделении изготавливается базовая смесь, включающая (масс. %): песок кварцевый – 95,5; бентонит – 3,0-5,0; молотый уголь – 2,0-3,0 и жидкое стекло – 5,0-5,5 (сверх 100 %). Эта смесь подается на участок формовки в бункер 5 (рис.9.3), откуда ленточным питателем дозируется в лопастный смеситель 4 периодического действия, куда дополнительно вводится необходимое количество (3,4-4,0 %) феррохромового шлака и все компоненты перемешиваются в течение 60-80 с.

255

256

формы расплавом газов. Учитывая столь невысокие требования, НФС обычно изготавливают на базе выбитой из опоки смеси с добавлением в ее состав 3-5% свежих компонентов (связующий материал, наполнитель, если этого требует технология, вода). Обычно прочность на сжатие песча- но-глинистой НФС находится на уровне 0,03 МПа, а газопроницаемость – не ниже 80 ед.

9.3. Самотвердеющие формовочные и стержневые смеси Этот класс формовочных смесей относится к смесям для формовки по-сухому и предна-

значен для изготовления форм крупных (массой более 500 кг) чугунных и стальных отливок, а также отливок из цветных сплавов.

Наибольшее применение для этих целей нашли жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС), которые в отличие от традиционных песчано-глинистых смесей, заливают в опоки или стержневые ящики, а формирование прочности форм и стержней происходит не в результате уплотнения смеси, а вследствие ее отверждения непосредственно в оснастке. Основные преимущества этой технологии состоят в следующем: резко уменьшается трудоемкость изготовления форм и стержней и повышается производительность труда в 3-4 раза, отпадает необходимость в длительной сушке форм и стержней, появляется возможность комплексно механизироваться и автоматизировать изготовление форм и стержней в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, формирование прочности осуществляется по всему объему формы или стержня; повышается точность форм и стержней, что позволяет снизить припуски на механическую обработку отливок на 15-20% и снизить брак на 25-30%, повышается срок службы модельной оснастки в 2-3 раза, отпадает необходимость в применении громоздких формовочных и стержневых машин; улучшаются санитарно-гигиенические условия труда на участках изготовления форм и стержней.

В табл.9.7 приведены составы ЖСС, а в табл.9.8 – их свойства.

258

Текучесть смеси обеспечивается введением в состав ЖСС поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые в процессе смесеприготовления образуют пузырьки пены, покрывающие зерна песка и снижающие трение между ними. В результате смесь приобретает такое свойство, как текучесть и его можно заливать форму или стержневой ящик.

Как следует из данных, представленных в табл.9.8, вскоре после заливки ЖСС формы или стержневого ящика происходит гашение пены и смесь твердеет на воздухе, постоянно увеличивая прочность равномерно по всему объему. Твердение происходит вследствие взаимодействия жидкого стекла с ФХШ (2СаSiО2), в результате чего образуется сложный гидросиликат (Na2О)m (CaO)n (SiO2)p (H2О)q, являющийся основой структурообразующей фазой. Отличительной особенностью ЖСС является высокая газопроницаемость, особенно после твердения в течение 24 ч, когда полностью из смеси исчезает пена, а образованные ею поры являются причиной высокой газопроницаемости смеси.

Подвижность ЖСС характеризуется текучестью, которая зависит от эффективности процесса пенообразования при ее перемешивании. Поэтому конструктивные особенности агрегатов для приготовления смеси должны обеспечивать не только хорошее перемешивание, но и достаточно интенсивное вовлечение в смесь воздуха. Этим условиям в наибольшей степени отвечают лопастные смесители периодического или непрерывного действия.

В установках периодического действия (рис.9.4) сухие компонент (песок и ФХШ) подаются в смежные бункера 1 и 2.

259