Смеси для литейных форм

Формовочные смеси для заливки форм по-сырому

Технология изготовления отливок в сырых формах является основной в современном литейном производстве. Доля литья, полученного в сырых формах, в разных странах мира колеблется от 30 до 40 %. Применение литья в сырые формы обеспечивает относительно короткий производственный цикл, увеличивает производительность труда, снижает расход песка до 0,4 т на тонну литья. Ограничением области применения сырых форм является их прочность, исходя из которой максимальная масса изготовляемых чугунных отливок составляет 0,5 т, стальных отливок — 0,4 т. Сфера использования сырых форм может быть расширена за счет применения высокопрочных форм с пониженной влажностью и современных методов уплотнения, а также поверхностной подсушки форм.

Наиболее широко литье в сырые формы применяется в автомобилестроении и станкостроении для изготовления чугунных отливок массой до 100 кг.

Виды формовочных смесей. Для изготовления отливок в настоящее время в основном используются синтетические смеси на основе высококачественных исходных материалов. Различают облицовочные, наполнительные и единые смеси.

Облицовочные смеси применяются для изготовления ответственных отливок с повышенными требованиями к качеству поверхности. Они содержат 20-60 % свежих материалов (песок и глинистые добавки), 40-80 % отработанной, оборотной смеси и различные добавки для улучшения их свойств. Эти смеси используют для оформления рабочего слоя формы толщиной, примерно равной толщине стенки отливки, который непосредственно контактирует с заливаемым жидким металлом. Облицовочные смеси должны обладать низкой пригораемостью, малой пористостью, высокой поверхностной прочностью и относительно низкой газопроницаемостью.

Основная часть формы изготовляется из наполнительной смеси, для приготовления которой в основном используют оборотную смесь, периодически освежаемую добавками свежих материалов для поддержания на заданном уровне газопроницаемости и прочностных свойств.

В крупносерийном и массовом производстве при изготовлении отливок на автоматических и конвейерных линиях применяют единые смеси, основную долю которых (90-95 %) составляет оборотная смесь.

Основные компоненты смеси. Как и любые смеси, смеси для заливки по-сырому включают в себя наполнитель, связующие материалы и специальные добавки.

Основным наполнителем является отработанная, оборотная смесь, которую следует применять после соответствующей регенерации и кондиционирования. Рекомендуется использовать песок классов 1К, 2К, групп 016, 02 для мелкого литья и групп 02, 0315 — для крупного и среднего литья. При изготовлении отливок из легированных сталей в облицовочных смесях применяются также цирконовые, магнезитовые и другие наполнители. Для единых смесей, используемых на автоматических линиях, содержание глинистых веществ не должно превышать 1 %. Пески должны применяться с концентрированной зерновой основой.

Основное связующее для смесей сырых форм — бентонит. Подавляющее большинство отечественных бентонитов являются кальциевыми с содержанием монтмориллонита не более 75-90 %. Для применения в сырых песчаных формах кальциевые бентониты активизируют добавками соды (Na2CO3), вводимыми при помоле бентонита. Натриевые бентониты обеспечивают при 10 %-м содержании в смесях прочность на сжатие в сыром состоянии не ниже 0,15 МПа при долговечности смеси не ниже 75-80 %. Для опочной формовки на автоматических линиях прочность смесей на сжатие во влажном состоянии должна составлять 0,14-0,18 МПа, а для безопочной формовки — 0,20-0,22 МПа. Такая прочность обеспечивается при применении бентонитов прочносвязующей группы (ГОСТ 3226-77).

Для улучшения качества отливок и снижения расхода бентонита в единые формовочные смеси вводят поверхностно-активные вещества и понизители вязкости в количестве 0,1-0,5 % (ДС-РАС, контакт Петрова, нитролигнин, КО, УСК и т. п.). Бентонит целесообразно вводить в смесь в виде суспензии (20 % бентонита, 5 % угля, 1 % крахмалита).

В качестве противопригарной добавки в песчано-глинистые смеси вводят каменноугольную пыль в количестве до 8 %. Это предотвращает образование пригара на отливках массой до 80-150 кг при толщине их стенок 15-30 мм. Увеличение содержания угля сверх 8 % снижает физико-механические свойства смеси. Уголь целесообразно вводить в виде глиноугольных суспензий.

Для замены угля используют продукты переработки нефти (мазут, древесный пек, растворы битумов). В качестве эффективной противопригарной добавки применяют водный раствор хлорида кальция (около 1,4 %).

В песчано-бентонитовых смесях для стабилизации влажности, уменьшения склонности к образованию ужимин, снижения осыпаемости используют добавки крахмалита (до 0,5 %). Добавки крахмалита или экструзионного крахмалореагента позволяют снизить деформацию смеси в зоне конденсации влаги.

Для повышения пластических свойств в смеси добавляют также декстрин, патоку и древесную муку.

Регулирование свойств смесей. На физико-механические, технологические свойства смесей существенное влияние оказывают их влажность W и глиносодержание Г. Наилучшее сочетание свойств обеспечивается при оптимальном содержании влаги, обычно составляющем 4-5 %. Необходимое содержание влаги возрастает с увеличением глиносодержания и при применении мелкозернистых песков с шероховатыми зернами. Колебание содержания влаги может приводить к значительным колебаниям свойств смеси. Чем больше в смеси содержится мелких частиц, тем выше должна быть влажность и тем сильнее ее колебания влияют на свойства смеси. На 1 % мелких частиц дополнительно расходуется около 0,3 % воды. При содержании мелких частиц выше 9-11 % резко увеличивается пригар и склонность к образованию ужимин. В процессе работы в оборотной смеси возрастает количество мелких частиц. Поэтому ее приходится освежать, вводя бентонит и песок.

Для нахождения количества освежающих добавок бентонита и песка для поддержания прочности на сжатие в сыром состоянии на уровне 0,2 МПа в зависимости от содержания в смеси мелких частиц и отношения массы отливки к массе смеси, определяющего термическую нагрузку на форму, X. Левелинком предложена номограмма, приведенная на рис. 5.40.

На шкале «Мелкие фракции, %» показано процентное содержание неорганической доли (глинистых частиц) мелких частиц. Общее содержание мелкой фракции кроме неорганической доли включает в себя мелкие органические добавки (например, каменноугольную пыль) и продукты их разложения. Содержание этих органических частиц в первом приближении можно оценить как 50 % от потерь при прокаливании.

На номограмме приведен пример определения количества освежающих добавок для следующих условий: отношение массы отливки к массе смеси 1/6, потери при прокаливании 7 % и содержание мелких частиц 14,5%. Содержание глинистых частиц составляет 14,5-7*0,5 = 11% (3,5 % приходится на органические частицы). По отношению масс отливки и смеси 1/6 и содержанию глинистых частиц 11 % по номограмме находим требуемое освежение по бентониту — 0,45 % и песку -2%.

Приготовление смесей необходимо осуществлять в Катковых смесителях (бегунах), в которых сочетается смешивание и перетирание компонентов смеси при чередующемся уплотнении катками и рыхлении плужками. Качество смеси зависит от продолжительности перемешивания. Характер изменения прочности смеси на сжатие во влажном состоянии от времени перемешивания показан на рис. 5.41. Видно, что значения прочности, начиная с некоторой продолжительности перемешивания (5-10 мин), стабилизируются. Аналогично изменяются газопроницаемость и влажность смеси.

Готовность смеси можно проверить, проводя последовательный контроль ее прочности и влажности. Если после 5 мин дополнительного перемешивания прочность смеси увеличится не более чем на 10-15 %, а влажность — не более чем на 0,2-0,8 %, то длительность перемешивания достаточна для стабилизации ее свойств.

Влажность смеси существенно влияет не только на ее прочность и газопроницаемость, но и на формуемость, текучесть и уплотняемость, поэтому оптимизацию содержания влаги часто проводят для обеспечения требуемого уровня формуемости (70-80 % по ГОСТ 23409.15-78). В применяемых схемах автоматического управления качеством смесей регулирование содержания влаги осуществляется по заданному индексу формуемости, а содержание бентонита — по заданному уровню прочности на сжатие в сыром состоянии.

Определение составов смесей для современных способов изготовления форм осуществляется с учетом обеспечения необходимых технологических свойств при соответствующих способах уплотнения смесей.

Выбор составов смесей. Типовые составы смесей для формовки по-сырому. Выбор состава смеси для данного типа сплава определяется способом формовки, размерами и конфигурацией отливки, требованиями к отливке, условиями производства.

Для мелких отливок применяют мелкозернистые пески с минимальным содержанием органических добавок. Содержание бентонита в смесях (5-7 %) зависит от их необходимой прочности. Для мелких отливок прочность единой смеси на сжатие 50-80 кПа.

В смесях для средних и крупных отливок используют среднезернистые наполнители. Поверхностная прочность и стойкость к осыпанию повышаются добавками декстрина или ЛCT в количестве 0,5-1,5 %. Влажность смесей 3,5-4,5 %. Прочность облицовочных смесей должна быть не менее 90 кПа, а наполнительных — не ниже 70 кПа.

В смесях для цветного литья применяют мелкозернистые пески, очень часто с повышенным содержанием глинистой составляющей. В смеси для магниевого литья добавляют присадки для предотвращения возгорания сплава (фтористые присадки, сера и т. д.).

При выборе смесей на основе приведенных в табл. 5.20-5.24 типовых составов следует учитывать принятое технологическое оборудование для изготовления форм, метод уплотнения смеси, тип сплава, толщину стенки, массу отливки и характер производства.

Формовочная смесь для литья

Для изготовления отливок разнообразных деталей и их элементов на современных литейных предприятиях используются полупостоянные и разовые литейные формы. В соответствии с условиями технологии литейного процесса, для изготовления таких литейных форм используются специальные смеси для литья, представляющие собой сочетание высокоогнеупорных веществ (асбест, шамот) с песчано-глинистыми составляющими. Компоненты, входящие в составы для литья, могут быть как природного, так и искусственного происхождения (синтетические). В результате смешения составляющих формовочных смесей в определенных пропорциях, готовые составы могут обладать заранее заданными свойствами и иметь нужную податливость, огнеупорность, прочность, формуемость, газопроницаемость и так далее.

Виды смесей

Формовочные смеси для литья в зависимости от характера использования делятся на несколько основных категорий:

• Облицовочные смеси. Данный вид формовочных смесей предназначен для изготовления рабочего слоя литейной формы. Высокие физические и механические свойства таких смесей обеспечиваются повышенным процентом содержания исходных материалов для формовки (песка и глины);
• Наполнительные смеси для литья. Данные формовочные составы для литья используются для наполнения формы, после того, как на модель была нанесена облицовочная смесь. Для приготовления такой смеси исходные формовочные материалы (глина и песок) перерабатываются совместно с остатками оборотной смеси;
• Единая формовочная смесь для литья. Смесь такого типа представляет собой формовочный материал, объединяющий в себе свойства одновременно и наполнительной, и облицовочной смеси. Единые смеси используются на автоматических линиях в серийном и массовом изготовлении при машинной формовке. Долговечность таких смесей обеспечивается присутствием в составе глин с высокой связующей способностью и наиболее огнеупорных видов песков.

Состав формовочной смеси для литья

Химический состав, который может иметь формовочная смесь для литья, зависит от совокупности следующих факторов:

• От рода используемого сплава и размеров отливки;
• От способа формовки и вида литья (цветное литье, стальное или чугунное);
• От характера производства и имеющихся в распоряжении производства технологических средств.

Также состав, который имеет формовочная смесь для литья, может различаться в зависимости от того, в каком состоянии она должна находиться перед заливкой. Формовочные смеси для сухих форм содержат в своем составе повышенное количество воды и глины. Кроме того, в состав таких смесей могут дополнительно вводиться такие выгорающие добавки, как торф или опилки. В составе формовочных смесей для сырых форм снижается процентное содержание оборотной смеси. Формовочные составы для литья металлов в подсушенные формы отличаются одновременным наличием и оборотных компонентов, и свежих материалов (глины и песка), и крепителей.

Формовочные смеси для литья

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.

Состав различных смесей

Формовочные смеси делятся на три типа:

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.

Классификация формовочных смесей

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%).

Свойства формовочных смесей характеризует твердость. Она зависит от равномерности и степени уплотнения. Уплотнение формы сверх нормы провоцирует появление таких дефектов как:

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.

Литейные (формовочные и стержневые) смеси

Для изготовления литейных форм и стержней используют смеси. Основными компонентами являются пески и глины, причем смеси должны соответствовать особым условиям (обладать прочностью, огнеупорностью, газопроницаемостью, пластичностью, податливостью, легкой выбиваемостью) оптимальной теплопроводностью, минимальной гигроскопичностью, высокой долговечностью, Компоненты смеси должны быть дешевыми и обладать способностью к регенерации. В зависимости от свойств применяемого литейного сплава, размеров и сложности поковки выбирают формовочные смеси. Основа смеси – песок (SiO₂ – кварцит), связующие – глина, вода, пртивопригарные добавки (уголь, мазут), добавки, повышающие газовыделение (опилки).

Для изготовления разовых форм используют пески (кварцевые, кварцево-полевошпатные и глинистые), различные связующие (глину, жидкое стекло, органические и неорганические крепители), противопригарные (тальк, графит, каменный уголь), высокоогнеупорные (магнезит, шамот, асбест), некоторые специальные (чугунную дробь, каустическую соду) и вспомогательные (модельные пудры, разделительные жидкости, клей) формовочные материалы.

Из формовочных материалов смешиванием их в определенном соотношении и заданной последовательности получают формовочные и стержневые смеси.

Формовочные смеси делят на облицовочные, наполнительные и единые. Смеси содержат неорганические материалы: кварцевый песок, огнеупорную глину. Из органических материалов в них добавляют опилки, каменноугольную пыль, которые снижают пригар формовочной смеси к поверхности отливки.

Для форм мелких (до 100 кг) и средних (101—1000 кг) отливок наиболее часто используют единую смесь, которую полностью перерабатывают после каждого употребления.

Для форм крупных отливок от 1001 до 5000 кг применяют облицовочную и наполнительную смеси. Облицовочными называют такие смеси, которые непосредственно прилегают к поверхности отливки. Смесь приготовляют с применением свежих материалов, образующих в форме слой толщиной 20—50 мм. При заливке формы облицовочная смесь непосредственно соприкасается с расплавом и, следовательно, находится в более тяжелых условиях, чем наполнительная. Поэтому облицовочная смесь должна обладать высокой прочностью и огнеупорностью.

Наполнительной называют смесь, используемую для наполнения формы после нанесения на поверхность модели облицовочного слоя. В состав наполнительной смеси обычно входит от 90 до 98 % оборотной смеси и от 10 до 2 % свежих формовочных материалов.

Наполнительные смеси, поступающие после регенерации (переработки использованной формовочной смеси), применяют для изготовления остальной части формы. Наполнительные смеси должны обладать достаточной газопроницаемостью—способностью в уплотненном состоянии пропускать сквозь себя газы.

Формовочные и стержневые смеси используют для изготовления литейных форм. В качестве исходных формовочных материалов используют формовочный кварцевый песок различной зернистости, литейные формовочные глины и вспомогательные материалы (мазут, графит, тальк, древесную муку и др.). Формовочные смеси представляют собой многокомпонентное сочетание материалов, соответствующее условиям технологического процесса изготовления литейных форм. Их подразделяют на смеси для стальных, чугунных и цветных сплавов. Для изготовления отливок используют облицовочные, наполнительные и единые смеси.

Облицовочной называют смесь, из которой изготовляют рабочий слой формы. Рабочим называют слой, соприкасающийся с расплавленным металлом, и его наносят на литейную модель слоем толщиной от 15 до 30 мм.Такая смесь содержит от 50 до 90 % свежих формовочных материалов, а остальные 50—10% — оборотная смесь, подготовленная для повторного употребления в качестве составляющей части формовочной смеси.

Единой называют смесь, используемую одновременно в качестве облицовочной и наполнительной смесей. В состав этой смеси входит 85—90 % оборотной смеси и 15—10 % свежих формовочных материалов. Единую смесь используют при механизированном производстве отливок.

Стержневые смеси представляют собой многокомпонентное сочетание материалов, соответствующих условиям технологического процесса изготовления неметаллических литейных стержней.

Стержневые смеси для сложных стержней приготовляют из кварцевого песка с добавкой различных связующих материалов (олифы, сульфитно-спиртовой барды, синтетических смол и др.). Для простых крупных стержней используют кварцевый песок с добавкой глины. Чтобы стержень не пригорал к отливке, в смесь вводят уголь, графит, мазут, а для обеспечения податливости стержней — древесные опилки и торф.

Широко применяют жидкие самотвердеющие смеси, обладающие способностью течь после приготовления и самопроизвольно отвердевать и упрочняться по всему объему. Такие смеси в течение 8—12 мин после приготовления обладают подвижностью и через 30—50 мин после заполнения стержневого ящика затвердевают. Формовочные и стержневые смеси должны обладать достаточной прочностью, высокой газопроницаемостью, пластичностью, достаточной огнеупорностью и податливостью, пониженной газотворной способностью и другими свойствами.

При приготовлении формовочных и стержневых смесей сушат и просеивают кварцевые пески и формовочные глины, удаляют брызги металла и каркасы стержней из отработанной смеси, перемешивают составляющее в специальных смесителях с последующим вылеживанием в отстойниках для равномерного распределения влаги и последующего разрыхления.