Смесь для литья. Литье в песчаные формы

Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) - это промышленный процесс, который также называется литьем по восковым моделям или литьем в разрушаемую форму. Форма разрушается, когда изделие извлекается. Выплавляемые модели широко используются как в машиностроительном, так и в художественном литье.

Область применения

Особенности техпроцесса позволяют применять метод ЛВМ в широком диапазоне: от крупных предприятий до небольших мастерских. Также возможно литье по выплавляемым моделям в домашних условиях, в личных и коммерческих целях для изготовления детализированных фигурок, сувениров, игрушек, деталей конструкций, ювелирных изделий. В качестве наполнителя можно использовать практически все металлы:

стали (легированные и углеродистые);
цветные сплавы;
чугун;
сплавы, не поддающиеся мехобработке.

Впрочем, технология универсальна - вполне можно изготовить относительно крупные конструкции сложных форм. Для облегчения техпроцесса используют специализированное оборудование для литья по выплавляемым моделям и 3D-моделирование с помощью специализированных программ.

Литье в керамические формы

В зависимости от требований к изделиям используют различные, наиболее подходящие технологии. Точное литье по выплавляемым моделям (ТЛВМ) позволяет получать самые сложные по конфигурации отливки с высокой точностью, с минимальной толщиной стенок и шероховатостью поверхности. Для ТЛВМ восковая модель погружена в жидкую смесь на основе керамики. Керамическая смесь сохнет и формирует оболочку формы для литья. Этот процесс повторяется, пока желаемая толщина не будет достигнута. Затем воск удаляется в автоклаве. Однако этот метод характеризуется высокой стоимостью, продолжительностью технологического процесса, выделением вредных веществ в производственной зоне и загрязнением окружающей среды остатками керамических форм.

Литье в формы из ХТС

Во многих случаях при изготовлении поделок на дому к отливкам сложной конфигурации не предъявляется требование низкой шероховатости, а для ряда художественных отливок поверхность с равномерной шероховатостью не только допустима, но является дизайнерским решением. В этом случае целесообразно применять литье по выплавляемым моделям.

Технология, разработанная для изделий, не требующих гладких поверхностей, достаточно проста. Такую поверхность можно получить литьем в формы из холодно-твердеющих смесей (ХТС). Этот процесс значительно проще, дешевле и экологически чище.

Однако данный метод литья по выплавляемым моделям не позволяет получать сложные отливки с использованием выплавляемых моделей. Это объясняется тем, что при вытопке фигур значительная часть модельного состава остается в полости формы и может быть удалена только прокалкой. Прокалка, то есть нагрев до температуры воспламенения, модельного состава приводит к деструкции смоляного связующего вещества ХТС. При заливке металла в форму с остатками модельного состава происходит их сгорание, приводящее к выбросам металла из формы.

Использование жидкостекольных смесей

Нивелировать недостатки ХТС-технологии при изготовлении некоторых типов отливок позволяет литье по выплавляемым моделям в жидкостекольные смеси с жидким катализатором (ЖСС ЖК). Эти смеси с содержанием жидкого стекла в количестве 3-3,5 % и катализатора около 0,3 % от массы песчаной основы начали применяться за рубежом в начале 80-х и используются до сих пор. По данным исследований, эти смеси в отличие от ЖСС первого поколения отличаются экологической чистотой, хорошей выбиваемостью и незначительным пригаром на отливках.

Литье по выплавляемым моделям: технология

Процесс ЛВМ включает в себя операции подготовки модельных составов, изготовления моделей отливок и литниковых систем, отделки и контроля размеров моделей, дальнейшей сборки в блоки. Модели, как правило, изготавливают из материалов, представляющих собой многокомпонентные композиции, комбинации восков (парафино-стеариновая смесь, природные твердые воски и т.д.).

При изготовлении модельных составов используется до 90 % возврата, собираемого при выплавлении восковых моделей из форм. Возврат модельного состава следует не только освежать, но и периодически регенерировать.

Изготовление моделей состоит из шести этапов:

подготовки пресс-формы;
введения в ее полости модельного состава;
выдержки модели до затвердевания;
разборки формы и извлечения модели;
охлаждения ее до комнатной температуры.

Особенности техпроцесса

Сущность ЛВМ заключается в том, что силиконовая или восковая модель выплавляется из заготовки путем нагревания, а освободившееся пространство заполняют металлом (сплавом). Техпроцесс имеет ряд особенностей:

При изготовлении формовочной смеси широко используют суспензии, состоящие из огнеупорных мелкозернистых материалов, скрепляемых связующим раствором.
Для заливки металлов (сплавов) применяют неразъемные формы, получаемые путем нанесения на модель огнеупорного покрытия, его сушки с дальнейшим вытапливанием модели и прокаливанием формы.
Для отливок используются одноразовые модели, так как они разрушаются в процессе изготовления форм.
Благодаря мелкозернистым огнеупорным пылевидным материалам обеспечивается достаточно высокое качество поверхности отливок.

Преимущества ЛВМ

Преимущества литья по выплавляемым моделям очевидны:

Универсальность. Можно использовать любые металлы и сплавы для литья изделий.
Получение конфигураций любой сложности.
Высокая чистота поверхностей и точность изготовления. Это позволяет на 80-100 % сократить последующую дорогостоящую металлообработку.

Недостатки ЛВМ

Несмотря на удобство, универсальность и достойное качество изделий, не всегда целесообразно применять литье по выплавляемым моделям. Недостатки главным образом связаны со следующими факторами:

Длительностью и сложностью техпроцесса производства отливок.
Завышенной стоимостью формовочного материала.
Большой нагрузкой на экологию.

Пример изготовления изделия на дому: подготовительный этап

Литье по выплавляемым моделям в домашних условиях не потребует глубоких знаний в металлургии. Для начала подготовим модель, которую хотим повторить в металле. В качестве макета сойдет готовое изделие. Также фигурку можно изготовить самостоятельно из глины, скульптурного пластилина, дерева, пластика и других плотных пластичных материалов.

Устанавливаем модель внутри скрепленной струбцинами либо кожухом разборной емкости. Удобно использовать прозрачную пластиковую коробку или специальную пресс-форму. Для заливки пресс-формы воспользуемся силиконом: он обеспечит отличную детализацию, проникая в мельчайшие трещинки, отверстия, впадины и формирует очень гладкую поверхность.

Второй этап: заливка силиконом

Если требуется точное литье по выплавляемым моделям, для изготовления формы без жидкой резины не обойтись. Силикон готовится по инструкции путем смешивания разных компонентов (как правило, двух) и последующего нагревания. Для удаления мельчайших пузырьков воздуха емкость с жидкой резиной целесообразно на 3-4 минуты поместить в специальный портативный вакуумный аппарат.

Заливаем готовую жидкую резину в емкость с моделью и повторно проводим вакуумирование. Для последующего затвердения силикона потребуется время (согласно инструкции). Используемые полупрозрачные материалы (емкостей и самого силикона) позволяют воочию наблюдать процесс формирования пресс-формы.

Извлекаем схватившуюся резину с моделью внутри из емкости. Для этого освобождаем струбцины (кожух) и отделяем две половинки коробки - силикон легко отходит от гладких стенок. Для полного застывания жидкой резины потребуется 40-60 минут.

Третий этап: изготовление восковой модели

Литье по выплавляемым моделям предполагает вытапливание плавкого материала и замещение образовавшегося пространства расплавленным металлом. Так как воск легко плавится, его и используем. То есть следующая задача - сделать восковую копию использованной первоначально модели. Для этого и потребовалось создание резиновой пресс-формы.

Аккуратно разрезаем силиконовую заготовку вдоль и достаем модель. Здесь есть небольшой секрет: чтобы впоследствии точно соединить форму, разрез рекомендуется делать не гладким, а зигзагообразный. Прикладываемые части формы не будут сдвигаться по плоскости.

Заполняем образовавшееся пространство в силиконовой пресс-форме жидким воском. Если изделие готовится для себя и не требует высокой точности сопряжения деталей, можно залить воск отдельно в каждую половину, а затем после застывания соединить две детали. Если необходимо точно повторить силуэт модели, резиновые половинки соединяются, закрепляются и в образовавшуюся пустоту с помощью инжектора закачивается горячий воск. Когда он заполнит все пространство и застынет, разбираем силиконовую пресс-форму, достаем восковую модель и подправляем изъяны. Она послужит прототипом для готового изделия из металла.

Четвертый этап: формование

Теперь необходимо сформировать с внешней поверхности восковой фигуры термостойкий прочный слой, который после вытапливания воска станет формой для металлического сплава. Выберем способ литья по выплавляемым моделям с использованием кристобалитовой смеси (модификация кварца).

Формируем модель в металлической цилиндрической опоке (приспособлении, удерживающем формовочную смесь при ее уплотнении). Устанавливаем в опоку припаянную модель с литниковой системой и заливаем смесь на основе кристобалита. Чтобы вытеснить воздушные карманы, помещаем в вибровакуумный аппарат.

Финальный этап

Когда смесь уплотнится, остается выплавить воск и залить в освободившееся пространство металл. Процесс литья по выплавляемым моделям в домашних условиях лучше осуществлять с использованием сплавов, плавящихся при относительно невысоких температурах. Отлично подойдет литейный силумин (кремний + алюминий). Материал износостойкий и твердый, однако отличается хрупкостью.

После заливки расплавленного силумина ждем, когда он застынет. Затем извлекаем изделие из окопки, удаляем литник и очищаем от остатков формовочной смеси. Перед нами - практически готовая деталь (игрушка, сувенир). Дополнительно ее можно отшлифовать и отполировать. Если в канавках намертво застряли остатки литейного производства, их нужно удалить бормашиной или другим инструментом.

Литье по выплавляемым моделям: производство

Немного иначе проводится ЛВМ для изготовления ответственных деталей, имеющих сложную форму и (или) тонкие стенки. На отливку готового металлического изделия может уйти от недели до месяца.

Первый шаг - заполнить воском форму. На предприятиях для этого часто применяют алюминиевую изложницу (аналог рассматриваемой выше силиконовой пресс-формы) - полость, имеющую форму детали. На выходе получают восковую модель чуть больших размеров, чем конечная деталь.

Далее модель послужит основой для керамической пресс-формы. Она также должна быть чуть больше итоговой детали, так как металл после остывания сожмется. Затем, используя горячий паяльник, к восковой модели припаивают специальную литниковую систему (также из воска), по которой раскаленный металл польется в полости формы.

Изготовление керамической пресс-формы

Далее восковую конструкцию опускают в жидкий керамический раствор, называемый шликером. Делается это вручную, дабы избежать дефектов в отливке. Для прочности шликера керамический слой укрепляют напылением мелкого циркониевого песка. Только после этого заготовку «доверяют» автоматике: специальные механизмы продолжают поэтапный процесс напыления более крупного песка. Работы продолжаются, пока керамо-песчаный прочный слой не достигнет заданной толщины (как правило, 7 мм). На автоматизированных производствах на это уходит 5 дней.

Литье

Теперь заготовка готова для выплавления воска из пресс-формы. Ее помещают на 10 минут в автоклав, заполненный горячим паром. Воск растапливается и из оболочки полностью вытекает. На выходе получаем керамическую форму, полностью повторяющую форму детали.

Когда керамо-песчаная форма затвердеет, проводят литье металлов по выплавляемым моделям. Предварительно форму нагревают 2-3 часа в печи, дабы она не потрескалась при заливке раскаленных до 1200 ˚C металлов (сплавов).

В полость формы поступает расплавленный металл, который в дальнейшем оставляют остывать и твердеть постепенно, при комнатной температуре. Для остывания алюминия и его сплавов требуется 2 часа, для сталей (чугуна) - 4-5 часов.

Финишная обработка

Собственно литье по выплавляемым моделям на этом заканчивается. После застывания металла заготовку помещают в специальную вибромашину. От щадящей вибрации керамическая основа растрескивается и осыпается, металлическое же изделие своей формы не меняет. В дальнейшем проходит окончательная обработка металлической заготовки. Вначале отпиливают систему заливки металла, а место ее контакта с основной деталью тщательно шлифуют.

В завершение контролеры проверяют, чтобы размеры изделия соответствовали заданным на чертеже. Алюминиевые детали измеряют холодными (при комнатной температуре), стальные предварительно нагревают в печи. Специалисты используют для контрольно-измерительных работ различные инструменты: от простых шаблонов до сложных электронных и оптических систем. Если выявляется несоответствие параметрам, деталь либо направляют на доработку (исправимый брак), либо на переплавку (неустранимый брак).

Литниковая система

Конструкция литниково-питающей системы играет в ЛВМ ведущую роль. Это связано с тем, что она выполняет три функции:

При изготовлении оболочек литейных форм и блока моделей литниковые системы являются несущими конструкциями, удерживающими на себе оболочку и модели.
Через систему каналов литника жидкий металл при заливке подводится к отливке.
При затвердевании система выполняет функцию прибыли (питающего элемента, компенсирующего усадку металла).

Оболочка отливки

В процессе ЛВМ ключевым является создание слоев оболочки формы. Процесс изготовления оболочки состоит в следующем. На поверхность блока моделей, чаще всего окунанием, наносят сплошную тонкую пленку суспензии, которую далее обсыпают песком. Суспензия, налипая на поверхность модели, точно воспроизводит ее форму, а песок обсыпки внедряется в суспензию, смачивается ею и фиксирует состав в виде тонкого облицовочного (первого или рабочего) слоя. Образуемая кварцевым песком нерабочая шероховатая поверхность оболочки способствует хорошему сцеплению последующих слоев суспензии с предыдущими.

Важными показателями, определяющими прочность формы, являются вязкость и жидкотекучесть суспензии. Вязкость можно регулировать введением определенного количества наполнителя (наполненностью). При этом с увеличением наполненности состава толщина прослоек связующего раствора между частицами порошка уменьшается, снижается усадка и вызываемые ею негативные эффекты, а также повышаются прочностные свойства оболочки формы.

Используемые материалы

Материалы для изготовления оболочки подразделяются на следующие группы: материалы основы, связующие, растворители и добавки. К первым относятся пылевидные, применяемые для приготовления суспензий, и пески, предназначенные для ее обсыпки. Ими служат кварц, шамот, циркон, магнезит, высокоглиноземистый шамот, электрокорунд, хромомагнезит и другие. Широко используется кварц. Некоторые материалы основы оболочки получают в готовом к употреблению виде, а другие предварительно сушат, прокаливают, размалывают, просеивают. Существенным недостатком кварца являются его полиморфные превращения, которые протекают при изменении температуры и сопровождаются резким изменением объема, в итоге приводящим к растрескиванию и разрушению оболочки.

Плавный подогрев форм с целью снижения вероятности растрескивания, который проводят в опорном наполнителе, способствует увеличению длительности технологического процесса и дополнительным энергетическим затратам. Одним из вариантов снижения растрескивания в ходе прокаливания является замена пылевидного кварцевого песка как наполнителя на диспергированный кварцевый песок полифракционного состава. При этом улучшаются реологические свойства суспензии, повышается трещиноустойчивость форм и снижается брак по засорам и пробою оболочек.

Вывод

Метод ЛВМ получил широчайшее распространение. Его применяют для получения сложных деталей в машиностроении, при производстве оружия, сантехники, сувенирной продукции. Для изготовления украшений из драгоценных металлов используют ювелирное литье по выплавляемым моделям.

Для изготовления разовых литейных форм используют легко формуемый материал, без особого труда разрушаемый при извлечении готовой отливки, но достаточно прочный, чтобы противостоять силам, возникающим при заполнении полости формы расплавленным металлом. В практике применяют смеси песков, глины и воды; они удовлетворяют приведенным выше требованиям, дешевы и доступны. Приготовляют формовочные смеси, перемешивая песок с определенным количеством глины и воды. Глина служит связующим. Определенному количеству глины соответствует определенное количество влаги. Кроме глины, используют и другие связующие материалы.
Прочность смесей из песка, глины и воды в сыром состоянии объясняется способностью глинистых мелкодисперсных частиц при перемешивании с водой образовывать растворы, похожие на коллоидные, в которых действуют электростатические силы (рис. 48). Кроме этих сил, действуют силы поверхностного натяжения воды, сближающие частицы, а также силы межчастичного фрикционного сцепления песчинок при уплотнении формовочной смеси.

Для изготовления смесей применяют различные формовочные пески (природные смеси). По ГОСТ 2138-74 они разделяются на классы по химическому составу (в зависимости от примеси глины), группы и категории по зерновому составу (размеру песчинок). В табл. 7 приведены основные характеристики песков и глин, которые используют в цехах цветного литья.
Глины состоят из тонкодисперсных частиц алюмосиликатов: каолинита Al2O3*2SiО2*2Н2О, монтмориллонита Al2O3*4SiО2*H2O+nН2O (или бентонита). Различают глины (ГОСТ 3226-65) по их связующей способности (три сорта и класса) в сыром и высушенном состоянии. Прочносвязующие глины обеспечивают сырую прочность стандартных образцов (90 % песка, 10 % глины, 2,5-3,5 % влаги, сверх 100 %), равную 0,1 МПа и более при сжатии, а малосвязующие 0,05-0,08 МПа. В высушенном состоянии прочность соответственно равна ≥0,55 МПа и ≤0,35 МПа. Кроме того, различают три группы глин T1, T2, T3 - по термохимической устойчивости в зависимости от содержания легкоплавких примесей (Fe2O3, Na2O, CaO, сульфиды и др.).

Кроме песков на основе SiO2, для изготовления форм, обладающих повышенной способностью к поглощению тепла и ускоряющих затвердевание металла в них, применяют смеси, содержащие магнезит, циркон. На практике в формовочные смеси вводят также специальные добавки для предотвращения пригара их к металлу, повышения газопроницаемости, податливости и облегчения выбивки. К ним относятся угольная пыль, маршаллит (тонкоразмолотый кварц), мазут, органические добавки (опилки, мука и др.), спецприсадки (сера, борная кислота, фторборкислый алюминий, сода и др.).
Из формовочных материалов готовят рабочие смеси, непосредственно используемые для изготовления форм и стержней.
В литейных цехах применяют смеси, состав которых зависит от сплава, из которого будет отлита деталь; от массы отливки (мелкие, средние и крупные); от способа использования форм (заливка в сырье или сухие формы, т. е. предварительно высушенные); от характера использования (единые, облицовочные, наполнительные смеси), от вида исходных материалов (естественные или синтетические смеси). Естественные смеси готовят из песков, к которым глина примешана в природном состоянии, а в синтетические смеси глину вводят в виде самостоятельной добавки. Преимущество синтетических смесей состоит в том, что они имеют хорошие свойства при минимальном содержании глины и влаги.
Чтобы получить качественные отливки, необходимо использовать формовочные смеси с определенным комплексом свойств: прочность и пластичность, газопроницаемость, огнеупорность, теплофизические свойства.
У обычных формовочных смесей сырая прочность на сжатие составляет 0,01-0,1 МПа, сухая (на разрыв) 0,2-2 МПа. Вместе с тем смеси не должны быть очень прочными, так как для получения точного, четкого отпечатка формы они должны хорошо заполнять углубления на модели, т. е. быть текучими, пластичными. Хорошими считают смеси, которые при максимальной текучести (пластичности) обеспечивают высокую прочность. Прочность зависит от содержания глины - чем ее больше, тем смесь прочнее, но до определенного предела. Качественными считают смеси, которые имеют высокую прочность и пластичность при минимальном содержании глины и влаги.
При заливке формы металлом образуется большое количество пара и газов, которые должны легко удаляться через стенки формы, чтобы не попасть в затвердевающий металл. Поэтому необходимо, чтобы материал формы был газопроницаемым. Газопроницаемость зависит от размеров и формы зерен песка, количества глины и влаги, плотности набивки, толщины стенок формы и др. Чем крупнее песок, чем меньше глины и влаги, ниже плотность набивки и тоньше форма, тем газопроницаемость выше. Хорошие смеси должны иметь небольшую газотворность, т. е, при нагревании выделять малое количество газообразных продуктов, либо, в крайнем случае, выделять их после того, как на отливке образуется плотная корка металла.
Необходимо, чтобы смеси были огнеупорными, способными не расплавляться и не размягчаться под воздействием расплавленного металла. Для приготовления форм при цветном литье этому требованию удовлетворяет кварцевый песок, состоящий в основном из SiO2. Чем меньше в песке Al2O3, Na2O, K2O, CaCO3, тем выше огнеупорность Материал формы должен быть также химически нейтральным по отношению к оксидам, образующимся в металле, иначе возможно химическое взаимодействие оксидов металла и формы, например основных оксидов Cu2O, NiO, FeO с кислотным SiO2, с возникновением легкоплавких соединений, которые образуют на поверхности пригар.
Необходимо, чтобы материал формы имел хорошие теплоаккумулирующие свойства. После заливки металлом формы она должна быстрее отводить тепло от металла; благодаря этому отливка получается плотной, без газоусадочной пористости. Показателем теплоаккумулирующих свойств формы является коэффициент аккумуляции тепла bф = √λфсфРф Дж/(м2*ч1/2*К), где λф - коэффициент теплопроводности формы, Вт/(м*К); сф - удельная теплоемкость формы, Дж/(кг*К); рф - объемная масса формы, кг/м3.
Например, у сухих песчано-глинистых форм bф = 12/15, сырых 15-20, цирконовых 20-40, хромомагнезитовых 40-50, а у металлических чугунных 185 Дж/(м2*К*ч1/2).
При изготовлении форм для сложных ответственных отливок применяют различные смеси - массивные части выполняют из смесей с повышенным bф, а тонкостенные и прибыли с более низкими значениями bф, что обеспечивает направленность затвердевания.
Для цветного литья применяют различные типовые формовочные смеси из песков, глины и других добавок. По способу использования различают единые, облицовочные и наполнительные смеси. При машинной формовке чаще применяют единые смеси для изготовления всей формы. При изготовлении крупных форм поверхность модели облицовывают смесью, содержащей чистый песок и глину (чтобы огнеупорность поверхности формы, соприкасающейся с металлом, была выше), а остальную часть формы наполняют смесью, используя частично отработанную смесь. В результате форма получается более дешевой. Рабочие смеси состоят из 85-97 % оборотной смеси (т. е. бывшей в употреблении, но просеянной и очищенной) с добавкой 3-15 % свежих песков и глины.
Для смесей в производстве алюминиевых сплавов применяют пески П010, П0063, К016А, К010А (примерно 70-80 % полужирных песков и 20-30 % кварцевых). Смеси обладают сырой прочностью 0,04-0,07 МПа, влажностью 4,5-5,5 % и газопроницаемостью 40-60 см/мин. Примерно такой же состав и свойства у смесей для магниевого литья, но влажность их меньше (3,5-4,0 %); кроме того, к ним добавляют специальные присадки, предотвращающие или затрудняющие возгорание сплава в форме. Типичной при литье магниевых сплавов является присадка BM, которая представляет собой смесь мочевины, сернокислого алюминия, борной кислоты (при заливке металла в форму мочевина CO(NH2)2 разлагается с выделением аммиака NH3 и CO2); сернокислый алюминий Al2(SO4)3, способствующий образованию пленки MgSO4 на металле; борная кислота HBO3, переходящая при нагревании в борный ангидрит B2O3, который взаимодействует с магнием по реакции 3Mg+B2O3→3MgO+2В. Образующаяся на поверхности сплава пленка MgSO4 уплотняется бором, перешедшим в магний, и предотвращает дальнейшее его окисление. Защитное действие оказывает также сера, которая при соприкосновении с металлом сгорает до SO3. Этот тяжелый газ (тяжелее воздуха в 2,7 раза) разбавляет воздушную среду и делает ее менее реакционноспособной к металлу.
Для медных сплавов типовая рабочая смесь состоит на 85-95 % из оборотной и на 5-15 % из свежей смеси (в виде смеси песков К01А, К025А и П01А или TOlA). Рабочая смесь содержит 4,5-5,5 % влаги, обладает сырой прочностью 0,03-0,05 МПа, газопроницаемостью 30-50 см/мин. Смеси, предназначенные для изготовления форм (обычно для получения крупных отливок), подлежащих сушке при 280-400 °C, содержат повышенное количество глины (6-10 %) и влаги (до 8 %). Для изготовления разовых форм применяют также смеси со связующим в виде жидкого стекла в количестве 5-8 % (по массе). Эти смеси быстро твердеют при кратковременном подогреве до 200-300 С или при продувке их углекислым газом, благодаря чему существенно сокращается время изготовления форм и повышается прочность
Жидкостекольные смеси применяют также для изготовления стержней. Стержни, которые при заливке окружены со всех сторон (кроме знаков) жидким металлом и испытывают давление при его усадке, делают из более прочных смесей, чем формы. Для повышения прочности стержней в сухом состоянии используют специальные крепители или связующие добавки, которые вводят в количестве 0,5-5 % (по массе). После заливки под воздействием высоких температур крепитель выгорает или разлагается, связь между песчинками теряется, стержень не оказывает сопротивления отливке в момент усадки при затвердевании и легко выбивается при очистке отливки. Глину также применяют в качестве связующей добавки в стержневые смеси, но при нагревании она спекается, стержень становится неподатливым и с трудом выбивается. Как правило, глину используют совместно с другими связующими для придания смесям хорошей сырой прочности, так как ряд органических крепителей, придавая стержню высокую прочность после сушки (сухая прочность), не обеспечивает одновременно нужную сырую прочность. При недостаточной сырой прочности изготовленные стержни могут разрушаться при толчках, сотрясениях, деформироваться под действием собственной массы с искажением размеров и др.
Применяемые в литейных цехах крепители по характеру действия делятся на четыре основных вида.
1. Смеси растительных масел с различными растворителями, например оксоль: 55 % олифы и 45% уайт-спирита (особо чистый керосин); крепитель 4ГУ (50 % масла, 3 % канифоли и 47 % уайт-спирита); крепитель П и многие другие.
Связующее действие этих крепителей основано на химических и физических превращениях во время сушки, в результате которых жидкая пленка крепителя превращается в твердую эластичную, придающую прочность и податливость стержням. Крепители этой группы наиболее высококачественные но они дефицитны и дороги, поэтому их заменяют более дешевыми (2, 3 и 4-й групп).
2. Битумы (продукты отгонки нефти), пеки (продукты разгонки газогенераторных смол), фенолформальдегидные смолы, канифоль и др. Связующее действие их основано на расплавлении при нагреве с последующим твердением при остывании. Фенол-формальдегидные смолы (пульвербакелит ПК-104, СФ-015) широко применяют при прогрессивных способах изготовления тонкостенных (оболочковых) форм и стержней, изготовлении стержней в горячих ящиках. Ряд связующих на основе синтетических смол (фенолформальдегидная ОФ-1, фенолфурановая ФФ-1СМ, карбамиднофурановая КФ-90 и др.) обеспечивает упрочнение стержня без нагрева. Они затвердевают при вводе в смесь катализаторов (ортофосфорной кислота и др.). Такие смеси называются холоднотвердеющие (ХТС).
3. Декстрин (продукт разложения картофельного крахмала), сульфитный щелок (отходы бумажно-целлюлозного производства, состоящие из связующих, которые присутствуют в древесине, - лигнин, жиры и др.), являются водорастворимыми крепителями. При высыхании влага испаряется, концентрация крепителя повышается и связующие силы возрастают. Недостаток водорастворимых крепителей - гигроскопичность, т. е. способность адсорбировать влагу на воздухе и в форме.
4. Минеральные вещества, твердеющие во время выдержки при обычной температуре,- цемент, жидкое стекло и др. Применение жидкого стекла в качестве связующей добавки намного улучшила технологию литейного производства, так как отпала необходимость сушки формы и стержней в специальных сушилах. Жидкое стекло водный раствор силиката натрия (Na2O)m*(SiO2)n*(H2O)4 поставляется в виде сиропообразной жидкости в герметических емкостях. Его вводят в смеси, которые называют быстротвердеющими (ЖСС), в количестве 5-8 %. Стержни на жидком стекле для отвердения продувают CO2 или подвергают кратковременной сушке при 200 °C в течение 15-40 мин. При этом образуется гель кремниевой кислоты m*SiO2*kН2O, a Na2O превращается в Na2CO3. При последующем удалении влаги образуется золь SiO2, который скрепляет зерна песка в прочную массу. Чем меньше золь содержит влаги, тем прочнее стержень. Связующая способность жидкого стекла определяется его модулем M = (Si02/Na2O) 1,032, который колеблется от 2 до 3. Чем больше М, тем выше вяжущие свойства жидкого стекла. В литейном производстве применяют крепители с M = 2,1/2,6. Недостаток ЖСС - невысокая «живучесть» (при хранении твердеют).
В России с использованием жидкого стекла в качестве крепителя разработана новая технология изготовления форм и стержней с применением жидких самотвердеющих смесей (ЖСС), позволившая заменить процесс уплотнения смесей заливкой их в стержневые ящики и на модели. Смеси состоят из жидкого стекла (крепитель), поверхностно-активного вещества - пенообразователя (мылящее вещество), который придает текучесть смеси, отвердителя (феррохромовый шлак 2СаО*SiO2 в виде порошка) и наполнителя (песок и др.); все эти составляющие смешивают в определенных пропорциях. Принципиальная особенность ЖСС - их способность затвердевать одновременно по всему объему. Поэтому продолжительность затвердевания не зависит от размеров форм и стержней. Твердение начинается через 8-10 мин после заливки и заканчивается через 40-60 мин.
Для изготовления фасонных отливок из титана, циркония и их сплавов в качестве формовочного материала в основном применяют графит, так как SiO2, Al2O3, ZrO2 и другие огнеупорные материалы химически взаимодействуют с титаном. При литье по выплавляемым моделям используют электрокорунд (плавленая Al2O3 и ZrO2). Формы для титановых отливок либо изготовляют из куска графита, либо прессуют из графитовых смесей. Смеси состоят из порошка графита различной крупности (0,04-0,5 мм) и фенолфурфуроловой смолы в качестве крепителя. Их разбавляют этиловым спиртом или ацетоном и карбидообразующими добавками (двуокись титана, порошок металлического титана, аморфный бор и др.). Для улучшения смачиваемости зерен графита связующими вводят поверхностно-активные добавки, например нефтяные сульфокислоты, получаемые при обработке керосинового или дизельного дистиллята нефти серным ангидридом В отечественной практике для получения прочных графитовых оболочек применяют смесь из 93 % графитовой пыли, 3,7 % TiO2, 3 % порошка металлического титана и 0,3 % порошка бopa, которую перемешивают со смолой (0,5 кг порошка на 1 л разбавленной смолы).
Формовочные и стержневые смеси готовят в смесеприготовительных отделениях литейного цеха. Этот процесс состоит из следующих основных операций: сушки песка и глины, просеивания, размола (глины), распределения материалов по емкостям, дозирования, перемешивания составляющих, выдержки готовых смесей, разрыхления (аэрации) и транспортировки к рабочим местам формовки. Для сушки песка и глины при 200-250 °C до остаточной влажности 0,1-0,2 % применяют барабанные вращающиеся сушила, вертикальные многоподовые сушила с вращающимися скребками и отапливаемые газом или твердым топливом, установки для сушки в пневмопотоке и по принципу кипящего слоя. Просеивание материалов ведут во вращающихся полигональных ситах производительностью от 10 до 80 м3/ч и плоских ситах производительностью 5-40 м3/ч. Перед просеиванием отработанные смеси (используемые для приготовления рабочих смесей) размалывают на специальных вальцах, а перед поступлением в сито пропускают через магнитный сепаратор, который отделяет от земли железные предметы (каркасы и пр.). Кусочки цветных металлов при просеивании остаются в ситах и периодически выгружаются.
Составляющие смеси перемешивают в бегунах, представляющих собой металлическую чашу, в которой вращаются катки, расположенные вертикально (а) или горизонтально (б) (рис. 49). Вначале в чашу 1 загружают нужное количество песка и глины, затем включают бегуны-катки 2, с помощью которых перемешивают порошкообразные составляющие, смесь увлажняют и вводят связующие. Один замес обычно весит 0,3-1,5 т, перемешивание длится 10-20 мин. Затем смесь выгружают из бегунов и с помощью транспортеров собирают в большие бункера-отстойники, где выдерживают не менее 3 ч, чтобы влажная глина хорошо набухла и смесь приобрела высокую прочность и пластичность Стержневые смеси с легко высыхающими масляными крепителями лучше подавать к рабочим местам сразу, без выдержки. Каждую партию формовочной и стержневой смеси перед подачей к месту формовки проверяют на прочность, газопроницаемость и влагу. В современных цехах операция приготовления смесей механизирована и автоматизирована. Готовые смеси подают в формовочное отделение для изготовления литейных форм.

К атегория:

Производство точных отливок

Получение точных отливок из алюминиевых, магниевых и медных сплавов по постоянной модели

В гипсовых формах изготовляют отливки только определенной массы. Особо сложные отливки получают в оболочковых керамических формах. Согласно сообщениям некоторых специализированных фирм (Canadion-Marconi, Sterling Metals Limited, Munetto) керамические формы более выгодны для отливок, имеющих очень большую разностенность.

Преимущества гипсовых форм для литья алюминиевых сплавов приводятся в работах.

Гипсовые формовочные смеси. Связующим в этих смесях является гипс, качеству которого придается большое значение. Для гипсовых форм пригоден только такой гипс, который при затвердевании не дает усадку. Гипсовые формовочные смеси имеют следующий ориентировочный состав, %: 30-100 гипса, 5-40 асбеста, 19-30 талька, 5-80 кварцевой муки, 0-10 гончарной глины, 33 молотого кирпича, 0-50 кварцевого песка, 70 кристобалита, 0-1,5 извести, 0-5 портландцемента, 0,25- 3,0 бромистого аммония.

Гипсовые формовочные смеси замешивают на воде до сметано-образного состояния в следующих соотношениях компонентов: 0,35 ч. воды на 1 ч. смеси. Отдельные присадки в гипсовые смеси влияют на их свойства следующим образом: молотый асбест повышает пористость; если асбест используют в волокнистой форме, то улучшаются механические свойства формы. Молотый асбест должен иметь соответствующую зернистость. Кварцевая мука снижает объемные изменения гипсовой смеси во время затвердевания, прокаливания и охлаждения формы. Тальк и кварцевый песок, как инертные наполнители, компенсируют объемные изменения. Известь и цемент стабилизируют объемные изменения формы. Бромистый аммоний при обжиге форм разлагается на газообразные вещества и способствует повышению газопроницаемости форм.

Помимо указанных присадок вводят также много других, применяемых значительно реже: борную кислоту в количестве от 1 до 2% и буру 0,35-0,5%, способствующих быстрому отверждению смеси. Жидкое стекло повышает прочность и сопротивление форм против истирания. Альгинат натрия в количестве 0,1-0,5%, карбонат натрия (0,1-0,5%), формалин регулируют скорость отверждения. Алюминат кальция в количестве 2,5-12% и окись цинка замедляют отверждение и придают формам большую прочность. В качестве присадки для повышения прочности форм используют также добавки окислов алюминия, железа и т. п.

Гипсовые формы должны иметь следующие основные свойства: достаточную прочность и сопротивление истиранию; достаточную газопроницаемость; возможно наименьшие объемные изменения.

Перечисленные свойства обеспечиваются составом смеси и способом ее приготовления. Наибольшее влияние на свойства смеси (помимо ее состава) оказывает вязкость гипсовой массы, определяемой соотношением сухих компонентов и воды. В результате исследований авторов оказалось, что количество воды на 1 кг формовочной смеси не должно превышать 0,8 л, иначе формы будут иметь низкую прочность, высокую газопроницаемость и при сушке большую усадку; наилучшим является соотношение 0,45- 0,55 л воды на 1 кг смеси. При меньших количествах воды гипсовая смесь очень густая и заливать ею сложные модели трудно; в такую смесь замешивается много воздушных пузырьков. Если соотношение приближается к 0,8 л воды на 1 кг смеси, то отверждение смеси резко замедляется и она даже через 48 ч остается мягкой. Это относится к гипсовой смеси, состоящей из 50% гипса «Rocasso», 30% асбестовой крошки и 20% кварцевой муки.

На свойства гипсовых форм еще влияют температура и время перемешивания формовочной смеси. Для указанной гипсовой смеси лучше всего применять воду с температурой 50-52 °С; при этой температуре формы имеют максимальную прочность, сопротивление истиранию, газопроницаемость и постоянство объема. Время перемешивания гипсовой смеси не должно превышать 3 мин. Более быстрое или более длительное перемешивание приводит к усадке гипсовых форм.

Несмотря на то, что гипсовые формы имеют в составе смеси вещества для повышения газопроницаемости, все же ее величина недостаточна, и поэтому получаются отливки с дефектами, например неслитинами.

Газопроницаемость можно повысить тремя способами:

1) присадкой в формовочную смесь таких веществ, которые после отверждения и нагрева формы газифицируются и удаляются из нее и за счет этого повышают газопроницаемость. Чаще всего для этих целей используют хлорид или бромид аммония;

2) нагревом в автоклаве (способ Antioch). При нагреве во влажной атмосфере при температуре 90° С гипс (дигидрат кальция) переходит в полугидрат , так как при этой температуре дигидрат является неустойчивой формой сульфата кальция. Вода, выделившаяся при разложении дигидрата кальция, растворяет полугидраты до насыщения. Так как растворимость полугидратов с увеличением температуры снижается, то в автоклаве поддерживается низкое давление (от 0,07 до 0,2 МПа). После выдержки (6 ч) формы в автоклаве ее охлаждают во влажной атмосфере. Поверхность формы охлаждается быстрее, чем внутренняя ее часть, поэтому в наружных слоях формы выделяются мелкие кристаллы дигидрата, а во внутренних частях формы - крупные. В такой форме с мелкозернистым поверхностным слоем и пористой внутренней частью газопроницаемость существенно выше;

3) вспениванием смеси (способ Gypsum Hydroperm). Сущность способа в том, что в гипсовые смеси добавляют вспениватель. В смесь вводят вещества, например, карбонат и разбавленную кислоту или перекись водорода и аммиачную воду. Между ними при перемешивании смеси идут реакции с выделением большого объема газа. Можно вводить в гипсовую смесь органические пенообразователи, которые при перемешивании захватывают воздух и хорошо его стабилизируют во всем объеме. Отвердевшая гипсовая форма насыщена мелкими газовоздушными пузырьками, что увеличивает газопроницаемость формы; условно назовем этот способ механическим вспениванием. Для каждого из этих способов существует своя технология.

В первом случае газопроницаемость повышается только после нагрева до температуры, при которой из формы практически удалена вся вода (и свободная, и связанная). При нагреве в автоклаве и при механическом вспенивании формовочной массы пористость образуется в тот момент, когда в форме имеется вся вода, как химически связанная, так и свободная.

Формы, у которых газопроницаемость повышают по первому способу, содержат в исходной гипсовой смеси вещества, которые образуют пористость тотчас после затвердевания массы. Это необходимо для того, чтобы облегчить отвод водяных паров при последующей термообработке. Механически удаляется вода при температуре 85-96 °С. Сушить форму следует осторожно, так как пористость весьма невелика и при образовании больших объемов водяного пара может произойти ее повреждение. Минимальное время нагрева до указанной температуры составляет 8 ч. Затем следует нагрев до 200-220 °С, при котором удаляется большая часть связанной воды. Скорость нагрева 50 °С/ч. При этой температуре формы выдерживают до 12 ч. Затем следует нагрев до 380 °С с той же скоростью, чтобы разложить аммониевые соли. Выдержка при этой температуре 5 ч. Далее формы охлаждают при 100 °С их извлекают из печи и подготовляют к заливке.

При изготовлении гипсовых форм, подлежащих нагреву в автоклаве или вспениванием, ‘в смесь не вводят присадки, повышающие газопроницаемость, такие, как асбест, стеклянная вата. Они в данном случае излишни. Более того, при их использовании увеличивается шероховатость поверхности форм. В период тепловой обработки гипсовой формы она становится достаточно газопроницаемой для удаления влаги. Именно в этот период удаляется свободная и дигидратная вода. Полугидратная вода удаляется во время заливки металла в форму. Образующиеся пары благодаря высокой газопроницаемости формы удаляются через стенки без какого-либо повреждения формы.

Таким образом, тепловая обработка форм при нагреве в автоклаве или при вспенивании очень проста, и сами формы не так чувствительны к скорости нагрева. Тепловую обработку форм проводят при низких температурах, находящихся между эндотермическими пиками, обусловленными потерей дигидратной и полу-гидратной воды. При нормальных условиях эта температура находится в пределах 180-225 °С. В диапазоне этих температур формы (в зависимости от их величины) выдерживают 10- 18 ч. После охлаждения формы подготовляют к заливке.

Сравнительные испытания всех трех описанных способов, проведенные предприятием ZPS г. Готвальдов (ЧССР ), показали, что

газопроницаемость форм была в пределах 48-52 J. N. Р. Одинаковыми были также качество поверхности отливок и плотность металла непосредственно под литейной коркой.

Вспенивание форм требует точного выдерживания технологических параметров: давления, температуры и времени пребывания в автоклаве.

Для повышения газопроницаемости за счет разложения аммониевых солей необходима медленная и осторожная тепловая обработка форм. Объемную стабильность таких форм можно повысить присадкой 1% сульфата алюминия A12 3. Обработку гипсовых форм в автоклаве применяют в серийном производстве, а механическое вспенивание-в единичном.

Если необходимо иметь только определенную часть отливки с особо качественной поверхностью и жесткими допусками на размер, используют комбинированную форму. В песчаную форму вставляют или гипсовый стержень, или часть гипсовой формы.

Максимальная масса отливок из алюминиевых сплавов, которые можно получать в гипсовых формах, составляет 10-160 кг. Минимальная толщина стенки 1,5 мм, в особых случаях 0,55 - 1,0 мм.

Шероховатость поверхности в пределах от 60 до 80 RMS . Теплопроводность гипсовых форм относится к теплопроводности обычных песчаных форм как 0,65: 1,0, что необходимо учитывать, в частности, при литье свинцовистых бронз. Содержание свинца в таких бронзах должно быть не более 2,5%, а содержание углерода максимум 7%; при более высоком содержании свинца при охлаждении происходит его ликвация.

Литейное производство достаточно простой и широко распространенный технологический процесс для получения отливок различного размера и разнообразной формы. Получение деталей методом литья практикуется в автомобилестроении, станкостроении, вагоностроении и многих прочих отраслях машиностроения. Для получения полых или с множеством отверстий отливок используются стержневые и формовочные смеси различных составов. Экономически обосновано использование песчано-глинистых форм при массовом производстве.

Состав смесей зависит от:

способа формовки:
1. ручная;
2. машинная;
типа металла:
1. сталь;
2. чугун;
3. цветной металл и его сплавы;

типа производства:
1. единичное;
2. серийное;
3. массовое;

типа литья;
технологического оснащения.

Материалы, которые используются для получения формовочных смесей, подразделяются на следующие группы:

песчаник;
различные сорта глины;
вспомогательные:
- связующие материалы;
- противопригарные смазки и покрытия;
- огнеупорные;
- специальные.

Глинистые пески могут содержать глины в своем составе до 50%. Делят их по количеству содержания глины на:

тощие – до 10%;
полужирные – до 20%;
жирные – до 30%;
очень жирные – до 50%.

Также используются кварцевые пески. Силикатная основа позволяет принимать в форму расплав, температура которого достигает 1700С.

Получение отливок высокого качества требует использования противопригарных покрытий и материалов мелкой фракции, чтобы предупредить образование в форме пор.

Виды и состав смесей

К формовочным смесям для литья предъявляются следующие требования:

механическая прочность;
теплопроводность;
газовая проницаемость;
огнестойкость;
теплоемкость.

Формовочные и стержневые смеси обладают одинаковыми свойствами. Но к стержням предъявляются более высокие требования, потому что на него расплавленный металл оказывает более сильное давление.

Формовочные смеси делятся на три типа:

единые;
облицовочные;
наполнительные.

Единая смесь предназначается для наполнения всего объема литейной формы. В полном объеме используется при машинной формовке при выпуске отливок в большом количестве. Для ее приготовления используется большой объем еще неиспользовавшихся материалов.

Облицовочная смесь предназначена для получения слоя формы, контактирующего непосредственно с расплавом. Его толщина зависит от типа смеси и тяжести отливки и составляет 20-100 мм. Для того чтобы дополнить оставшийся объем используется наполнительная смесь.

Состав формовочной смеси напрямую зависит от формы и метода ее изготовления. Формирование песчано-глинистых форм происходит двумя способами, в результате которых получаются сухие и сырые формы. Для их податливости при формировании в смесь вводятся сгорающие наполнители – торф или древесные опилки. В состав подсушиваемых форм кроме глины и песка закладываются крепитель, измельченный асбест и барда.

Кроме них используются:

быстро отверждающиеся;
самостоятельно отверждающиеся;
твердеющие при химическом преобразовании;
жидкостекольные составы.

В быстро отверждающихся смесях связкой выступает жидкое стекло. Если для сушки жидкого стекла необходима теплая продувка, то в данном случае отвердение происходит за счет феррохромового шлака.

Самостоятельно отверждающиеся составы в первоначальном состоянии жидкие. Затем в них вводятся ПАВ и песочный наполнитель. Такой состав сохраняет текучесть не более 10 минут. Поэтому они приготавливаются на формовочных участках.

Химически отверждающиеся смеси имеют малый срок жизни. В следствие чего в смесь добавляется едкий натр.

Жидкостекольные разновидности после формирования подвергаются сушке продуванием углекислым газом. В процессе сушки протекают химические реакции: образование кремниевой кислоты и углекислого натрия.

Для изготовления стержня, например, первого класса, смесь целиком состоит кварца и крепителей. Для формовки крупных стержней используется 1/3 часть использованного и восстановленного состава.

Температура плавления цветных металлов значительно ниже, чем у сталей и чугунов. Из-за чего формовочные смеси имеют меньшую огнеупорность. Для литья бронзы и медных сплавов формовочные составы готовят при использовании глинистого песка П класса. Такие наполнители как борная кислота, серный цвет или фтористая присадка используются для литья алюминия. Они препятствуют активному окислению расплава.

Требуемые свойства

Для получения качественной отливки необходима литейная форма, изготовленная из ингредиентов, подобранных под разлив определенного металла. Формовочная смесь для литья должна обладать определенной влажностью. При малой влажности форма склонна к осыпаемости, что затрудняет формовку.

Плохая газовая проницаемость провоцирует образование в отливке дефектов — газовых пор и раковин. Из-за чего необходим песок крупной фракции (более 50%).
Литье в песчано-глинистую форму
Высокая прочность формы и стержня не позволяет изменять геометрию отливки. Чтобы ее получить применяются специальные связующие материалы.
Приготовление смесей
Процесс приготовления формовочных и стержневых смесей проводится в три этапа. Первый этап — подготовительный. Здесь происходит подготовка еще неиспользованных материалов. Проводится сушка, дробление и последующее просеивание.
На втором этапе происходит подготовка отработанного состава. Это позволяет экономить на материалах. Процесс начинается на охладительных барабанах. Происходит выбивка, размельчение, охлаждение.
Формовочные смеси для литья готовятся на третьем этапе в смесителях. Широкое применение нашли катковые модели. Они используются для приготовления таких составов как:
единые;
стержневые смеси;
облицовочные;
с добавками:
вязкие;
жидкие;
пылевидные.

При больших объемах выпуска производство автоматизировано. Механизация процессов отражается на снижении себестоимости продукции.

К атегория:

Изготовление форм

Формовочные материалы и смеси

Формовочные материалы. Формовочные материалы, применяемые для изготовления литейных форм и стержней, делятся на следующие группы: пески, связующие, противопригарные, высокоогнеупорные, специальные и подсобные.

Цески (кварцевые, глинистые) образовались в результате разрушения горных пород (гранита, базолита и др.); они состоят из зерен минерала кварца (Si02) размером 0,06-1,6 мм с примесью глины и других минералов (окислы железа, полевые шпаты). Кварц обладает большой твердостью и высокой огнеупорностью (температура плавления 1713 °С).

Кварцевые пески содержат до 2% глины и незначительное количество посторонних примесей, глинистые содержат глины до 50%. Глинистые пески по содержанию глины разделяются на тощие (2-10%), полужирные (10-20%), жирные (20-30%) и очень жирные (30-50% глины).

Связующие материалы: формовочная глина, жидкое стекло, сульфитная барда, различные крепители, этилсиликат, пульвербакелит и др.

Формовочная глина обладает высокой огнеупорностью (температура плавления 1750-1787 °С) и состоит из очень мелких (0,001 мм) минеральных частиц, которые при взаимодействии с водой образуют клейкие растворы.

Жидкое стекло, сульфитная барда, крепители вводят в смеси, противопригарные краски и другие составы для придания им прочности.

Противопригарные материалы (графит, пылевидный кварц, тальк, каменный уголь и др.), а также приготовляемые из них литейные краски, пасты-натирки наносят на поверхность форм и стержней с целью предупреждения пригара формовочных материалов к поверхности отливок. Графит и пылевидный кварц -применяют как припыл и при приготовлении красок и натирок. Каменный уголь добавляется в состав формовочных смесей.

Высокоогнеупорные материалы (шамот, хромистый железняк, циркон, магнезит, асбест и др.) применяют при изготовлении литейных форм и стержней для очень крупных и массивных отливок из легированных (нержавеющих, жаропрочных и т. д.) сталей, а также многократно используемых форм.

Специальные материалы - чугунная дробь, каустическая сода, формалин, древесные опилки, торф и др. Чугунную дробь применяют при изготовлении отливок специальным методом литья как наполнитель. Древесные опилки, торф и др. вводят в смеси для повышения газопроницаемости и податливости высушиваемых форм и стержней.

Подсобные материалы - модельные пудры, разделительные жидкости, клей и др. Модельные пудры и разделительные жидкости применяют при изготовлении форм и стержней для того, чтобы при извлечении модели из формы, а также стержня из стержневого ящика не повредить их поверхность. Клей применяется при сборке стержней и форм для склеивания половинок.

Основные свойства формовочных материалов: теплопроводность, теплоемкость, газопроницаемость, прочность, текучесть и др.

Формовочные смеси. В настоящее время в литейных цехах применяют большое количество разнообразных формовочных смесей. Выбор состава смесей обусловливается характером (весом, размерами, формой, родом сплава) изготовляемых отливок, а также видом применяемых форм (сырые, сухие, поверхностно подсушенные, химически твердеющие).

В зависимости от назначения смеси разделяются на облицовочные, наполнительные и единые.

Облицовочная смесь имеет наиболее высокое качество и употребляется для покрытия рабочей поверхности формы, непосредственно соприкасающейся с расплавленным металлом. Толщина слоя облицовочной смеси зависит от рода и характера отливки (15-50 мм).

Наполнительная смесь насыпается поверх облицовочной, обладает меньшей прочностью и газопроницаемостью и дешевле. Приготавливается наполнительная смесь путем переработки бывшей в употреблении формовочной смеси с добавлением (3-5%) свежих материалов (песка и глины).

Единая смесь составляет весь объем формы и применяется при машинной формовке, на автоматах в условиях массового производства мелких и тонкостенных отливок. От наполнительной смеси она отличается большим содержанием свежих материалов и лучшими физико-механическими свойствами.

Стержневые смеси. Состав и свойства стержневых смесей обусловливаются главным образом классом изготавливаемых стержней.

Ответственные стержни первого класса изготавливаются из стержневых смесей, состоящих целиком из кварцевого песка с добавлением крепителей. Крупные стержни изготавливают из более дешевых стержневых смесей, в них очень часто входит бывшая в употреблении смесь (20-35%), а связующим является формовочная глина, сульфитная барда, а в качестве органической добавки - древесные опилки.

Стержневые смеси должны обладать теми же свойствами, что и формовочные. Но учитывая, что большая часть стержня (кроме знаков) подвергается воздействию высокой температуры и давлению заливаемого металла в форму, их делают с более высоким показателями прочности, газопроницаемости, податливости и огне упорности.

В состав стержневых смесей чаще всего входит чистый кварцевый песок от 70 до 100%;, огнеупорная глина или бентонит и различного рода крепители. Такие смеси обладают высокой газопроницаемостью до 120, прочностью до 0,55 в сыром состоянии и до 12 кг/см2 в сухом. За последние годы широкое применение для изготовления стержней получили жидкие самотвердеющие смеси, обладающие хорошими технологическими свойствами.

Регенерация отработанных смесей. Регенерации подвергаются отработанные смеси, накапливающиеся в обрубно-очистном отделении (от выбивки стержней, от очистных машин), просыпи, собираемые с пола формовочного и стержневого отделений, сушильных камер и др. Такая смесь содержит в себе много пыли, золы от сгоревших опилок и угля, куски стержней и форм, различные металлические и неметаллические включения, а также до 60-80% зерен песка, пригодных к дальнейшему применению. Для извлечения зерен песка из этой смеси ее подвергают переработке: разминанию комьев, магнитной сепарации, просеиванию и обеспыливанию.

Получение высококачественных отливок в значительной степени зависит от качества формовочных материалов и смесей, из которых изготовлены формы и стержни.

Формовочные материалы разделяют на основные - пески, глины и вспомогательные, к которым относятся связующие, применяемые для приготовления стержневых смесей, противопригарные материалы (каменный уголь, графит, краски, хромистый железняк, циркон и др.), а также клей, замазки, припылы и т. п.

Формовочные пески

Формовочные пески поставляются в естественном и обогащенном состояниях. По ГОСТ 2138-74, пески в зависимости от содержания глинистой составляющей (так называются зерна с величиной в поперечнике менее 0,022 мм), кремнезема и вредных примесей делятся на классы, а в зависимости от величины зерен основной фракции - на группы.

Для определения группы песка его нужно просеять через стандартный набор сит и выяснить, на каких трех смежных ситах осталась наибольшая сумма остатков (в массовых единицах), называемых основной фракцией. Зная, на каких ситах располагается основная фракция песка, его можно отнести к группе, которая определяется средним номером сита.

Формовочные глины

Формовочные глины, применяемые в литейном производстве в качестве минеральных связующих в формовочных и стержневых смесях, классифицируются по минералогическому составу, по пределу прочности во влажном и сухом состояниях, по содержанию вредных примесей и по некоторым другим свойствам.

По минералогическому составу формовочные глины делятся на виды, по пределу прочности при сжатии во влажном состоянии - на группы, в сухом - на подгруппы. В зависимости от содержания вредных примесей формовочные глины делятся на группы.

Главное различие между формовочными глинами заключается в том, что они имеют разные кристаллические решетки, в связи с чем на поверхности могут образоваться водные пленки разной толщины. Наименьшее количество воды может удержаться на поверхности каолинитовых зерен, а наибольшее - на поверхности монтмориллонитовых зерен. Из этого следует, что монтмориллони-товые (бентонитовые) глины целесообразно использовать при формовке по сырому. Применение этих глин позволяет в 2-3 раза снизить содержание глинистой добавки в смесях, повысить их газопроницаемость, в ряде случаев заменить формовку по сухому формовкой по сырому, улучшить поверхность отливок и т. д. При формовке по сухому можно использовать глины любого вида.

При приготовлении формовочных и стержневых смесей все составные части, за исключением воды и жидких связующих, загружают в смесители в размолотом или сыпучем виде. Так как процесс получения глиняного порошка связан с обильным пылевыде-лением, то при изготовлении чугунных отливок по сырому вместо него применяют глиняные или глиняно-угольные суспензии.

3. Связующие материалы

Стержневые смеси, в которых связующим является формовочная глина, как правило, не обеспечивают таких качеств стержней, как прочность, газопроницаемость, выбиваемость. Вследствие этого глину приходится заменять материалами, обладающими высокой связующей способностью и придающими стержням значительную прочность при сохранении хорошей выбиваемости и газопроницаемости.

Связующие материалы подразделяются на органические и неорганические и на три класса:
А - органические неводные, Б - органические водные и В - неорганические водные.

Класс А объединяет связующие, которые обладают связующей способностью и не требуют добавления воды. Они не растворяются в воде, не смешиваются с ней и не смачиваются ею (масла, олифы, пеки, битумы, канифоль). В класс- Б входят связующие, растворяющиеся в воде, после чего они приобретают способность связывать песок (декстрин, сульфитно-спиртовые барда и бражка). К классу В относятся все неорганические связующие (формовочная глина, цемент, жидкое стекло), которые, так же как и связующие материалы класса Б, оказывают свое действие только после добавления к ним воды.

Для удобства пользования связующие каждого класса разбиты на три группы. В каждую из трех групп входят связующие, обладающие примерно одинаковыми физико-механическими и технологическими свойствами. Основным признаком отнесения связующего к той или иной группе является прочность (временное сопротивление разрыву, в кгс/см2, пробного образца в сухом состоянии), приходящаяся на 1% связующего материала, введенного в состав смеси.

Оценка связующих производится по технологической пробе в лабораторных условиях. Из полученной смеси со связующим изготовляют образцы для испытания прочности на сжатие всырую и на разрыв всухую, а также на газопроницаемость. Сушка образцов производится в соответствии с техническими условиями на данное связующее.

В большинстве случаев связующими являются побочные продукты, получаемые прн переработке нефти, горючих сланцев, древесины, хлопкового масла и др.

4. Противопригарные и другие вспомогательные материалы

В результате химического и механического взаимодействия формы или стержня с жидким сплавом, недостаточной огнеупорности и увеличенной пористости смесей, а также высокой температуры заливки на отливках образуется пригар. Для борьбы с ним применяют специальные противопригарные материалы.

Каменный уголь. При формовке по сырому в состав смеси вводят добавки каменного угля в измельченном состоянии следующего состава, в %: летучие вещества - не менее 30, сера - не более 2 и зола - не более 11, влага - не более 12. Каменный уголь может быть заменен эстонским сланцем в виде порошка.

При нагревании формы жидким сплавом частицы угольной либо сланцевой пыли выделяют летучие вещества и сгорают с образованием окиси углерода, при этом между сплавом и формой образуется газовая прослойка, которая исключает возможность смачивания зерен песка сплавом и образования пригара.

Пылевидный кварц. Различают два вида этого материала: естественный и искусственный. Наибольшее применение имеет искусственный пылевидный кварц, который получают путем размола кварцевого песка.

Пылевидный кварц используют при производстве стальных отливок в качестве добавки в облицовочные смеси. Это уменьшает пористость рабочего слоя формы или стержня, в результате чего уменьшается механический пригар.

При введении пылевидного кварца в состав краски для покрытия формы и стержня на поверхностях образуется высокоогнеупорный слой, защищающий их от влияния высокой температуры заливаемого сплава.

Циркон. При обогащении титаноцирконовых руд получают материал, называемый цирконом. Промышленность выпускает цир-коновый концентрат для приготовления облицовочных формовочных и стержневых смесей и цирконовый порошок для красок.

Циркон - высокоогнеупорный материал (температура его плавления 2190 °С), он не вступает в химическое соединение с железом и легирующими элементами и является хорошим противопригарным материалом.

Хромистый железняк. Продукт помола хромитовой руды - хромистый железняк характеризуется высокой огнеупорностью-Температура его плавления около 1850° С. Отсутствие сродства с окислами железа и постоянство объема при нагревании обеспечивают получение отливок высокого качества.

Применяют облицовочные формовочные и стержневые смеси следующего состава, в : хромистый железняк (просеивается через сито с ячейками 1,5×1,5 мм) -100 и сверх 100 сульфитно-спиртовая барда - 2-3.

Физико-механические свойства смеси: прочность на сжатие в сыром состоянии - 0,5-0,7 кгс/мм2; влажность - 5-6%.

Толщина облицовочного слоя должна быть 10-30 мм, а подслоя из песчано-глинистой смеси - 40-60 мм. Остальной объем опоки заполняется обычной наполнительной смесью, а стержни - стержневой опилочной смесью.

Графит. Широко применяемый в чугунолитейном производстве графит является высокоогнеупорным материалом. Различают графит кристаллический - в виде серебристых чешуек и скрытокри-сталлический (аморфный) - в виде черного порошка.

Припылы и краски. При формовке по сырому поверхности форм покрывают различными припылами (серебристым графитом, сланцем, цементом и др.). Для улучшения поверхностной прочности формы наряду с припылом применяют опрыскивание поверхностей сульфитно-спиртовой бардой (плотностью 1,1) или патокой (плотностью 1,28).

Для покрытия форм и стержней по сухому используют краски и натирки. В состав их входят противопригарные материалы (аморфный графит, пылевидный кварц, тальк, молотый кокс и др.) и связующие вещества (бентонитовая глина, сульфитная барда, патока и Др.) Для предохранения красок от брожения в них вводят формалин.

Натирочные пасты, замазка и клей. Натирочные пасты применяют в тех случаях, когда образуемые стержнями полости в дальнейшем не подвергаются механической обработке и требуют большой точности размеров и чистоты поверхности. Для особо ответственных стержней для чугунных отливок используют пасты следующего состава: серебристый графит - 1 часть; аморфный графит - 1 часть; сульфитно-спиртовая барда -- до получения однородной пасты в виде густой сметаны.

Стержневые клеи служат для склеивания и ремонта стержней. Сульфитный клей состоит из 5 частей сульфитно-спиртовой барды, 5 частей формовочной глины и 2 частей воды. Клей наносят ровным слоем на склеиваемые поверхности половинок стержней.

При спаривании крупных и средних стержней швы заделывают специальными замазками, в состав которых входят, в %:
мелкий кварцевый песок - 60, черный графит - 25 и формовочная глина - 15.

5. Основные свойства формовочных материалов и смесей

Формовочные материалы и смеси, из которых изготовляют литейные формы и стержни, должны обладать определенными свойствами, обеспечивающими получение высококачественных форм, стержней и отливок.

Влажность влияет на все свойства формовочных смесей и главным образом на газопроницаемость, прочность и текучесть. Пониженная влажность повышает осыпаемость смеси и затрудняет формовку, а повышенная снижает прочность всырую, увеличивает прилипаемость смеси к модели и снижает газопроницаемость, вследствие чего возникает опасность образования вскипа отливки.

Газопроницаемость - очень важное свойство формовочных материалов и смесей. Низкая газопроницаемость смесей может быть причиной образования газовых раковин в отливках. Газопроницаемость зависит от формы зерен, однородности зерновых составляющих смеси, от содержания в ней глинистых веществ и ряда других причин. Для повышения газопроницаемости мелкого песка его необходимо смешивать с 50-60% крупного песка.

Прочность. Недостаточная прочность формовочных смесей ведет к деформации форм и стержней, искажению отливок, вызывает распоры и обвалы. Прочность зависит от влажности смеси, количества глинистой составляющей, зернистости песка и степени уплотнения. Она регулируется дозировкой глины.

Прочность формовочных смесей в сухом состоянии возрастает с увеличением в них содержания глины и влаги. Более высокая прочность может быть достигнута при использовании специальных связующих материалов.

Прочность стержневых смесей зависит от вида и количества применяемого связующего и должна находиться в определенных пределах.

Твердость характеризует степень и равномерность уплотнения формовочных смесей. Переуплотнение, так же как и недостаточное уплотнение смеси, вызывает дефекты отливок: распоры, вскип, газовые и земляные раковины, пригар и др.

Определение этих и других свойств формовочных материалов и смесей производится в цеховых лабораториях.

6. Формовочные смеси

В литейном производстве наибольшее применение имеют песчано-глинистые смеси, которые классифицируются по способу формовки и по роду сплава, заливаемого в формы.

Смеси разделяются на единые облицовочные и наполнительные. Единой называют смесь, используемую для набивки всей формы (в основном при машинной формовке). Облицовочными смесями оформляют только ту часть формы, которая соприкасается с жидким сплавом. Наполнительную смесь наносят на слой облицовочной, ею заполняют и остальную часть формы.

По состоянию формы перед заливкой различают смеси для формовки по сырому и по сухому. По роду сплава, заливаемого в формы, различают формовочные смеси для чугунных, стальных и цветных отливок.

Состав смеси для чугунного литья зависит от массы отливки, толщины стенок и технологии изготовления формы.

Для стальных отливок формовочные смеси должны иметь более высокую огнеупорность и газопроницаемость, чем смеси для чугунного литья.

Для форм цветных отливок могут применяться смеси со значительно более низкой огнеупорностью, чем у смесей для чугунного и стального литья.

Для повышения чистоты поверхности отливок из сплавов на медной основе в состав формовочной смеси вводят глинистые пески класса П. Фтористая присадка, вводимая в формовочную смесь при литье из магниевых сплавов, дает возможность избежать окисления сплава в процессе заливки и затвердевания отливки. Она может быть заменена борной кислотой или серным цветом.

7. Быстроотверждающиеся, химически отверждающиеся и самоотверждающиеся пластичные и жидкие смеси

Наряду с обычными песчано-глинистыми получили распространение разработанные в нашей стране формовочные смеси с особыми свойствами.

Быстроотверждающиеся смеси.

Связующим материалом в них также является жидкое стекло. Однако процесс отверждения осуществляется не за счет продувки углекислым газом, а под действием добавки смесь отвердителя - шлака феррохромового производства. Живучесть пластичной смеси обычно равна 20- 25 мин, поэтому ее приготовляют в два этапа: основную жидко-стекольную смесь изготовляют в смесеприготовительном отделении, а ввод в нее шлака, просеянного через сито с ячейками 0,5 мм, производят непосредственно на участке формовки с перемешиванием в шнековом смесителе.

Облицовочную смесь наносят на модель слоем толщиной 50 мм и более, в зависимости от габаритов и толщины стенки отливки. Остальной объем опоки заполняют оборотной смесью. Продолжительность выдержки крупных форм - не менее 1 ч. После извлечения модели форму окрашивают самовысыхающей огнеупорной либо обычной водной краской. В последнем случае применяют поверхностную подсушку.

Жидкие самоотверждающиеся смеси (ЖСС ) отличаются от пластичных тем, что в их состав вводятся поверхностно-активные вещества (ПАВ ), которые при перемешивании смеси образуют на границах зерен пену. Пузырьки этой пены снижают силы трения между зернами песка, что придает смеси жидкоподвижность (текучесть). В качестве поверхностно-активного вещества чаще всего используют детергент советский рафинированный (ДС-РАС ).

ЖСС применяют при изготовлении крупных отливок и стержней, причем в отличие от всех смесей их «заливают«» в опоки и стержневые ящики. Время сохранения смесью текучести обычно составляет 9-10 мин, в течение которого она должна быть использована. Установка для приготовления ЖСС размещается непосредственно на формовочных или стержневых участках. Производительность установок -до 30 т/ч.

8. Стержневые смеси

9. Технология приготовления формовочных стержневых смесей

Технологический процесс приготовления формовочных и стержневых смесей состоит из трех этапов: подготовки свежих материа-н» подготовки отработанных смесей и изготовления смесей.

Подготовка свежих материалов заключается в их сушке, дроблении и просеивании.

Сушка песка и глины производится в барабанных сушилах производительностью от 3,2 до 29,2 т/ч для песка и 0,9-8 т/ч для глины, а также в установках для сушки и охлаждения песка в кипящем’слое производительностью 3-10 т/ч.

Для дробления и измельчения комьев песка и сухой глины, угля, комьев отработанной смеси, сухих бракованных стержней применяют размалывающие бегуны, валковые дробилки, шаровые мельницы мокрого измельчения угля.

Просеивание формовочных материалов перед употреблением осуществляют в передвижных землесеялках, а также в вибрационных и полигональных ситах производительностью от 5 до 125 т/ч и через плоские сита производительностью 50 т/ч.

Подотовка отработанной смеси заключается в магнитной сепарации ее для извлечения металлических включений. Смеси, применяемые при пескометной формовке, подвергаются двойной сепарации.

Приготовление смесей. Технологический процесс приготовления формовочных смесей состоит из дозирования сухих составляющих и загрузки их в бегуны в следующей последовательности: оборотная смесь+песок+глина в порошке или в виде эмульсии – каменный уголь (для чугунных отливок, формуемых по сырому) или опилки (для формовки по сухому); после предварительного перемешивания добавляются жидкие компоненты.

Для смешивания составляющих применяют бегуны периодического действия с вертикально вращающимися катками или центробежные с горизонтально вращающимися катками.

В литейных цехах серийного и массового производства создаются центральные смесеприготовительные отделения, оснащенные высокопроизводительным современным оборудованием и разветвленной транспортной системой. В некоторых из них комплексно механизировано и автоматизировано управление всеми операциями по приготовлению смесей.

10. Регенерация отработанных формовочных и стержневых смесей

Широкое внедрение в литейном производстве специальных смесей, приготовляемых из свежих кварцевых песков, а также ежегодный прирост производства отливок ведет к систематическому повышению расхода кварцевых песков, природные ресурсы которых небезграничны. В целях сокращения расхода их необходимо частично заменять регенерированными (восстановленными) песками из отработанных смесей, в настоящее время вывозимых в отвал.

Рис. 1. Установка для регенерации отработанных смесей.

Пятилетний опыт работы установки показал, что получаемый регенерат является полноценным заменителем свежего кварцевого песка и может быть использован для приготовления формовочных и стержневых смесей.