Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

Операции изготовления форм из жидкостекольных смесей по СО2-процессу аналогичны традиционным методам формовки, т.е. сам процесс уплотнения смеси может осуществляться либо вручную, либо любым из известных машинных способов. Особенности СО2-процесса заключаются лишь в подготовке модельной оснастки и продувке смеси углекислым газом.

В связи с тем, что жидкостекольные смеси (особенно для СО2-процесса) обладают повышенной прилипаемостью к модельной оснастке и поверхности стержневых ящиков, их, как правило, окрашивают нитроэмалью, а непосредственно перед началом формовки наносят защитный слой серебристого графита, смоченного в керосине или растворе жирового гудрона в керосине. Кроме того, у моделей и стержневых ящиков, применяемых для изготовления жидкостекольных форм и стержней, следует предусматривать несколько больше, чем обычно, формовочные уклоны.

Обычно при использовании жидкостекольных смесей для изготовления форм с целью экономии формовочных песков применяют комбинированные формы, состоящие из облицовочной жидкостекольной и наполнительной песчано-глинистой смесей. Облицовочная смесь, как обычно, наносится слоем толщиной 50-60 мм на модель, а остальной объем опоки заполняется наполнительной смесью. После уплотнения смеси в опоке осуществляется продувка углекислым газом одним из двух способов: после извлечения из формы модели (рис.10.6,а, б) или до извлечения моде-

ли (рис.10.6, в)

Рис. 10.6 Способы продувки формы углекислым газом: 1 — балло с углекислым газом; 2 — редуктор; 3 — шланг; 4 — сопло; 5 — облицовочная жидкостекольная смесь; 6 — наполнительная смесь; 7 — опока; 8 — ниппель; 9 — зонт; 10 — модель.

При первом способе форму продувают из специальных сопл через наколы в облицовочном слое или, перекрыв форму зонтом, заполняют всю полость формы газом. В этом случае облицовочные смеси должны иметь высокую прочность для обеспечения качественного извлечения модели.

При втором способе (рис.10.6, в) продувку выполняют через полость модели и отверстия в ее стенках. При этом применяют смеси с низкой сырой прочностью. Чтобы облегчить извлечение модели из формы после продувки, модель выполняют с отъемными стенками. Применение отъемных стенок модели позволяет отказаться от литейных уклонов в крупных отливках и уменьшить припуски на механическую обработку. Длительность продувки зависит от размеров формы, принятого способа подачи газа и состава смеси и составляет 1-10 мин. Увеличение длительности продувки приводит к снижению прочности смеси, при этом на поверхности смеси возникает белый

291

налет, смесь начинает осыпаться. Это объясняется излишним обезвоживанием и растрескиванием пленок кремнегеля.

Продувку форм углекислым газом производят под давлением 0,5-0,6 МПа, а расход его составляет 10-12 кг на 1 т отливок.

Принудительную фильтрацию СО2 через форму можно осуществлять под действием разрежения. Для этого форму помещают в герметичную камеру, из которой откачивают воздух до разрежения не более 50 мм рт. ст. Затем в камеру подают углекислый газ, который под действием вакуума хорошо фильтруется по порам уплотненной формовочной смеси, способствуя тем самым равномерному упрочнению формы.

Изготовление стержней из жидкостекольных смесей с последующей продувкой углекислым газом начинают с очистки и смазки стенок стержневого ящика. При этом в зависимости от габаритных размеров стержни изготавливают либо объемными, либо пустотелыми. Уплотнение смеси в ящиках осуществляют вручную, на встряхивающих или пескодувных машинах. Специфической операцией так же, как и при изготовлении форм, является продувка стержня углекислым газом. Эту операцию выполняют различными способами: вручную или на специальных продувочных установках (рис.10.7).

Рис.10.7 Способы продувки стержней углекислым газом.

К наиболее распространенному способу относится продувка стержня углекислым газом через наконечник и наколы (рис.10.7,б). После уплотнения стержневой смеси в ящике вентиляционной иглой диаметром 6-15 мм накалывают отверстия с шагом 80-120 мм на всю глубину, немного не доводя их до нижней стороны ящика. В эти наколы вставляют соответствующего диаметра наконечники, изготовленные из металлических трубок, нижние концы которых защищают, а по бокам просверливают отверстия диаметром 1,0-1,5 мм. Углекислый газ под давлением 0,3-0,6 МПа

292

подают из баллона по шлангу в наконечники. По мере затвердевания стержня наконечники шлангов переставляют в очередные наколы до полного упрочнения всего стержня.

Продолжительность продувки стержней в каждом отдельном случае устанавливают опытным путем в зависимости от габаритных размеров и конфигурации стержня. Продолжительность продувки должна быть такой, чтобы стержень несколько недотвердел, так как переотверждение приводит к уменьшению прочности и появлению осыпаемости стержня.

При изготовлении пустотелых стержней продувку их углекислым газом осуществляют (после удаления из стержня вкладыша для образования пустот) с помощью шланга 3 (рис.10.7, а) и плиты 2, предотвращающей выход газа из полости стержня. Пустотельные стержни можно также отверждать через боковые стенки 4 ящика 1, не извлекая вкладыш 7 (рис.10.7, в).

Стержни небольших размеров, как правило, до отверждения извлекают из ящиков и устанавливают на сушильную плиту (рис.10.7, г), после чего с помощью груза-противовеса 6 на плиту опускается герметичный колпак 5, в пространство которого подается углекислый газ, отверждающий стержни.

Стержни, изготовленные из смесей с уменьшенным содержанием жидкого стекла и предназначенные для стальных отливок, поступают на сборку неокрашенные через час после упрочнения их продувкой углекислым газом. Чтобы повысить поверхностную прочность, увеличить сохраняемость и противопригарность, отвердевшие стержни опрыскивают концентрированным водным раствором поваренной соли с плотностью 1200 кг/м3 или водным раствором жидкого стекла плотностью 1300 кг/м3. Опрыскивание производят пульверизатором равномерным слоем до пропитки стержня на глубину примерно 2 мм.

После опрыскивания стержни выдерживают не менее 12 ч до полного высыхания пропитанной поверхности. Обработанная таким способом поверхность стержней становится прочной, имеет низкую осыпаемость и обеспечивает более низкую шероховатость поверхностей стальных отливок из мало- и среднеуглеродистых сталей. Такие стержни пригодны к употреблению в течение месяца. Неупрочненные же таким образом стержни должны быть использованы в течение суток.

Стержни, изготовленные из смесей с уменьшенным содержанием жидкого стекла и предназначенные для отливок из чугуна, поступают на сборку после продувки их углекислым газом в окрашенном виде, чтобы предупредить образование пригара на отливках. Краску наносят кистью или пульверизатором, используют, как водные, так и самовысыхающие краски.

Места, где стержень недостаточно противостоит пригару, повторно окрашивают той же краской. Каждый слой водной краски высушивают пламенной ручной горелкой или в специальных сушилах.

В массовом производстве стержни по СО2-процессу изготавливают на встряхивающих или пескодувных машинах, которые, как правило, встраивают в состав механизированных или автоматизированных линий.

Основными преимуществами СО2-процесса являются экологическая безопасность, воз-

293

можность изготовления, как форм, так и стержней для отливок из любых сплавов, а также относительная дешевизна. Недостатки, присущие этому процессу, связаны, в первую очередь, с невозможностью изготовления сложных ажурных стержней из-за более низкой, чем в Cold-box или Hotbox -процессах.

10.5.Стержневые самотвердеющие смеси

Всоответствии с классификацией (табл.10.1) этот класс химически твердеющих смесей можно разделить на следующие группы:

маложивучие холоднотвердеющие смеси (ХТС) на основе органических связующих материалов;

жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) на основе органических связующих материалов;

пластичные самотвердеющие смеси (ПСС) на основе жидкого стекла и фосфатных связок;

ЖСС на основе жидкого стекла.

10.5.1.Маложивучие ХТС

Эти смеси применяются для изготовления стержней при получении отливок массой от 0,5 кг до 50 т в индивидуальном и мелкосерийном производстве отливок из черных и цветных сплавов. При этом используются смоляные связующие, описанные в параграфе 4.5. Типовые составы и свойства ХТС приведены в табл. 10.7.

Рис. 10.8 Смеситель непрерывного действия

Для приготовления ХТС с органическими связующими материалами, наилучшим агрегатом является смеситель непрерывного действия, например, (рис.10.8), который, как правило, работает совместно с устройствами для уплотнения, кантовки и протяжки моделей или стержней, транспортирования оснастки и т.д. При использовании такого смесителя песок поступает по закрытому лотку 6 в приемную часть лопастного вала 5, вращающегося от электродвигателя 7. На- сосами-дозаторами 1, расположенными внутри основания 2, в приемную часть смесителя подается связующий материал и катализатор отверждения ХТС. При вращении вала 5 происходит интенсивное перемешивание компонентов и перемещение смеси к лотку выдачи 4. Пульт управления 3 смесителя расположен на рукоятке, позволяющей поворачивать смесительный орган на требуемый для заполнения опоки или стержневого ящика угол.

294

Таблица 10.7

Примечание. Огнеупорная основа смесей для чугунных и цветных отливок – кварцевый песок (100%), для стальных отливок – циркон или дистен-силлиманит

(100 %)

295

Наряду с основными исходными материалами, иногда в составах ХТС применяют и специальные добавки, предназначенные для улучшения некоторых технологических свойств, например, увеличения живучести смеси, улучшения противопригарных свойств, податливости стержней, предотвращения образования подкорковой газовой пористости, просечек и др. В качестве таких добавок используют, например, соли трехвалентного железа, оксид железа, древесную муку, оксид алюминия, колчеданный огарок и др.

Основной особенностью ХТС является обратная взаимосвязь между скоростью отверждения и живучестью смеси. В связи с этим процесс ее приготовления должен быть максимально кратковременным (3-30 с), после чего смесь должна немедленно использоваться для изготовления форм и стержней. Наилучшим образом отвечают этим требованиям шнековые смесители непрерывного действия (рис.10.8).

В крупносерийном и массовом производстве стержней из ХТС можно применять пескострельные машины, отличительной особенностью которых является наличие узла приготовления смеси. При этом возможны два варианта конструкций таких машин

(рис.10.9).

296

схеме (рис.10.9, б) два вертикальных шнековых смесителя, расположенных над пескостельной головкой, готовят и подают две базовые смеси – отдельно со связующим и с катализатором – в смеситель, а затем в пескострельный резервуар. В обеих системах принципиальной особенностью является приготовление замеса на один стержень. При смене стержневого ящика производится переналадка дозирующих устройств на новый объем замеса.

Серьезным недостатком этих установок, во многом стержневого ящика производится переналадка дозирующих устройств на новый объем замеса.

Серьезным недостатком этих установок, во многом сдерживающим их широкое применение, является необходимость работы со смесями, имеющими малую живучесть, что создает определенные трудности с очисткой пескостерльного резервуара практически после каждого выстрела, опасность отверждения смеси непосредственно в машине при нарушениях в системе автоматического управления.

Технология изготовления стержней из песчано-смоляных ХТС отличается от традиционной технологии изготовления стержней (тепловой) в первую очередь тем, что уменьшается число технологических операций и их трудоемкость, отпадает необходимость в ряде транспортных операций и погрузочно-разгрузочных работ.

Учитывая то, что при отверждении ХТС усадка смеси составляет 0,5%, при проектировании оснастки должны быть предусмотрены повышенные на 30-50% уклоны. Как правило, стержне-

298

вые ящики, особенно для сложных стержней, делают разъемными или вытряхными с отъемными частями, что облегчает извлечение стержней. ХТС обладают незначительной прилипаемостью к поверхности стержневых ящиков и моделей. В связи с этим в качестве разделительных покрытий применяют традиционными составы: смесь серебристого графита с керосином (1:2), 1-2%-ный раствор парафина или воска в керосине или бензине и др. Разделительное покрытие наносят на чистую поверхность ящика или модели тонким слоем, не допуская натеков, во избежание намокания поверхностного слоя стержня.

Стержневые ящики изготавливают из дерева, металла или пластмассы. При этом наименьшей адгезией смесь обладает к металлическим ящикам.

Смеси, приготовленные в смесителе непрерывного действия, подают в стержневой ящик непрерывно. Перерыв в работе смесителя при изготовлении одного стержня допускается только как исключение на период, не превышающий время живучести смеси.

Уплотнение смеси в стержневом ящике производят вибрацией (вибростол), встряхиванием, ручной или пневматической трамбовкой, пескодувным способом. В местах углублений в поднутрений в стержневом ящике смесь тщательно доуплотняют вручную или пневмотрамбовкой.

Механизм отверждения ХТС основан на том, что введение в

состав смеси кислотного катализатора резко сдвигает рН системы в кислую область, что инициирует протекание поликонденсационных процессов между отдельными олигомерами связующего материала

299

и образование его пространственной структуры, формирующей как адгезионные связи между отдельными зернами наполнителя смеси, так и собственную когезионную прочность. Как это было показано

в§ 4.6, с целью увеличения адгезионной прочности в состав ХТС можно вводить кремнийорганические мономеры (силаны) в количестве 0,05-0,3% от массы смолы.

Механизм их действия основан на резком усилении адгезионного взаимодействия смолы с наполнителем в результате реализации химической реакции (4.43). Добавка силана способствует увеличению прочности ХТС в 1,5-3 раза, что позволяет снизить расход связующего до 0,8-1,2% от массы наполнителя и уменьшить

всвязи с этим газотворность смеси до 8-10 см3/г.

Разновидностью маложивучих ХТС являются фенолоуретановые смеси, которые применяются для изготовления стержней отливок из серого чугуна и стали. Связующая система состоит из трех частей: фенольной смолы в количестве 1,3-2,0%, полиизоцианата (0,5-0,7%), катализатора. Механизм отверждения связующей системы аналогичен Cold-box-амин-процессу. В качестве катализатора могут быть использованы жидкие третичные амины, пиридин и некоторые соли. Характеристика связующих систем приведена в табл.10.8.

300