Типы, свойста смесей и их приготовление

 

Для того чтобы рассматривать составы и свойства разнообразных формовочных смесей, представим себе, какой должна быть идеальная смесь.

Она должна быть дешевой, хорошо текучей и при соприкосновении с модельной оснасткой мгновенно затвердевать при комнатной температуре, образуя тонкую (оболочковую) форму с гладкой поверхностью и высокой прочностью. Форма должна быть несмачиваемой и химически инертной к заливаемому металлу, должна обладать хорошей газопроницаемостью, сохра­нять прочность и стабильность размеров до затвердевания отливки. Затем должна саморазрушаться на исходные материалы, которые могли бы без регенерации использоваться повторно. Пока еще нет реальных возможно­стей получения таких смесей, однако есть смеси, которые по некоторым свойствам приближаются к идеальной смеси, но недостатки по другим свойствам не позволяют их использовать повсеместно.

Поэтому в производстве применяются самые разнообразные по соста­ву и свойствам смеси, которые используют в зависимости от требований к отливке и возможностей предприятия. Выбирают оптимальный вариант, исходя из трех условий: максимально качественно, быстро, экономично получать отливки.

 

Классификация смесей

 

Смеси классифицируют по признакам, характеризующим их назначе­ние, физическое состояние, состав и свойства.

По назначению все смеси делятся на два вида: формовочные и стержневые. Стержневые смеси должны иметь более высокую газопроницаемость, большую прочность и податли­вость, чем формовочные, так как стержни, установленные в литейной форме, подвергаются более сильному тепловому и динамическому воздействию металла, чем форма.

Формовочные смеси, в свою очередь, делятся на единые, облицовочные и наполнительные.

Облицовочную смесь применяют только для облицовки рабочей поверхности формы. При изготовлении формы поверхность модели покрывают слоем этой смеси толщиной 20–40 мм, остальной объем опоки заполняют наполнительной смесью.

Наполнительная смесь представляет собой отработанную (бывшую в употреблении) смесь; по прочности она уступает облицовочным смесям, но имеет лучшую газопроницаемость.

Единую смесь применяют обычно для мелких отливок при машинной формовке. Она имеет средние свойства между свойствами облицовочных и наполнительных смесей.

Единая и облицовочные смеси должны иметь достаточную прочность, обеспечивающую сопротивление формы давлению металла при заливке. При использовании облицовочной смеси значительно сокращается расход свежих формовочных материалов и добавок на тонну годных отливок. Однако применение облицовочной смеси усложняет технологию и механизацию изготовления формы.

По природе огнеупорной основы смеси разделяют на кремнеземистые, цирконовые и др. Наибольшее распространение получили кремнеземистые смеси, у которых в качестве огнеупорной основы используют кварцевые формовочные пески. Смеси с иной огнеупорной основой применяют глав­ным образом в целях предупреждения пригарообразования на массивных стальных и чугунных отливках.

В природе встречаются пески, содержащие такое количество глины, что после увлажнения и перемешивания их можно применять в качестве формовочной смеси. Такие смеси называют естественными. Эти смеси имеют пониженную газопроницаемость и огнеупорность.

Синтетические смеси – это смеси, в которые глину вводят в виде самостоятельной добавки. Пески в таких смесях используют либо высокосортные природные, либо обогащенные.

По роду заливаемого металла различают смеси для стального, чугунного и цветного литья. Смеси для стального литья изготавливают из наиболее кондиционных формовочных материалов, обеспечивающих высокую огнеупорность, газопроницаемость и другие высокие качественные показатели формам и стержням, так как температурное воздействие металла на форму в этом случае наиболее высокое (температура металла при заливке более 1 500 °С). Смеси для чугунного литья изготавливают из менее кондицион­ных формовочных материалов, так как температура металла при заливке формы в этом случае ниже (1 350–1 400 °С). Смеси для цветного литья изготавливают из материалов, к которым не предъявляются высокие требова­ния по огнеупорности и газопроницаемости, так как температура металла при заливке значительно ниже, чем при стальном или чугунном литье. Например, при разливке сплавов на основе меди температура металла не пре­вышает 1 200 °С, а сплавов на основе алюминия и магния – 780 °С.

По физическому состоянию формы перед заливкой различают смеси дня формовки «по-сухому» и «по-сырому».

По физическому состоянию свежеприготовленные смеси, то есть по со­стоянию до начала процесса отверждения, делятся на сыпучие, пластичные и жидкие.

Сыпучие смеси применяются при производстве оболочковых (корко­вых) форм, а также при изготовлении отливок по газифицированным моделям из пенополистирола. В исходном состоянии они не обладают связ­ностью зерен песка, способны к самопроизвольному воспроизведению кон­тура модели под действием собственной силы тяжести. Связующие пленки в смесях появляются при тепловой обработке за счет расплавления порош­кообразного связующего (пульвербакелит и др.). Смесь упрочняется непо­средственно на нагретой модельной плите в результате необратимых физи­ко-химических процессов. После твердения форма теряет способность к пластическим деформациям, что улучшает ее транспортабельность.

Сыпучие смеси при литье по газифицированным (выжигаемым распла­вом) моделям не содержат связующего. Сохранение контуров полости фор­мы обеспечивается вначале самой моделью, а при ее постепенном выжига­нии заливаемым расплавом – за счет давления газов, фильтрующихся через смесь из зазора между моделью и поступающим расплавом.

Образование формы при использовании жидких смесей происходит путем заливки смеси в опоку (на модель) или окунанием модельного блока в смесь. Упрочнение смесей с их переходом в твердое состояние осуществляется за счет протекания процессов удаления жидкой фазы (воды, спирта и др.) с образованием твердых пленок и химического отверждения связую­щего между зернами песка. Перевод смесей в жидкое состояние достигает­ся введением в их состав пенообразователей. Пузырьки пены уменьшают силы трения между отдельными зернами огнеупорных наполнителей, в результате чего смесь приобретает способность течь. Применяются такие смеси для «наливной» формовки в опоках и в качестве керамических сус­пензий для форм при литье по выплавляемым моделям.

Пластичные смеси занимают промежуточное положение между сыпучими и жидкими. Они обладают хорошей формуемостью под действием внешней нагрузки при уплотнении. Для придания пластичности в такие смеси вводят воду, жидкие и набухающие связующие материалы и специальные добавки, которые образуют на поверхности зерен огнеупорного материала-наполнителя клейкие пленки. Последние, выполняя функции плоскостей скольжения, облегчают процесс уплотнения смесей. Кроме того, они связывают частицы смеси, что способствует повышению ее прочности.

По способу отверждения форм и стержней смеси делятся: на смеси воздушного, теплового, горячего, химического твердения и самозатвердевающие смеси.

При указании формовочной смеси следует различать ее основу и связующие материалы. С учетом этого признака классификации используются до­полнительные термины, входящие в комплексное название основных типов смесей: «песчано-глинистая», «песчано-цементная», «песчано-смоляная».

В табл. 32 приведена классификация смесей (по типу, виду и характе­ру твердения), применяемых для изготовления форм и стержней. Эта клас­сификация позволяет предусмотреть также возможные варианты сочетания особенностей и их использования при изготовлении форм и стержней в различных производственных условиях.

 

Свойства смесей

 

Существуют стандартные методы испытаний формовочных и стержневых материалов, смесей и красок: для формовочных песков – ГОСТ 2138-91, глин формовочных – ГОСТ 3226-93, глин формовочных бентонитовых – ГОСТ 28177-89, песков формовочных, смесей формовочных и стержневых – ГОСТ 29234.0-91 – ГОСТ 29234.13-91. Эти стандарты охватывают большой диапазон физико-химических и технологических свойств материалов и смесей. Многие важнейшие технологические свойства формовочных смесей не регламентированы стандартами, поэтому в практике их контроля используются нестандартные методы испы­таний, разработанные ОАО «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» – ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» (жидкие самотвердеющие смеси), ОАО «Научно-исследовательский институт технологии автомобильной промышленности» – ОАО «НИИТавтопром» (смеси для литья по выплавляемым моделям).

 

Таблица 32

Классификация смесей (по Ю.Ф. Боровскому)

 

Тип смеси	Вид смеси	Категория смеси (по характеру твердения форм и стержней)	Область применения смеси (ориентировочная)
Песчано-глинистая	Пластичная	Не подвергающаяся твердению	Для форм и стержней (мелких, средних и крупных)
Теплового твердения
Песчано-жидкостекольная	Пластичная	Воздушного твердения	Для форм и стержней
Теплового твердения
Химического твердения
Самотвердеющая
Жидкая	Теплового твердения	Для крупных форм и стержней
Самотвердеющая
Песчано-смоляная	Сыпучая	Теплового твердения	Для оболочковых форм и стержней
Пластичная	Теплового твердения	Для мелких стержней
Самотвердеющая	Для мелких, средних и крупных стержней
Жидкая	Теплового твердения	Для средних стержней
Самотвердеющая
Песчано-сульфитная	Пластичная	Теплового твердения	Для мелких стержней
Самотвердеющая
Жидкая	Теплового твердения	Для средних форм
Самотвердеющая
Песчано-цементная	Пластичная Жидкая	Самотвердеющая	Для крупных форм и стержней
Песчано-масляная стержневая	Пластичная	Теплового твердения	Для малых и средних стержней

 

В ряде случаев в производственных условиях нет необходимости про­водить полный анализ перечисленных свойств; ограничиваются технологи­ческими, рабочими и общими свойствами. В связи с появлением новых смесей и технологий изготовления форм и стержней из них появляется не­обходимость в разработке новых методов контроля их свойств.

Кроме того, для современных АСУ ТП (автоматизация систем управления технологическими процессами) приготовления формовочных смесей и технологий изготовления форм стандартные методы, требующие длительного времени и одновременного контроля многих характеристик, становятся непригодными. Необходима си­стема комплексной оценки свойств. Структура песчано-глинистой смеси (ПГС) без добавок и с добавками предсатвлена на рис. 26. Для других типов смесей характер распределения связующего и специальных добавок такой же. Требуемое распределение материалов в структуре смеси обеспечивается правильным выбором исходных компонентов и режимов приготовления смеси.

На разных этапах использования смеси должны иметь определенный уровень комплекса свойств.

Во время изготовления форм и стержней от них требуются текучесть, прочность во влажном состоянии, отсутствие прилипаемости к модели или стержневому ящику и хорошая формуемость, которая определяется такими свойствами смеси, как прочность, пластичность и уплотняемость.

 

а	б
в
Рис. 26. Схемы структур формовочных песчано-глинистых смесей: а – без добавок вспомогательных материалов; б – с добавкой каменного угля (для формовки по-сырому); в – с добавкой древесных опилок (для формовки по-сухому); 1 – зерна песка; 2 – глина; 3 – поры; 4 – частицы каменного угля; 5 – древесные опилки

 

При выдержке форм перед заливкой они должны иметь малую гигроскопичность (главным образом сухие стержни, изготовленные из смесей с водорастворимыми связующими, устанавливаемые в сырую форму, а также подсушиваемые формы, в которых при длительной выдержке влага из периферийных слоев может перемещаться в подсушенный рабочий слой формы).

Во время заливки формы расплавом и при формировании в ней отливки смеси должны обладать достаточной прочностью в отвержденном состоянии (для сухих, химически-твердеющих и самотвердеющих форм); необходимыми для данного вида отливок показателями поверхностной прочности, огнеупорности, газотворности, газопроницаемости, прочности в на­гретом состоянии. Кроме того, необходимы такие свойства, как податливость, непригораемость и определенная теплоаккумулирующая способность.

Следует исходить из необходимости обеспечить такие свойства сме­си, которые являются наиболее важными для данного вида литья. Так, на­пример, при получении тонкостенных отливок состав смеси должен обеспечивать меньшую прочность, но большую податливость (чтобы предупредить образование «горячих» трещин); при производстве же крупного массивного литья следует применять составы смесей, обладающие большой прочностью, непригораемостью (в целях предупреждения брака по песчаным раковинам и пригару).

Классификация свойств смеси (по Ю.Ф. Боровскому) приведена в табл. 33.

 

Таблица 33

Классификация свойств формовочных и стержневых смесей

 

Группа	Свойства
Гидравлические	Влажность Газопроницаемость Пористость Газотворность^*
Механические	Твердость Прочность: во влажном состоянии в упрочненном состоянии в нагретом состоянии^* в прокаленном состоянии
Технологические	Уплотняемость Текучесть Прилипаемость Гигроскопичность^* Осыпаемость Живучесть Податливость^* Огнеупорность^* Пригораемость^* Выбиваемость Долговечность^*
Теплофизические	Теплоемкость^* Теплопроводность^* Температуропроводность^* Теплоаккумулирующая способность^*

 

^* Эти свойства используются для полного контроля смесей при исследовательских работах.

Гидравлические свойства смесей в основном влияют на условия газообразования и удаления газообразных продуктов из полости формы при ее заливке сплавом. Механические свойства определяют прочностные характеристики литейной формы в период ее изготовления, а также при заливке ее сплавом и затвердевании отливки. Технологические свойства характеризуют условия получения качественных форм и стержней, а также условия изготовления отливок с наименьшей трудоемкостью и высоким качеством поверхности (без трещин и засоров); теплофизические свойства – условия протекания тепловых процессов при затвердевании отливки в форме. Рас­смотрим подробнее перечисленные выше свойства.

Влажность характеризует процентное содержание влаги в смесях. Величина влажности определяет значения многих других свойств сме­си и оказывает прямое влияние на качество получаемых отливок; при повышенной влажности смесей в отливках могут возникать газовые раковины. В формовочных и стержневых смесях различают следующие виды влаги: химически связанную, поверхностно-связанную и свободную.

Химически связанная влага входит в состав минеральных компонентов смеси (песка и глины). При ее удалении в процессе высокотемпературного воздействия на смесь первоначальные свойства минеральных компонентов утрачиваются вследствие разрушения их кристаллической решетки. На­пример, при нагреве песчано-глинистой смеси до температуры 300–700 °С происходит необратимая дегидратация глины, сопровождаемая потерей ею связующих свойств.

Поверхностно-связанная влага (рис. 27) подразделяется на капилляр­но-связанную и адсорбированную. Адсорбированная влага удерживается на поверхности смеси электростатическими силами. Толщина слоя такой вла­ги может доходить до 0,5 ^. 10^–6 м (0,5 мкм). Чем ближе адсорбированная вла­га расположена к поверхности частички смеси, тем больше она отличается по физическим свойствам от обычной влаги. Например, влага, находящаяся непосредственно на поверхности частички, толщиной в 3–4 молекулы во­ды, что составляет примерно (8–12) ^. 10^–10 м (8–12 Å), имеет точку кипения выше 100 °С, температуру затвердевания ниже 0 °С, в плотность больше 1. Такую влагу обычно называют «жесткой» или «нежидкой». Более отдален­ные от поверхности слои адсорбированной влаги по своим физическим свойствам приближаются к обычной капельно-жидкой воде.

Капиллярно-связанная влага удерживается на поверхности частичек смеси капиллярными силами. Свободная влага удаляется из смеси под воз­действием силы тяжести. Эта влага характерна для сильно увлажненной смеси или регенерированного мокрым способом формовочного песка.

Величину влажности смеси В, %, определяют по изменению массы в процессе сушки навески смеси в 50 г при 105–110 ºС до постоянной массы и подсчитывают по формуле:

 

 

где М и М ₁ – масса смеси до и после сушки, г.

 

 

Рис. 27. Виды влаги, удерживаемой на поверхности

компонентов смеси: 1 – поверхностно-связанная;

2 – свободная; 3 – капиллярно-связанная;

4 – адсорбированная; 5 – жесткая

 

Пористость характеризуется отношением объема пустот (пор) к общему объему смеси и выражается в процентах. Величина пористости смеси в основном определяет степень развития процессов проникновения жидкого металла или его окислов вглубь формы, то есть вероятность возникновения пригара на поверхности получаемой отливки. Величина порис­тости смеси обуславливается главным образом степенью уплотнения смеси и содержанием в ней глины или других мелкозернистых добавок. Пористость уплотненных формовочных смесей находится в пределах 25–50 %.

Газопроницаемость является одним из важнейших свойств смеси и характеризует способность ее пропускать газы. При недо­статочной газопроницаемости смеси затрудняются условия удаления газо­образных продуктов из полости формы в процессе ее заливки. Газопрони­цаемость смесей зависит от размера зерен формовочного песка, содержания в них мелкозернистых добавок, степени уплотнения и влажности.

Определение газопроницаемости смеси производят путем пропускания воздуха через стандартный образец, изготовленный из испытуемой смеси. Коэффициент газопроницаемости рассчитывают по формуле

где V – объем воздуха, прошедшего через образец, см³; h – высота образца, см; F – площадь поперечного сечения образца, см²; Р – давление воздуха перед входом в образец, Па; τ – продолжительность прохождения воздуха через образец, мин.

Газотворность оценивается косвенным методом. Прямые методы основаны на определении газотворности в условиях, приближающихся к условиям, существующим в форме при заливке металлом. Газообразование происходит в результате процессов, протекающих в смеси при контакте с металлом. Повышенная газотворность смеси является причиной проникновения газов в металл и образования раковин. По Я.И. Медведеву смеси обладают различными относительными коэффициентами газовыделения (заливка чугуном при 1 320 °С), которые приведены в табл. 34.

 

Таблица 34

Коэффициенты газовыделения смесей

 

Смесь	Коэффициент, см/с^0,5
Жидкостекольная (после сушки)	1,8–2,5
Для оболочковых форм и стержней	2,0–4,2
Стержневая для пескострельно-пескодувных процессов (после сушки)	2,0–4,6
Стержневая песчано-глинистая для крупных чугунных отливок (после сушки)	4,5–7,2
Холоднотвердеющая на основе мочевиноформальдегидных смол	3,5–7,5
Жидкостекольная для СО2-процесса	8–14
Песчано-глинистая для формовки по-сырому мелких чугунных отливок	13,5–22,0
Наливная жидкостекольная	12,0–15,8

 

Насыпная плотность формовочных смесей определяет равномерность плотности по объему формы или стержня. Для песчано-глинистых смесей, уплотняемых прессованием, рекомендуется насыпная плотность 900–1 000 кг/м³, для уплотняемых встряхиванием и применяе­мых при ручной формовке – 650–920 кг/м³.

Метод определения насыпной плотности основан на изменении высоты материала в гильзе до и после уплотнения.

Концентрация водородных ионов рН смеси оказывает влияние на взаимодействие формы с жидким металлом и образование различных дефектов отливок. Снижение рН песчано-глинистых смесей ниже 7,5 вызывает уменьшение активности бентонитовой глины и сниже­ние прочности смеси. Метод основан на определении реакции водной вытяжки с помощью рН-метра.

Твердость характеризует способность поверхностного слоя формы или стержня противостоять проникновению более твердого тела (металлического шарика). Поверхностная твердость формы или стержня зависит от степени уплотнения смеси, количества и качества связующих материалов, а также от режимов их упрочнения. Оценку твердости производят с помощью специальных приборов-твердомеров и выражают в условных единицах.

Предел прочности на сжатие во влажном состоянии. Испытаниям на сжатие во влажном состоянии подвергают песчано-глинистые и некоторые стержневые смеси до отверждения. Предел прочности песчано-глинистых смесей во влажном состоянии зависит от уплотнения. Недостаточная прочность вызывает разупрочнение форм, их деформацию и ухудшение качества литой поверхности. Предел прочности на сжатие во влажном состоянии наполнительной песчано-глинистой смеси составляет 0,025–0,040 МПа; единой смеси для машинной и ручной формовки – 0,01–0,08; единой смеси для автоматических линий – 0,15–0,22 МПа (верхний предел прочности относится к смесям для безопочной формовки). Недостаточная прочность стержневых смесей до отверждения затрудняет изготовление стержней и приводит к несоответствию размеров вследствие усадки. Определяя нарастание прочности на сжатие, оценивают продолжительность отверждения холоднотвердеющих смесей.

Предел прочности на растяжение смесей во влажном состоянии. Недостаточная прочность смеси на растяжение приводит к разрушению форм при извлечении моделей, тран­спортировке и сборке форм, что существенно отражается на надежности работы автоматических линий. Предел прочности на растяжение для машинной формовки и автоматических линий следует поддерживать равным 0,012–0,035 МПа. Предел прочности на растяжение контролируют для песчано-глинистых смесей при формовке по-сырому. Предел проч­ности на сжатие и растяжение смесей в отвержденном состоянии регламентируется, и определяют его при контроле качества различных формо­вочных и стержневых смесей, отверждаемых тепловой сушкой, смесей для СО₂-процесса и др. Недостаточная прочность смесей вызывает повышен­ную осыпаемость и разрушение форм и стержней. При повышенной прочности снижается податливость форм и стержней, в отливках могут появиться трещины.

Предел прочности на растяжение в зоне конденсации влаги. Низкая прочность смеси в зоне конденсации влаги способствует образованию ужимин. Предел прочности на растяжение в зоне конденсации влаги песчано-глинистых смесей должен со­ставлять примерно 10–15 % прочности на растяжение при нормальной температуре. Положительное действие оказывает добавка крахмалита в количестве 1,5–2,0 % массы смеси, а также использование активированных бентонитовых глин с высокой клейкостью.

Метод основан на определении сопротивления растяжению образца при одностороннем нагреве.

Предел прочности на сжатие при высоких температурах. Смеси, обладающие повышенной прочностью при высоких температурах, обеспечивают сохранение конфигурации и размеров формы при заливке сплава и во время затвердевания отливки. Повышенная прочность смесей позволяет предотвратить брак отливок по пригару, песчаным раковинам и обвалам. Метод основан на определении сопротивления сжатию нагретого образца при приложении к нему нагрузки.

За спекаемость смесей принимают температуру начала оплавления нагреваемого формовочного материала и характеризует его противопригарные свойства. Принятая методика определения спекаемости не воспроизводит химического и механического воздействия жидкого металла на смесь в реальной форме. Для кварцевых песков температура спекания не превышает 1 400–150 °С и зависит от степени облитерации зерен песчаной основы. Метод базируется на определении температуры оплавления зерен песка.

Гигроскопичность характеризует способность формы или стержня впитывать влагу из окружающей среды. Значение гигроскопичости связано с природой и количеством связующего материала смеси. Например, водорастворимые связующие материалы придают смеси высокую гигроскопичность. Смеси с водонерастворимыми связующими материалами малогигроскопичны.

Живучесть – это продолжительность сохранения смесью своих физико-механических свойств. Значение ее зависит от природы связующего материала смеси и от интенсивности уменьшения в ней влаги. Например, смеси с высокомодульным жидким стеклом обладают малой живу­честью. Для ее повышения в состав смесей вводят добавку водного раствора едкой щелочи, которая снижает модуль жидкого стекла. За показатель живучести холоднотвердеюших (упрочняющихся без теплового воздействия) смесей обычно принимают продолжительность промежутка времени (в минутах), по прошествии которого значение ее прочности снижается на 30 % от максимального.

Податливость – это способность формы или стержня дефор­мироваться под воздействием усадки отливок. Степень податливости смеси зависит от природы огнеупорной основы, от количества и природы связую­щего материала, а также от степени уплотнения смеси. Например, сильно уплотненные смеси с большим количеством глины малоподатливы. Для улучшения податливости вводят древесные опилки и другие добавки.

Огнеупорность характеризует способность смеси не оплавляться под действием высоких температур. При недостаточной огнеупорно­сти смеси происходит оплавление и спекание отдельных ее компонентов с образованием крупных пор, приводящих к формированию повышенного пригара на отливках. Значение огнеупорности смеси зависит от минералогического, гранулометрического и химического составов формовочного песка и глины. Для оценки огнеупорности из смеси изготавливают образцы в виде трехгранных пирамидок. Величину огнеупорности смеси определяют по температуре, при которой вершина образца в процессе размягчения и оплавления смеси коснется уровня его основания.

Пригораемость – это способность поверхностного слоя фор­мы или стержня противостоять прочному сцеплению с металлом отливки. Степень пригораемости смеси зависит от многих факторов, в том числе от пористости смеси, химической инертности ее огнеупорной основы. Умень­шения пригораемости смеси достигают применением специальных защит­ных покрытий, наносимых на поверхность форм и стержней.

Выбиваемость характеризуется способностью стержней удаляться из внутренних полостей при выбивке и очистке отливок. Значение выбиваемости зависит главным образом от природы и количества связую­щего материала в смеси, от интенсивности температурного и силового воз действия металла отливок на стержень. Смеси с неорганическими связующими материалами, например с жидким стеклом, имеют затрудненную выбиваемость вследствие их прочного спекания в период затвердевания отливки в форме. Хорошой выбивамостью обладают смеси с органическими, легкоковыгорающими и некоксующимися связующими материалами. Оценку выбиваемости смеси производят по величине работы, затрачиваемой на пробивку специальным бойком стержня, залитого сплавом. Работу А выбивки определяют по формуле

А = n ^. G ^. h,

где n – число ударов, необходимое для пробивки стержня; G – масса падающего груза, кг; h – высота падения груза, см.

Долговечность характеризует способность смеси после соответствующей подготовки повторно использоваться для изготовления форм без введения добавок свежих формовочных материалов. Долговечность смеси зависит от интенсивности температурного воздействия жидкого сплава, природы огнеупорной основы и связующего материала смеси. Наибольшей долговечностью обладают песчано-глинистые смеси. Оценку долговечности смеси производят по числу циклов ее использования, обеспечивающему сохранение смесью физико-механических свойств и получение качественных отливок.

Осыпаемость смесей зависит от состава смеси и степени уплотнения. Высокая осыпаемость песчано-глинистых смесей наблюдается при недостатке влаги или низком качестве глины. В стержневых смесях, отверждаемых тепловой сушкой, повышенная осыпаемость отмечается при использовании некачественного связующего, при недостаточном его коли­честве или пережоге в процессе сушки. В смесях для СО₂-процесса повышенная осыпаемость возникает в случае избыточной продувки газом. По­вышенная осыпаемость затрудняет сборку форм, вызывает их размыв и появление песчаных раковин и пригара; она не должна превышать 0,5 %.

Метод основан на определении потери массы в сыром, высушенном или отвердевшем состоянии при трении ее о стенки сетчатого барабана.

Уплотняемость смесей зависит от влажности, содержания глины, размеров и формы зерен песка. Повышение уплотняемости вызывает вздутие сырых форм. При низкой уплотняемости возрастает осыпаемость форм, брак по раковинам и другим дефектам поверхности отливок. При формовке по-сырому для автоматических линий рекомендуется уплотняемость песчано-глинистых смесей в пределах 35–45 %, для машинной и ручной формовки – 40–45 %. Метод основан на определении изменения высоты материала в гильзе после уплотнения.

Формуемость смесей характеризует вязкость (сыпучесть) смесей в неуплотненном состоянии. Формуемость зависит от влажности смеси. При оптимальной формуемости (70–80 %) обеспечивается равномерная плотность по объему формы. Метод основан на определении способности смеси просеиваться через сито с отверстиями определенной величины.

Текучесть – это способность смеси под воздействием внешних сил заполнять труднодоступные полости в модельной оснастке, обеспечивая равномерное уплотнение формы или стержня. Значение текучести тесно связано с величиной прочности смеси во влажном состоянии, при этом чем меньше эта величина, тем выше текучесть смеси. Для оценки текучести песчано-глиннстых смесей используют методику, основанную на замере твердости торцевых поверхностей уплотненного цилиндрического образца. Текучесть смеси выражают в процентах и подсчитывают по формуле

где Н _н, Н _в – твердость нижнего и верхнего торцов образца, усл.ед.

Прилипаемость – это способность смеси во влажном состоянии прилипать к поверхности модельной оснастки или транспортных средств (ленточных конвейеров). Повышенная прилипаемость смесей уве­личивает шероховатость поверхности формы или стержня, а также вызы­вает необходимость частой чистки поверхности модельной оснастки и транспортных средств. Оценку прилипаемости смеси производят на специ­альном приборе по величине усилия отрыва, отнесенного к контактной поверхности образца и конического цилиндра. Прилипаемость смеси рассчитывают по формуле

П_р = Р / S,

где Р – усилие отрыва, Н; S – контактная поверхность, см².

Теплофизические свойства формовочных смесей зависят от температуры, природы и степени измельчения зерновой основы (табл. 35).

По мере увеличения размеров частиц зерновой основы теплофизические свойства формовочной смеси повышаются. Значительного увеличения теплофизических свойств можно достичь, добавляя в смесь частицы со сравнительно высокой теплопроводностью, например чугунные опилки.

В производственных условиях целесообразно применять автоматизированный контроль свойств.

Таблица 35

Теплофизические свойства формовочных и стержневых смесей

 

Смесь	Температура, К	Объемная масса, кг/м^3	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м^.К)	Удельная теплоемкость, Дж/(мг^.К)	Коэффициент аккумуляции тепла, Вт^.с/мК
Формовочная песчано-глинистая сухая:
10 % глины	290–1 730	1 650	1,28	1 680	1 690
с пылевидным кварцем, 30 %	190–1 780	1 680	–	–	2 300
5 % глины, 20 % асбестовой крошки	290–930	1 550	0,54	1 960
Стержневая сухая с содержанием чугунных опилок, %:
	290–1 570	1 910	1,33	1 152	1 720
	1 750	1,05	1 360	1 600
Хромомагнезитовая жидкостекольная, содержащая 6 % жидкого стекла	290–1 850	2 700	2,58	1 980	3 700

Качество формовочной смеси и производительность бегунов резко возрастают, если смесь выпускать из бегунов после достижения ею необходимого комплекса физико-механических свойств.

Автоматизация контроля качества и свойств смесей, промежуточный контроль (связующих композиций, глинистых суспензий, красок) при ком­пьютерных технологиях гарантируют высокое качество форм и отливок.

 

Приготовление смесей

 

Процесс приготовления смесей включает следующие этапы: предварительную подготовку свежих исходных материалов; подготовку оборотной смеси; регенерацию отработанных смесей; приготовление смесей.

При поступлении в литейные цехи материалы не всегда отвечают тре­бованиям технологии приготовления смесей, их подвергают подготовке, ко­торая обычно осуществляется на складе формовочных материалов.

Подготовка исходных материалов. Формовочный песок сушат, а затем просеивают. Температуру сушки определяют, исходя из содержания в песке глинистой составляющей. Для песков, в которых содержание глинистых составляющих более 10 %, тем­пература сушки не должна превышать 250–300 °С. Пески с меньшим со­держанием глинистой составляющей сушат при температуре 500 °С.

Сушку песка осуществляют в горизонтальных барабанных сушилах или на уста­новках для сушки в «кипящем» слое.

Формовочные пески с высоким содержанием глинистой составляющей (более 10 %) после сушки с целью разминания комьев подвергают дробле­нию с применением оборудования, предназначенного для грубого дробления формовочных материалов. К данному виду оборудования относят щековые, валковые, молотковые и роторные дробилки.

Просеивание песка с целью отделения спекшихся комочков и мелких камней (гальки) производят с помощью полигональных барабанных сит или вибрационных установок (грохотов), имеющих размеры ячеек 3–5 мм.