Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

раска песков свидетельствует обычно о наличии гидроксидов железа в виде тонких пленок на поверхности зерен, существенно снижающих качество песка.

Карбонаты, так же как и все остальные примеси, являются потенциальными источниками брака отливок. В табл. 3.3 представлены характеристики основных карбонатов, содержащихся в песках. Карбонаты, разлагаясь при значительно более низких температурах, чем температура заливаемого металла, выделяют углекислый газ, что может привести к образованию газовых раковин.

Таблица 3.3 Характеристика карбонатов, содержащихся в песках

Из других примесей следует отметить глауконит – водный алюмосиликат железа и магния. В формовочных песках присутствует в виде мелких зерен округлой формы, в значительных количествах – окрашивает пески в зеленый цвет. Глауконит в песке истирается, а образующаяся пыль понижает газопроницаемость и увеличивает возможность образования газовых раковин и пригара.

Таким образом, все примеси, имеющиеся в песках, являются вредными и способствуют образованию того или иного вида брака отливок. Например, оксиды щелочных металлов, содержащиеся в слюдах и полевых пшатах, образуют такие легкоплавкие эвтектики,

как K2O 4SiO2 с температурой плавления 770 °С или Na2O SiO2 с температурой плавления 874 °С, и другие, которые способствуют образованию химического термического пригара на поверхности отливки. В связи с этим необходимо стремиться к тому, чтобы для изготовления форм и стержней использовать кварцевые пески с минимальным содержанием примесей.

41

Зерновой состав песка определяет большинство технологических свойств смесей. Совокупность частиц, попадающих по размерам в один интервал, называется фракцией песка или смеси.

Зерновая фракция песка размером менее 0,02 мм, независимо от химического состава, называется глинистой составляющей. Совокупность частиц прочих фракций называется песчаной основой. Наибольшее значение имеет величина зерен, а также их форма и состояние поверхности. Кроме этого, на свойства формовочных смесей влияет содержание крупных и мелких зерен в общей массе песка.

Зерновой состав определяют просеиванием через набор сит. Этот способ называется ситовым анализом; его применяют для разделения песка на фракции по размерам зерен. Основной фракцией песка считается наибольшая сумма остатков на трех смежных ситах. Перед определением зернового состава предварительно отделяют глину, входящую в состав песка, от зерен кварца отмучиванием.

Отмучивание проводится следующим образом. Навеску песка или смеси 50 г высушивают при 105-110 °С, высыпают в литровую стеклянную банку и заливают 475 см3 дистиллированной воды и 25 см3 1-процентного раствора едкого натра NaОН. Банку устанавливают на специальный прибор для взбалтывания, на котором она вращается в течение часа со скоростью 60 об/мин. Затем в банку доливают столько воды, чтобы ее уровень находился на высоте 150 мм от дна, и дают взвеси песка в воде отстояться в течение 10 мин. Зерна кварца оседают на дно, а глинистые составляющие вместе с водой удаляются из банки с помощью сифона. Нижний конец сифона должен находиться на расстоянии 25 мм от дна банки и 125 мм от уровня воды.

Указанные операции повторяют до тех пор, пока вода в банке не станет прозрачной, что свидетельствует об удалении глинистой составляющей из песка. Содержимое банки фильтруют, песок, оставшийся на фильтре, высушивают при 105-110 °С и взвешивают. Потеря массы в процентах от первоначальной (50 г) выражает содержание глинистой составляющей.

Пески условно разделяются по форме зерен на округлые, полуокруглые и остроугольные. Степень округлости зерен зависит от минералогического состава песка, характера происхождения и величины зерен (табл. 3.4).

42

Таблица 3.4

Количество зерен песка (%) различной формы

Поверхность зерен песка может иметь шероховатость, а также быть полностью или частично покрыта оболочкой из другого вещества, чаще всего глины. Поверхностная оболочка зерен может иметь различное строение. Состояние поверхности в значительной степени влияет на свойства песка и формовочной смеси. Можно выделить следующие типичные виды оболочек на поверхности песков: глинистые, железистые и переходные между глинистыми и железистыми.

Твердость минералов определяется степенью сопротивления их царапанью по шкале Мооса, состоящей из десяти минералов, из которых каждый последующий минерал тверже предыдущего:

Влажность. Вода в формовочных песках по степени связанности с зернами песка разделяется на два вида: не входящую в состав минералов и входящую в них, о чем более подробно изложено в п. 4.2.1.

Влажность формовочных песков характеризуется содержанием в них механически примешанной воды и гигроскопической влаги; выражается в процентах, определяется по ГОСТ 23409.5-78. Сущность метода состоит в определении потери массы навески песка (50 г) после высушивания при 105-110 °С до постоянной массы. Первое взвешивание проводят после 30-минутной сушки, а последующее – через каждые 15 мин. Масса песка считается постоянной,

43

если разность результатов двух последующих взвешиваний не превышает 0,02 г.

Концентрация водородных ионов рH. Вода диссоциирует по

уравнению H2O H+ + OH-. Величину [H+] [OH-] называют ионным произведением воды, которое составляет 10-4. Пользуясь ионным произведением воды, можно выразить любую реакцию среды на основе концентрации только водородных ионов. В нейтральном растворе концентрации ионов Н+ и ОН- одинаковы и равны 10-7. В кислом растворе концентрация Н+ будет увеличиваться, а в щелочном – уменьшаться. Количественное обозначение реакции среды выражается водородным показателем рН, который представляет собой отрицательный логарифм концентрации водородных ионов, т.е. рН = -log[H+]. Тогда нейтральная среда будет характеризоваться

рН = 7, кислая – рН 7, а щелочная – рН > 7.

Чистые кварцевые пески имеют показатель рН, близкий к 7. Именно такие пески требуются для химически твердеющих смесей. С увеличением степени загрязнения песков изменяется и их показатель рН. В зависимости от вида примесей рН может быть выше или ниже 7; и то и другое оказывает отрицательное влияние на стабильность процесса формирования прочности химически твердеющих смесей.

Концентрацию водородных ионов определяют по ГОСТ 29234.6-91 с помощью рН-метра. Навеску песка массой 20 г помещают в стаканчик, наливают 100 см3 дистиллированной воды, взбалтывают в течение 10 мин и дают отстояться в течение 10 мин. Затем раствор, не взмучивая осадка, переносят в специальный стаканчик вместимостью 50 см3, опускают в него электрод рН-метра и снимают показание прибора.

Показатель чистоты целесообразно определять при использовании формовочных песков для приготовления холоднотвердеющих смесей. Метод его определения предложен в ЦНИИТМаше и заключается в обработке наполнителя стандартным раствором кислоты, которая при этом частично нейтрализуется. Чем сильнее основность наполнителя, тем в большей степени нейтрализуется кислота и тем меньшее количество фиксанола (раствор NaOH) требуется добавить при титровании до полной нейтрализации вытяжки.

В 50 г песка вводят 50 см3 дистиллированной воды и 50 см3 0,1 нормального раствора соляной кислоты, взбалтывают в течение 5 мин и титруют водную вытяжку 0,1 нормального раствором едко-

44

го натра по метилоранжу. Пригодным в отношении условий отверждения смеси является наполнитель, титр которого (показатель чистоты) составляет 35-45 см3 раствора едкого натра. Этот метод может использоваться для контроля качества наполнителей в производственных условиях. Показатель чистоты для некоторых песков имеет следующие значения: 39,4 для кварцевого; 42,5 для цирконового; 41,3 для дистенсиллиманитового; 40,4 для рутилового; 9,0 для магнезитохромового.

Пористость песка – это отношение объема пустот ко всему объему песка. Пористость зависит от формы частиц и их взаимного расположения (табл. 3.5).

Газопроницаемость – способность песка пропускать через себя воздух. Газопроницаемость формовочного песка зависит от размера, формы и состояния поверхности зерен, однородности зернового состава, влажности, содержания глинистой составляющей. Вследствие большего размера пор крупнозернистые пески имеют более высокую газопроницаемость. Остроугольные зерна хуже уплотняются, чем округлые, поэтому размеры пор у них больше. Однако поверхность остроугольных зерен более шероховатая и создает большее сопротивление прохождению воздуха. Эти два фактора действуют на газопроницаемость в противоположных направлениях, поэтому газопроницаемость остроугольных зерен может быть выше, равна или ниже, чем округлых.

Газопроницаемость рассредоточенных песков ниже газопроницаемости песков однородного зернового состава. Ее определяют при естественной или оптимальной влажности по ГОСТ 29234.11-91.

Образцы песка с естественной влажностью готовят на лабораторном копре в неразъемной стандартной металлической гильзе.

45

Образцы должны иметь высоту (50 0,8) мм, которая контролируется по трем рискам, нанесенным на станину и шток копра. Если газопроницаемость песка при естественной влажности не соответствует требованиям ГОСТ 2138-84, то к навеске песка массой 700 г добавляют воду (при перемешивании) до получения оптимальной влажности, при которой достигается максимальная газопроницаемость.

С увеличением количества добавляемой воды газопроницаемость песков с низким содержанием глины, как правило, резко снижается.

Для песков со значительным содержанием глины газопроницаемость с добавлением воды сначала увеличивается, достигая максимального значения, а затем начинает уменьшаться.

Огнеупорность – это свойство материала противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Определяется она с помощью стандартных керамических пироскопов. Для формовочных песков главным фактором, определяющим огнеупорность, является минералогический состав. Основой формовочных песков является кварц, температура плавления которого 1713 °С. Примеси других материалов понижают огнеупорность кварца. Так, композиция из 5,5% Al2O3 и 94,5% SiO2 образует эвтектику при 1545 °С, а при наличии третьего оксида и их соотношении 2FeO Al2O3 2SiO2 эвтектика образуется уже при 1140 °С. В зависимости от чистоты кварцевых песков их огнеупорность составляет 1500-1770 °С.

Теплоаккумулирующая способность bф предопределяет получе-

ние качественной поверхности отливок и условия их затвердевания. Для кварцевого песка величина bф составляет 1260 Вт с1/2 (м2 С),

для хромитового – 2240 Вт с1/2/(м2 С). Однако состав конкретной смеси и условия изготовления формы (степень уплотнения, размер

зерен песка и т.д.) могут оказать на величину bф более сильное влияние, чем природа песков.

Классификация песков. Формовочные пески на основе кварца в соответствии с ГОСТ 2130-91 в зависимости от массовой доли глинистой составляющей (частиц глинистых материалов и обломков зерен кварца и других минералов размером менее 0,02 мм) подразделяют на кварцевые (К), тощие (Т) и жирные (Ж).

Кварцевые и тощие формовочные пески подразделяют на группы в зависимости от массовой доли глинистой составляющей, диоксида кремния, коэффициента однородности и среднего размера зерна,

46

жирные – от предела прочности при сжатии во влажном состоянии и среднего размера зерна.

Кварцевые пески содержат до 2,0% глинистой составляющей. Группы кварцевых песков в зависимости от количества глинистой составляющей, диоксида кремния, коэффициента однородности и среднего размера зерна представлены в табл. 3.6-3.9.

Тощие пески содержат от 2,0 до 12,0% глинистой составляющей и классифицируются в зависимости от количества глинистой составляющей (табл. 3.10), диоксида кремния (табл. 3.11), коэффициента однородности (см. табл. 3.8) и среднего размера зерна (см.

табл. 3.9).

Жирные пески содержат от 12,0 до 50,0% глинистой составляющей и классифицируются в зависимости от предела прочности при сжатии во влажном состоянии (табл. 3.12) и среднего размера зерна

(см. табл. 3.9).

Таблица 3.6

Классификация по содержанию глинистой составляющей

47

48

Таблица 3.12 Классификация по пределу прочности при сжатии

Обозначение марок кварцевых и тощих песков состоит из обозначений групп по массовой доле глинистой составляющей, массовой доле диоксида кремния, коэффициенту однородности и среднему размеру зерна.

Пример. 2К1О302 – кварцевый формовочный песок с массовой долей глинистой составляющей от 0,2 до 0,5%, массовой долей диоксида кремния не менее 99,0%, коэффициентом однородности от 60,0 до 70% и средним размером зерна от 0,19 до 0,23 мм.

Обозначение марок жирных песков состоит из обозначений групп по пределу прочности при сжатии во влажном состоянии и среднему размеру зерна.

Пример. Ж2016 – жирный формовочный песок с пределом прочности при сжатии во влажном состоянии от 0,05 до 0,08 МПа и средним размером зерна от 0,14 до 0,18.

Требования к формовочным пескам.

Формовочные пески должны соответствовать требованиям ГОСТ 2138-91, техническим условиям на природные формовочные пески конкретных месторождений.

По массовой доле влаги, концентрации водородных ионов водной вытяжки (рН), массовой доле вредных примесей и форме зерен кварцевые пески должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 3.13 - 3.16.

49

Таблица 3.14

Требования по показателю рН

По теоретической удельной поверхности и газопроницаемости кварцевые и тощие пески должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 3.17, 3.18.

50