Составы формовочных и стержневых смесей

 

Многообразие составов смесей и красок, применяемых в литье, обус­ловлено различным уровнем требований по качеству литых изделий.

Наиболее дешевыми являются естественные песчано-глинистые сме­си, но если из них можно изготовить отливки, которые будут эксплуатиро­ваться в легких условиях, то невозможно изготовить отливки для авиа-, авто-, атомного машиностроения.

Песчано-глинистые искусственные смеси на обогащенных песках, вы­сокосортных бентонитах, со специальными добавками уже на порядок до­роже естественных и выше качеством. Но и их применение ограничивается массой, сложностью отливок. Поэтому кроме ПГС используют жидкостекольные, смоляные, сульфитные, масляные, фосфатные и другие смеси. Такие смеси применяются в основном в качестве стержневых, облицовочных; реже в качестве единых и никогда – наполнительных. Смоляные смеси имеют самые высокие технологические свойства, но они дорогие и токсич­ные. Жидкостекольные смеси обладают меньшей податливостью и худшей выбиваемостью, чем смоляные, но они дешевле и безвреднее. В настоящее время им часто отдают предпочтение, так как появились новые процессы формообра­зования, позволяющие улучшить их свойства: ПСС-, ЖСС-процесс (пластические и жидкие самотвердеющие смеси). Суль­фитные смеси на основе лигносульфонатов являются дешевыми, безвред­ными и при изготовлении легких, не очень сложных отливок могут полно­ценно заменить горячетвердеющие (ГТС) и холоднотвердеющие (ХТС) смоляные смеси. Фосфатные смеси усту­пают по свойствам смоляным смесям, но во многих случаях заменяют их.

При выборе состава смеси для формы и стержня учитывают следую­щие факторы: смеси должны обеспечить требуемое качество отливки, быть дешевыми, недефицитными, безвредными.

 

Песчано-глинистые смеси

 

Песчано-глинистые смеси наиболее распространены в литей­ном производстве, используется их более 60 % от всего объема формо­вочных смесей. Смесь по физическому состоянию может быть только плас­тичной, использоваться без отверждения (при формовке по-сырому) и пос­ле теплового твердения (при формовке по-сухому). Смесь может быть изго­товлена на основе только свежих материалов или на основе горелой земли с добавлением свежих материалов.

Получение форм из сырых ПГС экономически выгодно, так как сокращается время изготовления отливок, не требуется дополнительного оборудования для сушки форм, однако из-за малой прочности сырых ПГС их невозможно использовать для изготовления средних и крупных отливок. Поэтому формовкой по-сырому поулчают в основном мелкие и средние отливки (~ до 1 000 кг).

ПГС используются в качестве облицовочных, единых и наполнительных формовочных смесей для литья стальных, чугунных и цветных отливок.

 

ПГС для стального литья

Для изготовления стальных отливок ПГС применяются в основном на обогащенных или кварцевых песках с введе­нием глинистых связующих (табл. 37). Пески используются средние и мелкие (0,2 и 0,16), однако для крупного литья применяют и крупный песок (0,315), но форму тогда окрашивают краской для снижения шероховатости поверх­ности отливки. При изготовлении отливок из легированных сталей используют бо­лее теплопроводные и химически стойкие огнеупорные наполнители: циркон, магнезит, хромомагнезит и др.

Единые смеси ПГС для стального литья в настоящее время использу­ются редко, так как они имеют повышенную склонность к образованию засоров в облицовках, которые ухудшают качество поверхности отливок. Единые смеси ПГС должны иметь сырую прочность на сжатие не ниже 40–60 кПа. Для мелкого и среднего стального литья в облицовочной ПГС возможно использование отработанной смеси.

Облицовочная смесь должна иметь сырую прочность на сжатие не ни­же 80–120 кПа, и в качестве глинистого связующего в основном применя­ют бентонит в количестве 7–9 %. Во влажных формах с песчано-бентонитовой облицовкой можно получать ответственные отливки массой до 1 000 кг со стенками толщиной 20 мм и более. Влажность смеси выбирается, исходя из зависимости прочности и газопроницаемости смеси от влаж­ности, то есть с оптимальными свойствами (рис. 30).

Для крупных отливок массой более 1 000 кг формы из ПГС изготавли­вают по-сухому. Чем больше масса отливки, тем дольше форма находится под воздействием высоких температур и тем больше вероятность образования пригара. Значит, в исходных материалах должно содержаться минимальное количество легкоплавких примесей.

Для изготовления отливок массой от 5 000 до 10 000 кг смесь готовят только из свежих материалов, а для отливок массой более 10 000 кг вводят 20–30 % пылевидного кварца для повышения противопригарных свойств смеси.

Бентонитовые глины из-за низкого их содержания в смеси не обеспечивают достаточной прочности после сушки, к тому же они менее огнеупорны, чем каолиновые глины. Поэтому при формовке по-сухому в ПГС используют от 10 до 20 % каолиновой глины в зависимости от требуемой прочности (σ _W – не менее 60 кПа, σ_сух – до 1 000 кПа).

Таблица 37

Состав и свойства песчано-глинистых формовочных смесей для стального литья

 

Назначение смеси	Толщина стенки отливки, мм	Свойства смеси	Содержание компонентов в смеси, мас. %
Группа формовочного песка (по ГОСТ 2138-91)	Общее глиносодержание смеси, %	Газопроницаемость, усл.ед.	Предел прочности на сжатие влажных образцов, ×10^5 Па	Влажность, %	Оборотная смесь	Кварцевый песок	Глина	ЛСТ
Облицовочная по-сырому при массе отливок, кг:
< 100		016, 02	8–10	80–120	0,3–0,5	3,5–4,0	80–40	16,5–53,0	3,0–6,0
100–500			10–12	100–120	0,4–0,5	4,0–5,0	75–40	20,5–51,5	4,0–8,0	< 0,5
> 500		02, 03	11–12	100–130	0,5–0,7	4,5–5,5	60–40	33,5–51,0	6,0–8,5
Единая по-сырому при массе отливок до 100 кг		016, 02	8–10	80–100	0,3–0,7	3,4–4,5	92–90	6,5–8,0	1,0–1,5	0,5–1,0
Облицовочная по-сухому при массе отливок, кг:
< 500			12–14	70–100	0,5–0,7 (на разрыв сухих образцов 0,8–1,2)	5,0–7,0	80–40	15,5–50,5	4,0–9,0	< 0,5
> 500		02, 03	12–14	100–120	0,5–0,8 (на разрыв сухих образцов 1,0–1,5)	5,0–8,0	60–40	33,0–49,5	6,5–9,0	0,5–1,0
> 1 000			12–15	> 160	0,55–0,65	6,0–7,0	–	–	–	–
10 000–30 000			12–15	> 160	0,55–0,65	6,0–7,0	–	–	–	–
Единая для отливок, склонных к горячим трещинам	–	02, 03	12–14	70–100	0,35–0,60	5,0–7,0	80–40 (древесные опилки 2–4)	12,5–45,5	4,0–9,0	1,5–2,4

Рис. 30. Зависимость прочности s W и газопроницаемости Г W песчано-глинистых смесей от влажности W

 

Для повышения газопроницаемости сухих форм в ПГС вводят добавки опилок, ЛСТ в количестве 2–4 %. Опилки добавляют для предотвращения образования трещин в отливках, а ЛСТ – для повышения поверхностной прочности форм.

Сухая прочность ПГС зависит от влажности смеси до сушки, то есть вла­ги в смеси должно быть достаточно, чтобы сформировались прочные гли­нистые обмазки на зернах песка и межзерновые мостики, которые будут определять сухую прочность.

Сухая прочность ПГС зависит также и от температуры сушки, так как каждый вид добавки и тип глины требуют определенных режимов сушки. Например, при нагревании до 500 °С ПГС без добавок (20 % каолина) прочность сначала повышается, но снижается уже после 300–500 °С, а смесь с добавкой ЛСТ резко теряет прочность уже после 100 °С.

 

ПГС для чугунного литья

В чугунолитейных цехах используются ПГС для формовки по-сырому и по-сухому. В сырых формах получают в основном мелкие отливки, в сухих – средние и крупные (табл. 38). Применяются также единые, облицовочные и наполнительные смеси.

В массовом производстве с высокомеханизированным смесеприготовительным отделением рекомендуется использовать единые ПГС для формовки по-сырому для мелких и средних отливок (от 20 до 1 000 кг). Таким образом изготовляют детали автомобилей, тракторов, швейных машин, станков и т.д., к которым предъявляются высокие требования по качеству и чистоте поверхности. При изготовлении таких отливок на автоматизированных формовочно-заливочных линиях используют в основном единые ПГС.

Единую смесь приготовляют из отработанной смеси с добавлением свежих материалов после каждой заливки. Замена глины бентонитом резко улучшает свойства смесей и качество отливок; для упрочнения вводят ЛСТ или крахмалит (до 2 %), как противопригарную добавку вводят каменно­угольную пыль или гранулированный уголь, мазут в количестве 0,5–1,5 %. Дня улучшения газопроницаемости и податливости смеси вводят древесные опилки, торф, асбестовую крошку.

Таблица 38

 

Состав и свойства песчано-глинистых формовочных смесей для чугунного литья

Состояние форм

Характеристики отливок

Свойства смеси

Содержание компонентов в смеси, мас. %

Облицовочная смесь

Единая смесь

Масса, кг

Толщина стенки, мм

Группа формовочного песка (по ГОСТ 2138-91)

Общее глиносодержание, %

Газопроницаемость, усл.ед.

Предел прочности на сжатие влажных образцов, ´10^5, Па

Влажность, %

Оборотная смесь

Свежие материалы

Каменно- угольная пыль

Древесные опилки

Оборотная смесь

Свежие материалы

Каменно- угольная пыль

Формовка по-сырому

< 20

< 10

8–10

25–35

0,30–0,50

4,0–5,5

78–59

20–38

2–3

–

96,5–94,5

3–5

0,5

> 10

30–50

4,0–5,0

20–200

< 25

40–60

4,0–5,5

75–45

22–51

3–4

94,3–92,3

5–7

0,7

> 25

50–70

21–50

4–5

93,2–89,2

6–10

0,8

200–1 000

< 40

9–11

60–80

0,40–0,60

4,5–6,0

70–40

26–55

91,0–86,0

8–12

1,0–1,2

> 40

02, 03

10–12

70–100

0,45–0,70

4,5–6,5

25–52

5–8

88,8–83,5

10–12

1,2–1,5

1 000–15 000

< 50

11–13

100–130

0,50–0,80

5,0–7,0

60–40

34–52

6–8

–

–

–

> 50

12–14

0,60–0,80

Формовка по-сухому

< 100

–

60–80

0,50–0,80

6,0–7,0

70–40

27–57

–

0,3

> 100

–

12–16

80–100

6,0–8,0

60–35

37–62

< 2 000

< 30

03, 02

12–14

0,50–0,65

7,0–8,0

60–50

28–40

10–12

2 000–15 000

< 50

14–16

0,65–0,80

50–40

38–50

10 000–30 000

< 60

–

–

На разрыв в сухом состоянии 1,5–2,5

12–16

Песок 47 Глина 20

10 000–50 000

> 60

Песок 43–42 Глина 20

Кокс 4–5

 

П р и м е ч а н и е. Две последние смеси применяются для кирпичной кладки форм и стержней.

Облицовочные смеси отличаются от единых повышенным содержани­ем свежих материалов (песка и глины), камен­ного угля (до 10 %) и упрочняющих добавок, как ЛСТ (1–2 %), древес­ный пек (2–3 %), связующих СП, КТ, КВ, СБ. Наполнительная смесь при­готовляется из отработанной смеси с добавкой 5–10 % свежей смеси.

Требования к химическому составу песков не такие жесткие, так как
температура заливки чугунов ниже, чем сталей, поэтому кроме кварцевых
песков, применяемых для ответственных отливок, могут использоваться
пески глинистые (тощие и полужирные). Для мелкого литья применяют
мелкозернистые пески фракции 0,1; 0,16; для среднего – 0,16; 0,2; для крупно­го и очень крупного – 0,315; 0,4.

Прочность смесей в сыром состоянии немного ниже (например, для облицовочных – 70–90 кПа), что означает и более меньший расход бентонита (5–6 %) или каолина.

 

ПГС для цветного литья

Температура заливки медных сплавов не превышает 1 100 °С, алюминиевых – 800 °С, поэтому огнеупорность смесей для цветных сплавов может быть ниже, чем для стали и чугуна.

К отливкам из цветных сплавов обычно предъявляют требования по чистоте поверхности, поэтому для них целесообразно использовать смеси с большим содержанием горелой земли (так как зерна растрескиваются и ста­новятся мельче, чем в свежей смеси) или мелкозернистые пески фракции 0,1 и мельче. Можно добавлять до 40 % пылевидного кварца.

Для магниевых сплавов в смеси должно быть минимальное содержа­ние воды, так как она способствует их окислению, и минимальное содержание примесей, многие из которых химически активны по отношению к магние­вым сплавам. Поэтому в смеси обычно используют кварцевые пески с до­бавкой 2–4 % бентонита при минимальной влажности. Возгорание магния предотвращают введением в смесь фтористых присадок либо серы (3–5 %) и борной кислоты (до 1 %). В качестве противопригарной добавки для мед­ных сплавов в смесь вводят мазут (табл. 39–40).