30. Теплофизические и технологические свойства сплавов материалов формы

Технологические свойства характеризуют способность смеси обеспечивать получение высококачественных форм при различных тех­нологических процессах их изготовления. К наиболее важным техноло­гическим свойствам относятся влажность, текучесть, уплотняемость, формуемость, насыпная плотность, прочность, ударная вязкость, при-липаемость, кажущаяся плотность.

Влажность определяется непосредственно после приготовления смеси (не позднее чем через 10 мин) по ГОСТ 23409-78. Влажность оказывает влияние практически на все технологические и рабочие свойства смесей. Важным технологическим фактором пластические свойства смеси. Они характеризует способность смеси к необратимым деформациям при приложении определенных внешних нагрузок. При уплотнении смеси ее пластичность определяется перемеще­нием частиц относительно друг друга и деформацией пленок, покры­вающих зерна наполнителя. Способность к пластической деформации смеси определяется влажностью, типом связующего и его вязкостью. Для оценки пластичности смеси различают следующие характеристики: уплотняемость, текучесть, сыпучесть, формуемость, заполняемость Уплотняемость характеризует способность смеси уменьшать свой объем (в замкнутом пространстве) под действием собственного веса или внешней нагрузки. Она определяется по относительному снижению вы­соты стандартного образца Смеси после уплотнения тремя ударами коп­ра (ГОСТ 23409. 13-78). Уплотняемостъ увеличивается с ростом влажности смеси до мо­мента покрытия поверхности зерен влажной пленкой. По мере заполне­ния водой пор смеси повышение влажности уменьшает уплотняемость. Уплотняемостъ уменьшается с увеличением вязкости связующего. От уплотняемости смеси зависит качество и чистота поверхности отливок.

Понятие текучести смеси строго определяется понятием пла­стичности, т. е: характеризует способность смеси получать пластиче­ские деформаций без нарушения сплошности под действием внешнего давления. Чем большую деформацию при данной нагрузке получает смесь, тем выше ее текучесть. Текучесть можно охарактеризовать как способность смеси к перемещению в направлении, перпендикулярном к уплотняющей силе. Высокая текучесть обеспечивает равномерную сте­пень уплотнения форм. Текучесть характеризуется сопротивлением смеси сдвигу ее слоев.

Степень связности песчано-глннистых смесей оценивается по их формуемости. Согласно ГОСТ 2340915-78 формуемость определяют по методу Диггерта путем просеивания пробы смеси за определенное время через вращающийся сетчатый барабан. Ее оценивают как выра­женное в процентах отношение массы смесн, прошедшей через ячейки сетки, к исходной массе смеси. Под формуемостью можно понимать способность смеси сжи­маться и изменять свой объем под действием сжимающей силы, которая увеличивается от начального значения до предельной величины. Выше этой величины смесь практически не уплотняется.

Важной характеристикой жидкоподвижных смесей (ЖСС) явля­ется подвижностъ, текучесть, характеризующая способность смеси заполнять полости стержневых ящиков или модельно-опочной оснастки под действием собственного веса. По ГОСТ 23409.25-78 подвижность ЖСС может определяться по сопротивлению сдвигу или диаметру расплывания определенного объема смеси.

Прочностные характеристики смесей определяются на стан­дартных образцах В соответствии с ГОСТ 23409.7-78 проводятся ис­пытания влажных, сухих и отвержденных образцов при сжатии, растя­жении, изгибе и срезе. Прочностные характеристики определяют на об­разцах смеси, полученных при стандартном уплотнении. При обычных испытаниях формовочных смесей определяют общую прочность, т.е. среднюю вели­чину по всему сечению образца. В объеме смеси каждое зерно равно­мерно со всех сторон связано с окру­жающими подобными же частицами пленкой связующего. Поверхностная прочность опреде­ляет сопротивляемость формы механическому и термическому воздействию струи металла при заливке формы и поэтому существенно влияет на качество поверхности отливок. Поверхностную прочность смесей характеризуют величиной осыпаемости. Определение осыпаемости по ГОСТ 234099-78 основано на из­мерении потери массы стандартного образца смеси в сыром и высушенном состояниях при его трении в течение 1 мин о стенки сетчатого барабана диаметром 110 мм и с размерами ячеек сита 2,5 мм, вращающегося с частотой 1с^-1.

Важным технологическим свойством смесей является их живу­честь, характеризующая время, в течение которого смесь сохраняет свойства, необходимые для принятой технологии изготовления форм стержней. Живучесть выражают отношением значений прочно­сти смеси, подученных после ее выдержки через определенные проме­жутки времени и сразу после приготовления.

Твердость - величина, характеризующая сопротивление поверх­ности проникновению в нее постороннего тела. Твердость форм и стержней косвенно характеризует такие свойства, как прочность и плотность смеси. Простота определения твердости без разрушения фор­мы обеспечила широкое распространение определения твердости как показателя качества формы или стержня.

Прилипаемостъ - характеризующее способность сырой смеси прилипать к ленте транспортера, стенкам бункеров, поверхностям моделей и стержневых ящиков. Прилипаемость - нежелательное свойство смесей. Прилипание смеси к твердым поверхностям возникает, если силы адгезии (сцепления) смеси с этими поверхностями больше сил когезии, характеризующих сцепление между отдельными частицами смеси. Для уменьшения сил адгезии необходимо снижать смачиваемость поверхностей водой или жидким свя­зующим, а также влажность смеси и содержание в ней связующего. С уменьшением поверхностного натяжения связующего сила адгезии и,следовательно, прилипаемость уменьшаются.

Очень важное значение имеет гигроскопичность смесей, т. е. их способность поглощать влагу при хранении стержней и выдержке форм перед заливкой. Гигроскопичность смесей зависит от рода применяемых связующих. Наибольшей гигроскопичностью обладают смеси на лигно-сульфонатах и жидком стекле (равновесная влажность 4,2 %), а наименьшей - смеси на маслах и смолах (равновесная влажность менее 1 %).

По ГОСТ 23409.10-78 гигроскопичность смесей определяют по нарастанию массы образца, выдержанного в течение 2 ч в эксикаторе на фильтровальной бумаге, помещенной на влажном песке.

Теплофизические свойства материалов формы. Теплофизические свойства смесей определяют тепловые процессы в отливке и в форме. Изменяя теплофизические свойства материала формы, можно в десятки раз изменять скорость затвердевания отливки. К основным теплофизическим свойствам относят удельную теплоемкость, теплопро­водность, плотность, коэффициент температуропроводности и коэффи­циент аккумуляции тепла. Удельная теплоемкость С - свойство, определяющее количество тепла, необходимое для изменения температуры единицы массы веще­ства на один градус. Удельная теплоемкость смесей зависит от состава, влажности, уплотнения и температуры. С увеличением влажности удельная теплоемкость возрастает. С повышением температуры увели­чение удельной теплоемкости происходит по линейному закону. Раз­мерность удельной теплоемкости - Дж/(кгК). Теплопроводность смеси определяется удельным тепловым потоком, передаваемым смесью по нормали к изотермической поверх­ности при градиенте температуры (dT/dn) равном единице. Размер­ность теплопроводности в СИ - Вт/(мК). На основании закона. Теплопроводность смеси определяется как эффективная, учиты­вающая все указанные процессы. Она увеличивается с ростом темпера­туры, влажности и уплотнения, а также с повышением содержания свя­зующего. Теплопроводность смеси зависит от теплопроводности напол­нителя.

Коэффициент температуропроводность, м²/с (распределение температур в стенке формы):

Теплоаккумулирующая способность формы b является основной физической константой, определяющей интенсивность охлаждения от­ливки. Величина b связана с основными теплофизическими свойствами выражением

Коэффициент аккумуляции тепла смесью зависит от состава сме­си, наполнителя, уплотнения, влажности и температуры. С ростом тем­пературы b увеличивается. Изменяя состав смеси и степень уплотнения, можно изменять b в пределах от 1000 до 4000 Вт-с^1У2/(м²-К). Как следует из вышеприведенной формулы, скорость затвердевания отливок при изменении b в указанном диапазоне может быть увеличена в 16 раз.

Так как теплофизические свойства смеси существенно зависят от температуры, то их реальные значения в зависимости от степени про­грева в разных точках по толщине стенки формы различны. Поэтому применяемые в расчетах значения теплофизических свойств, представ­ляющие собой некоторые усредненные, эффективные значения, являют­ся характеристикой не только смеси, но и конкретных технологических условий (вида сплава, толщины стенки отливки, степени уплотнения и т.п.).