Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

разрушение облицовочных слоев формы может происходить под действием "теплового удара", который обусловлен взрывным характером испарения воды, выгорания связующих и добавок смеси и, следовательно, приводит к образованию рыхлой и пористой структуры форм и стержней.

Термостойкость поверхностного слоя формы зависит главным образом от структуры, прочности и тепловой аккумуляции наполнителя. Поэтому термостойкость рабочей поверхности формы можно изменять путем подбора соответствующих покрытий, наполнителей и связующих материалов.

Впроцессе прогрева формы происходит разупрочнение ее поверхностных слоев из-за деструкции связующего. Если к моменту разупрочнения формы не образуется достаточно толстая корка затвердевшего сплава, способная выдержать гидростатическое давление расплава, то произойдет деформация корки в сторону формы. Это вызовет появление подутости, т.е. увеличение толщины стенки отливки, или вообщенарушение конфигурационной и размернойточности.

При прогреве форм и стержней в их поверхностных слоях возникают напряжения, вызванные тепловым расширением, особенно

вформах и стержнях из ХТС с синтетическими смолами. Эти напряжения могут привести к возникновению трещин. Приливы на поверхности отливки, вызванные затеканием металла в трещины, называют просечками.

Для борьбы с просечками кроме осуществления мероприятий, направленных на уменьшение развиваемых напряжений, необходимо вводить в смесь добавки, увеличивающие ее теплоаккумулирующую способность, что ускоряет затвердевание металла (например, пылевидную фракцию железных оксидов).

Наибольшие проблемы возникают при появлении дефектов, связанных с поверхностным отслоением формы (рис. 1.7) и называемых ужиминами [8].

Впроцессе заполнения полости формы сплавом ее верхние и боковые стенки прогреваются за счет теплового излучения и конвекции. В процессе прогрева поверхностные слои нагреваются до высоких температур и теряют влагу. Большая часть паров воды фильтруется в толщу формы, где конденсируется в зоне низких температур. Влажность в ней (W) резко возрастает и значительно превышает начальное ее значение (W0). В этой зоне прочность сме-

21

си резко падает. Зона повышенной влажности в процессе прогрева перемещается в глубь стенки формы. При этом увеличивается толщина сухого слоя. В процессе прогрева этого слоя происходит его термическое расширение, которое заторможено более холодными слоями. Поэтому в поверхностном слое возникают сжимающие напряжения. Они особенно велики в слое, прогретом до температур выше 573 °С, так как в нем происходит полиморфное превращение

-кварц -кварц, сопровождающееся увеличением объема.

Рис. 1.7. Схема образования ужимин

Поверхностный слой формы испытывает под действием напряжений деформацию продольного изгиба. Если изгибающие напря-

жения при = М/К (здесь К – момент сопротивления слоя смеси; М – изгибающий момент) превышают прочность сухого слоя на изгиб, то произойдет отслоение слоя смеси и образуется ужимина, изображенная на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Механизм образования (а) и общий вид (б) ужимины

22

Чем больше толщина высушенного слоя, тем больше К и, следовательно, меньше вероятность отслоения. Поэтому повышение теплопроводности смеси – один из методов борьбы с ужиминами. С целью увеличения К на поверхность формы наносят рифление, которое часто используют для предотвращения этого вида брака на практике (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Рифление на поверхности формы

Для снижения интенсивности прогрева формы в процессе заливки уменьшают степень черноты поверхности формы, окрашивая ее в белый цвет или покрывая, например, алюминиевой фольгой.

Для уменьшения величины напряжений необходимо увеличить пластичность или деформационную способность смеси. Для этой цели применяют песок с рассредоточенной структурой и угловатой формой зерен, который лучше деформируется, чем песок с концентрированной основой и округлыми зернами. В смесь добавляют легко выгорающие или плавящиеся добавки (каменный уголь, торф, опилки, древесную муку, битум, мазут, пеки и т.п.).

Смеси с повышенной прочностью необходимо применять в сухом состоянии. Продолжительность заполнения формы должна быть меньше времени отслоения поверхностных слоев. Ужимины чаще всего образуются при литье в сырые формы, но иногда возникают и при литье в сухие формы.

Физико-химические процессы взаимодействия расплава и поверхностных слоев формы приводят к образованию пригара на поверхности отливки. В результате тепловых, механических и физикохимических процессов на границе «расплав – форма» на поверхности отливки образуется более или менее прочно связанный с ней пригарный слой, состоящий из прожилок сплава, частиц смеси и

23

продуктов их взаимодействия. Вид брака, связанный с образованием трудноудалимого пригарного слоя, называется пригаром. Схема пригарного слоя на поверхности отливки показана на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Схема строения пригарного слоя:

1 – зерна кварца; 2 – прожилки расплава; 3 – жидкий расплав

Видно, что пригарный слой состоит из зерен кварца 1, окруженных пленками расплава 2, соединений 2FeO SiO2, MnO SiO2,

2MnO SiO2 и др. В разделе 5 более подробно описаны механизмы образования различных видов пригара и методы борьбы с этим дефектом отливок.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Исходя из теоретических положений о формировании свойств формовочных и стержневых смесей, а также процессов, происходящих в литейной форме при ее изготовлении и эксплуатации, сделаем вывод, что основное влияние на качество будущей отливки оказывают исходные формовочные материалы. Учитывая огромное многообразие материалов, используемых для приготовления смесей и противопригарных красок, в зависимости от выполняемых функций их укрупненно можно разделить на три основные группы:

–основная огнеупорная часть, называемая наполнителем;

–связующие материалы, служащие для придания смесям требуемой прочности;

–вспомогательные материалы (добавки), выполняющие функции отвердителей, поверхностно-активных веществ (ПАВ), противопригарных и противоужиминных материалов, а также компонен-

24

тов, способных регулировать такие свойства смесей, как пористость, податливость, прилипаемость, текучесть, теплоаккумулирующую способность, выбиваемость и т.д.

В зависимости от вида сплава, габаритных размеров отливки, ее сложности и серийности производства ко всем составляющим смесей и к смесям в целом предъявляются самые разнообразные требования, но общими для всех являются:

–высокая огнеупорность и термостойкость;

–инертность к расплавленному сплаву;

–низкая газотворная способность;

–экологическая безопасность;

–экономическая целесообразность их применения в конкретном технологическом процессе.

Более подробная характеристика основных наполнителей формовочных смесей и противопригарных красок приведена в разделе 3.

Одним из основных показателей, определяющих области использования наполнителя, является его температура плавления или огнеупорность. Так, если у кварцевых песков температура плавле-

ния находится в пределах 1550-1713 С в зависимости от степени чистоты материала, а у оливиновых минералов – 1750-1860 С, то у цирконовых песков этот показатель превышает 2000 С. Учитывая это, кварцевые наполнители наиболее эффективно использовались в смесях, служащих для изготовления чугунных отливок. А такие огнеупорные наполнители, как оливиновые и цирконовые пески, – для получения стальных и крупных чугунных отливок. Не менее важным свойством наполнителей с точки зрения протекания процессов кристаллизации отливок являются такие теплофизические характеристики, как теплоемкость, теплопроводность, теплоаккумулирующая способность.

Для связующих материалов, формирующих прочностные свойства смесей и красок в исходном и нагретом состояниях, также существует ряд характеристик, определяющих качество и возможность использования связующих в тех или иных технологиях изготовления форм, стержней и противопригарных красок. В разделе 4 представлены современная классификационная система связующих материалов, их основные свойства и области применения.

Что касается добавок, то этому классу вспомогательных материалов иногда незаслуженно уделяется мало внимания. Вместе с

25

тем они играют существенную роль при формировании свойств смесей и красок и оказывают большое влияние на качество отливок. Многообразные вспомогательные материалы можно классифицировать по областям применения следующим образом:

а) для использования в составах формовочных и стержневых смесей в качестве отвердителей, материалов, регулирующих механические, технологические, теплофизические свойства, а также снижающих трудоемкость изготовления отливок;

б) для использования в составах противопригарных красок в качестве отвердителей, растворителей и регуляторов технологических свойств;

в) для изготовления специальных составов, используемых в технологиях изготовления и сборки форм (замазки, клеи, натирки, жгуты и т.д.).

Только изучение свойств и возможностей исходных формовочных материалов позволяет осуществлять правильный синтез смесей с заранее заданными свойствами, гарантирующими высокое качество отливок.

3. НАПОЛНИТЕЛИ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ

Как известно, наполнители представляют собой огнеупорную основу формовочных и стержневых смесей, а также противопригарных красок. В связи с этим они влияют как на качество литейной формы или стержня, так и на саму отливку. Поэтому наполнители должны быть прежде всего тугоплавкими, термостойкими, химически инертными, металлофобными, т.е. химически инертными к жидким сплавам, с незначительным объемным расширением в процессе нагревания.

Учитывая, что основным показателем наполнителей является их огнеупорность, они могут быть разделены на три основные группы

(табл. 3.1):

–высокоогнеупорные с температурой плавления более 1800 °С;

–среднеогнеупорные с температурой плавления 1600-1800 °С;

–огнеупорные с температурой плавления 1200-1600 °С.

Физико-химические свойства наполнителей определяются их внутренним (кристаллическим или аморфным) строением. Для кристаллических соединений определяющим является строение кристаллической решетки, форма и структура ее элементарной ячейки.

26

Таблица 3.1

Классификационные характеристики наполнителей

Кристаллическая решетка каждого минерала характеризуется структурной плотностью, которая представляет собой количество структурных узлов (атомов, ионов) в единице объема кристаллического пространства [12] и может быть выражена отношением числа атомов элементарной ячейки к ее объему:

где Nяч – число атомов элементарной ячейки минерала;

Vяч – объем элементарной ячейки кристаллической решетки.

В свою очередь число атомов элементарной ячейки минерала можно представить следующим образом:

где ni – количество атомов каждого сорта в формульной единице вещества (например, для SiO2 – nSi = 1, n0 = 2);

ni – сумма структурных узлов формульной единицы; Z – число формульных единиц в элементарной ячейке. Подставив (3.2) в (3.1), получим:

Исследованиями геохимиков установлено, что структурная плотность кристаллических решеток является функцией термодинамических условий образования минералов – в результате минералы, имеющие повышенные значения структурных плотностей, образовываются при более высоких температурах и давлениях и во время повторных нагреваний способны сохранять свои свойства без изменений. В условиях работы литейной формы такие минералы обладают повышенной огнеупорностью, что наглядно видно из результатов, представленных в табл. 3.1.

Кристаллическая структура минерала определяет весьма важное свойство наполнителей – линейное и объемное расширение при нагреве.

29

В зависимости от характера соединения атомов структурные элементы кристаллической решетки могут быть открытого типа (атомы соединены по прямым или зигзагообразным линиям) и закрытого (атомы или радикальные группы атомов образуют кольца). Термическое расширение кристаллов с элементами открытого типа определяется общей суммой изменений всех межатомных расстояний, а с элементами закрытого типа – суммой произведений этих изменений на косинусы углов между направлениями связей. В случае островного расположения радикальных групп увеличение межатомных расстояний носит локальный внутрикомплексный характер и незначительно влияет на общее расширение кристалла.

По возрастанию влияния на термическое расширение типы кристаллических структур располагаются в следующей очередности: слоистые из замкнутых колец (графит, пирофиллит и др.); островные с изолированными группами (кварцевое стекло, циркон и др.); координационные с общими гранями (бадделеит), с общими ребрами (хромит, рутил, корунд и др.), с общими вершинами (кварц); координационные, структурные элементы которых расположены линейно во всех направлениях (нитрид титана, галит и др.).

Представленные в табл. 3.1 данные по твердости характеризуют не только степень устойчивости минерала, но и его абразивное действие, что немаловажно для организации технологических процессов смесеприготовления и изготовления форм и стержней. И, наконец, показатель рН позволяет технологу определить, какие компоненты смеси (щелочные или кислые) должны применяться с тем или иным наполнителем. Так, магнезит можно использовать только со щелочными связующими материалами, а дистен-силлиманит предпочтительно с кислыми. В то же время кварц, имея ярко выраженную нейтральную атмосферу, может успешно применяться как со щелочными, так и с кислыми материалами.

3.2. Высокоогнеупорные наполнители

Как следует из данных, представленных в табл. 3.1, при изготовлении крупных отливок, особенно из легированных сталей в индивидуальном и мелкосерийном производствах, применяют смеси и противопригарные покрытия на основе высокоогнеупорных и химически инертных наполнителей.

30