Формовочные смеси для литья

Область применения

В промышленности, так исторически сложилось, что литье по выплавляемым моделям применяют в машиностроении, в частности, по этой технологии выполняют отливки корпусных деталей для продукции электротехнической промышленности, деталей судов, автомобилей.

Литье по выплавляемым моделям в машиностроение

Надо отметить, что такое широкое применение литья по такой технологии стали применять в промышленных масштабах относительно недавно. Это было связано с тем, что существовали определенные проблемы при получении формы. Их стало возможным решить после появления такого химиката, как этилсиликат. Его использование позволило допиться необходимых показателей по термической стойкости и вязкости материала.

Объемы производства

Для того чтобы заниматься производством таких форм и деталей, необходимо озаботиться установкой модели-кокиля. Время, требуемое на установку — менее недели. После завершения монтажа количество выпускаемой продукции может достигать от 5 до 50 штук в час. Такие объемы производства за час вполне реальны, однако для этого необходимо соответствующим образом подготовить проведение литейного процесса. Основные материалы, которые потребуются для литья — это чугун, алюминий, медь, а также сплавы данных видов металлов. Еще одним необходимым материалом станет сплав, в котором используют алюминий и магний.

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:

1. единые;
2. облицовочные;
3. 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.

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.

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.

§ 1. Формовочные пески и глины

Формовочные пески –
это осадочные горные породы, образовавшиеся в результате отложения
минералов и выветривания осадков. Пески обычно носят название
карьера, в котором их добывают, например, Люберецком, Гусаровском,
Кичигинском и др. Добывают пески открытым способом. Если пески
содержат примеси или имеют неоднородный зерновой состав, то в
карьерах их обогащают, освобождая от посторонних примесей, а также
разделяют на фракции по размерам зерен.

Основной составной частью
таких песков являются зерна минерала кварца (SiO₂);
температура плавления его 1713°С. Кроме зерен кварца песок
содержит частицы полевых шпатов, слюды, окислов железа, глинистых и
других минералов.

В зависимости от
содержания глинистой составляющей пески делят на кварцевые и
глинистые.

Кварцевыми называют пески, содержащие глинистых
составляющих не более 2%. Пески, содержащие более 2% глинистых
составляющих, называют глинистыми (табл. 1).

1. Классификация и состав
(%) формовочных песков

Зерновой состав
формовочных песков (табл. 2) определяют по навеске 50 г сухого песка,
от которого отделена глинистая составляющая. Навеску сухого песка
просеивают через набор калиброванных сит с точными размерами ячеек.
Песок, оставшийся в наибольшем количестве на трех смежных ситах,
называют основной зерновой фракцией.

2. Классификация песков
на группы по величине зерен основной фракции

При выборе песков следует
учитывать характер изготовляемых отливок. Для крупных отливок
применяют более крупный песок, который придает смеси повышенную
огнеупорность и газопроницаемость. Для мелких отливок используют
мелкозернистый песок, обеспечивающий получение более чистой
поверхности.

Пески делят на две
категории А и Б. К категории А относят пески с большим остатком
основной фракции песка на крайнем верхнем сите из трех смежных, к
категории Б – пески с большим остатком на крайнем нижнем сите.

При маркировке песка на
первом месте ставят обозначения класса, на втором – группы, на
третьем – категории. Например, кварцевый песок средней
зернистости обозначается 1К02А, 2К02А или 1К02Б, 2К02Б; тощие пески
обозначают Т0315А, полужирные и очень жирные пески П025, ОЖ01.

Для улучшения качества
поверхности отливки применяют в некоторых случаях формовочные
материалы с более повышенной, чем у кварцевых песков, огнеупорностью
и высокой химической стойкостью.

К ним относят:

оливины, имеющие формулу
химического соединения (Mg, Fe)₂[SiO₄].
Температура плавления оливиновых песков около 1800°С. Их
применяют как составную часть облицовочной смеси для форм крупных
стальных и чугунных отливок;

хромистый
железняк-минерал, имеющий химический состав, соответствующий
формуле Fe Cr₂O₄. Температура его плавления
зависит от количества примесей в основном веществе, но выше
температуры плавления кварца. Хромистый железняк в виде зерен
размером 1 – 1,5 мм применяют в облицовочных смесях для форм
крупных стальных отливок;

циркон ZrSiO₄,
имеющий высокую температуру плавления (2450°С) и большую, чем у
кварца, теплопроводность. Измельченный циркон применяют для
приготовления формовочных и стержневых смесей, красок и паст;

шамот (mAl₂O₃*nSiO₂),
представляющий собой огнеупорную глину, обожженную до потери
пластичности. Шамот используют в смесях для изготовления сухих
литейных форм средних и крупных стальных отливок.

Свойства формовочных смесей

Формовочную смесь характеризуют основные свойства:

• Прочность определяет способность формы сохранять свою конфигурацию
• Пластичность — важна для способности формы повторять подробности контура и деталей поверхности модели.
• Газопроницаемость. Крупнозернистые составы легче пропускают газы.
• Огнеупорность. Материал не должен плавиться или спекаться, ухудшая однородность поверхности отливки
• Податливость
• Гомогенность. Однородность смеси гарантирует постоянство ее свойств в пространстве.
• Теплопроводность. Качественный материал имеет низкую теплопроводность. Это не дает примыкающему к форме слою отливки слишком быстро остывать, ухудшая свои свойства
• Долговечность особенно важна для многоразовых форм. Для одноразовых форм долговечность означает число циклов повторного использования земли после измельчения и просеивания.

Свойства формовочных смесей

Для смесей разных назначений на первый план выходят разные свойства. Так, для облицовочных важны пластичность, огнеупорность и теплопроводность, а для наполнительных важнее прочность и газопроницаемость.

Изготовление моделей и модельные составы

Для того, чтобы изготовить модели применяют так называемые модельные составы. Их основу составляют смеси выполняемые на основе воска. Кроме этого, в состав добавляют полимеры, они улучшают механические свойства смесей. На некоторых производствах применяют мягкие составы. Они могут быть насыщены воздухом, для их упрочнения применяют полиэтилен или битум.

Модельные составы должны в полной мере отвечать следующим требованиям:

1. Они должны обладать малой усадкой и не должны сильно расширяться под воздействием высоких температур.
2. Постоянством твердости и прочностных характеристик.
3. Определенной эластичностью.
4. Возможность предельно точно повторять полость пресс-формы.
5. Модельная смесь не должна прилипать к рабочим поверхностям формы и не должна оказывать коррозионного воздействия на них.
6. Стойкостью к определенным химическим и физическим воздействиям.
7. Смесь должна обладать хорошей стойкостью к окислению при разных температурах.

Изготовление оболочковой формы для литья

Для того чтобы изготовить форму для последующего литья, необходимо иметь мелкозернистый кварцевый песок, который идет с добавкой термореактивной смолы, являющейся его связующим элементом для получения полноценной оболочковой формы. Данные материалы, в частности, смола выбирается из-за того, что при прохождении определенного температурного барьера она затвердевает. Процесс изготовления идет следующим образом. Сначала смолу подвергают нагреву до 140-160 градусов по Цельсию. Под воздействием такой окружающей среды она превращается в жидкую клейкую массу, которая полностью обволакивает форму из кварцевого песка.

Область применения литья в оболочковых формах довольно широка, а потому сам процесс изготовления форм доводится до автоматического или же автоматизированного.

После того как форма будет полностью покрыта смолой, температуру увеличивают до 200-250 градусов по Цельсию. Этого температурного порога вполне хватает для того, чтобы клейкая масса необратимо затвердела и образовала форму. Далее, когда начинается процесс отливки деталей, то есть когда расплавленный металл попадает в форму, температура в ней достигает около 600 градусов. Данного режима хватает для того, чтобы смола не расплавилась, а сгорела, оставив при этом на самой форме поры, облегчающие отход газов.

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:

1. единые;
2. облицовочные;
3. 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.

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.

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.