книги / Формовочные материалы

микрометра. Из асбеста изготовляют асбестовую бумагу, картон, шнур, ткань. Применяется асбест не только как формовочный, но очень широко как вспомогательный материал, поскольку обладает высокими теплоизоляционными свойствами. Постепенно в результате эксплуатации минерал теряет воду из своего химического состава и свои технологические свойства, применение обветшавшего материала небезопасно.

Каолин поучил свое название по названию местности в Китае, где впервые был найден. Состоит эта горная порода в основном из группы водных силикатов алюминия. Химический состав минерала

Al4[Si4O10](OH)8; содержит 39,5 % Al2O3; 46,5 % SiO2 и 14 % H2O.

Каолин в сыром виде используется для изготовления огнеупорных материалов. Однако чаще минерал подвергается обогащению, как правило, на обогатительных фабриках, находящихся вблизи его месторождений. Обогащенный каолин должен содержать не более 0,3–1,0 % окислов железа и титана (в зависимости от сорта), а также быть свободным от песка и других примесей, особенно растворимых в воде и слабых кислотах. Каолин является основой каолинитовых глин. Его связующая способность определяется строением минерала. Чешуйки, из которых он состоит, при соединении с водой набухают и образуют клейкую густую массу. Каолинит является основой силлиманита.

Монтмориллонит – глинистый минерал из подкласса слоистых силикатов с переменным химическим составом. Структура минерала отличается симметричным сложением пачек слоев с большим расстоянием между слоями. Минерал образует плотные глинистые массы. В зависимости от примесей цвет минерала может быть разным: от белого до розового и серо-синего оттенков, бурый, красный, зеленоватый. Твердость по минералогической шкале около 1, плотность примерно 1800 кг/м3. Монтмориллонит – типичный продукт выветривания алюмосиликатов в условиях щелочной среды.

При смачивании сильно набухает, поскольку вода проникает в промежутки между слоями структуры. Минерал является главной

21

составной частью бентонитов – высококлейких глин, обладает большой склеивающей способностью, но при сушке дает большую усадку.

1.2.4. Область применения различных исходных формовочных материалов

Кварцевые пески высокого качества чаще применяются для получения отливок из стали, изготовления мелких и средних чугунных отливок, кроме них используются пески с повышенным содержанием глины. Для уменьшении шероховатости поверхности отливок вместо кварцевых песков могут быть использованы высокоогнеупорные формовочные материалы: цирконовый песок, оливинит, хромистый железняк, магнезит.

Цирконовый песок обладает хорошей теплопроводностью и высокой плотностью, не дает пригара на поверхности отливок. Температура плавления цирконового песка более 2400° С. Однако цирконовый песок дороже кварцевого, и поэтому его применяют для приготовления стержневых и облицовочных смесей отливок ответственного назначения и в составе формовочных красок, которыми обрабатывают формы крупных размеров. Вследствие большей теплопроводности цирконовый песок способствует более быстрому охлаждению отливок по сравнению с кварцевым. Это позволяет регулировать процесс затвердевания и охлаждения отливок.

Оливинит представляет собой магнезиальный силикат Mg2SiO4. Огнеупорность оливинита 1750–1830 ° С. Оливинитовые пески по эффективности и экономичности занимают среднее положение между цирконовыми и кварцевыми. Наиболее эффективно применение оливинита при производстве отливок из марганцовистой стали для уменьшения шероховатости поверхности.

Хромистый железняк FeO·Cr2O3 (хромит) находит применение при изготовлении форм стальных отливок, в молотом виде его добавляют в состав облицовочных смесей. Температура

22

плавления минерала (1450–1850° С) понижается с увеличением количества FeO, а также других примесей. Хромистый железняк входит в состав облицовочных, формовочных и стержневых смесей и красок, используемых для крупных стальных отливок. Характерные свойства хромистого железняка – высокая огнеупорность, постоянство объема при нагревании, отсутствие химического сродства с окисью железа – что обеспечивают лучшее качество отливок.

Магнезит после обжига имеет температуру плавления 2800° С. В его состав кроме окиси магния MgO входят различные примеси: кварц, тальк, железо и другие; примеси снижают температуру плавления MgO. Магнезит MgO не вступает в реакции с окислами марганца, поэтому его применяют при литье высокомарганцовистых сталей 110Г13Л.

Шамот представляет собой предварительно обожженную до спекания огнеупорную глину, его огнеупорность 1670–1750° С, химическая формула Al2O3·SiO2 . Этот материал используют для изготовления сухих форм крупных стальных отливок.

1.3.Характеристики песков

1.3.1.Зерновой, минералогический и химический составы песка

Технологические свойства формовочных и стержневых смесей определяются свойствами формовочных песков, входящих в состав смесей. Наиболее широкое применение нашли кварцевые пески. Кроме основного минерала кварца эти пески могут содержать ряд вредных примесей: полевые шпаты, слюду, окислы железа, гидраты окислов железа, карбонаты, глинистые минералы. Примеси придают песку различную окраску и ухудшают его свойства, поскольку понижают температуру плавления песка.

В природных водоемах вместе с крупными песчинками оседают на дно и мелкие, поэтому пески содержат зерна различных размеров: от нескольких микрометров до нескольких миллиметров.

23

Условились зерна размером менее 20 микрометров независимо от их химического состава относить к глинистой составляющей, а зерна размером более 20 микрометров – к песчаной основе. Долгое время в нашей стране рубежным считался размер 22 микрометра. Содержание глинистой составляющей в формовочных песках определяют отмучиванием, то есть отмыванием, отделением песка от глины. В зависимости от содержания глинистой составляющей формовочные пески делят на кварцевые и глинистые.

Песок характеризуется тремя составами: зерновым, минералогическим и химическим. К зерновому составу относят крупность зерен, их форму и рассредоточенность. Крупность зерен меняется от 0,05 до 1,6 мм. Минералогический состав песка определяется основным минералом песка, это может быть кварц, корунд, циркон и другие, и примесями различных минералов. Совокупность химических составов отдельных минералов – химический состав песка.

1.3.2.Определение глинистой составляющей

изернового состава песка

Поскольку глина по химическому составу не отличается от песка, методом химического анализа определить количество глины в песке невозможно. Содержание глины в формовочных песках определяют методом отмучивания. Долгое время отмучивание осуществлялось следующим образом. Взвешивали 50 г исследуемого песка, высушивали его при температуре 100–110° С, а затем помещаливлитровуюстеклянную банку.

Затем в банку наливали 475 см3 воды и 25 см3 1%-ного раствора NaOH. Банку помещали на специальный прибор для взбалтывания. Взбалтывание продолжалось в течение 1 ч. После этого в банку добавляли воды до уровня 150 мм от дна банки. Десять минут содержимое банки отстаивалось. Крупные зерна оседали на дно, а мелкие частицы оставались во взвешенном состоянии. Мутную воду при помощи сифонной трубки сливали, добавляли свежую воду и снова взбалтывали. Эта операция повторялась до тех пор, пока вода в банке не становилась

24

прозрачной. Оставшийся на дне банки осадок песка отфильтровывали, просушивали при 100ºС до постоянного веса и взвешивали. Разность весов характеризовала содержание глины в песке. Например, если после отмучивания оставался осадок 45 г, содержание глины в песке равнялось 5 г или 10 %. В настоящее время отмучивание осуществляется на приборе, представленном на рис. 7.

Рис. 7. Прибор для отмучивания:

1 – электродвигатель; 2 – миксер; 3 – крышка; 4 – крыльчатка; 5 – стакан; 6 – штатив; 7 – столик; 8 – основание;

9 – реле времени; 10 – микропереключатель

Зерновой анализ проводят на песке после отмучивания, за 100 % принимают вес до отмучивания – 50 г. Навеска сухого безглинистого песка просеивается через стандартные калиброванные сита с точными размерами ячеек. Номер сита характеризуется размером ячейки в свету. Всего одиннадцать сит. Испытания производятся на ротапе, схема которого изображена на рис. 8.

25

Рис. 8. Прибор для выполнения зернового анализа песка: 1 – поддон; 2 – стопка сит; 3 – крышка

Просеивание продолжается в течение 15 мин. Под самым мелким ситом находится тазик, куда ссыпается остаток песка, прошедший сквозь все сита. Затем сита снимают с прибора, и песок, оставшийся на каждом сите, взвешивается. По результатам испытания строится диаграмма зернистости (рис. 9). Например, при просеивании на ситах получились следующие остатки, %:

Рис. 9. Диаграмма зернового состава песка

26

Размеры песков представлены в табл. 2.

1.3.3. Классификация и использование различных песков

Формировочные пески в зависимости от массовой доли глинистой составляющей подразделяют на кварцевые (К), тощие (Т) и жирные (Ж) (ГОСТ 2138–91). Тощие и жирные глинистые пески применяются для цветных сплавов и тонкого чугунного литья. Наибольшее использование нашли следующие кварцевые пески: крупный, средний, мелкий. Из них самый применяемый песок фракции 02. В характеристике песка указывают зерновой состав, минералогический состав, газопроницаемость, содержание глины, прочность на сжатие во влажном состоянии.

Примеры обозначения марок песков:

Т016А (ГОСТ 2138-74) – тощий песок, зерновой состав 016, категория А.

2K1O302 (ГОСТ 2138-91) – кварцевый формовочный песок с массовой долей глинистой составляющей от 0,2 до 0,5 %, массовой долей диоксида Si не менее 99,0 %, коэффициентом однородности от 60,0 до 70,0 % и средним размером зерна от 0,19 до 0,23 мм.

Ж2016 (ГОСТ 2138-91) – жирный формовочный песок с пределом прочности при сжатии во влажном состоянии от 0,05 до 0,08 МПа и средним размером зерна от 0,14 до 0,18 мм.

27

Вопросы для повторения

1.Дайте понятие о формовочных материалах.

2.Что такое формовочные и стержневые смеси?

3.Расскажите о формовочных материалах.

4.Что такое «отработанная смесь»?

5.Каковы требования к формовочным материалам?

6.Каковы характеристики кварца?

7.Каковы характеристики корунда?

8.Каковы характеристики циркона?

9.Что такое глинистая составляющая?

10.Что такое песчаная основа?

11.Что такое пластичность формовочных материалов?

12.Что такое прочность формовочных материалов?

13.Что такое прочность по-сырому?

14.Что такое прочность по-сухому?

15.Дайте понятия поверхностной прочности и осыпаемости.

16.Что за свойства «сыпучесть» и «комкуемость»?

17.Дайте определение огнеупорности.

18.Дайте определение газотворности.

19.Дайте определение газопроницаемости.

20.Что такое податливость?

21.Что такое однородность формовочных материалов?

22.Что такое прилипаемость формовочных материалов?

23.Что такое гигроскопичность формовочных материалов?

24.Что такое долговечность формовочных материалов?

25.Что такое выбиваемость формовочных материалов?

26.Что включает в себя понятие «кальцит»?

27.Что включает в себя понятие «магнезит»?

28.Охарактеризуйте полевые шпаты.

29.Охарактеризуйте асбест.

30.Охарактеризуйте каолин.

31.Охарактеризуйте монтмориллонит.

32.Каковы составы песка?

33.Как определяют глинистую составляющую?

34.Как определяют песчаную основу?

28

35.Опишите диаграмму зернового состава песка.

36.Какова основная фракция песка?

37.Что показывает категория песка?

38.Расскажите о классах песков.

39.Что указывается в марке песка?

40.Какие пески называют обогащенными?

1.4.Понятие о связующих материалах

1.4.1.Назначение связующих

Влитейном производстве применяют специальные вяжущие добавки, которые принято называть связующими.

Связующие делятся на органические и неорганические. В процессе приготовления смесей связующие обволакивают зёрна песка тонкой плёнкой, которая при высушивании прочно скрепляет (склеивает) зёрна песка между собой. При этом образуются межзерновые пустоты, которые обеспечивают хорошую газопроницаемость и податливость смеси (рис. 10). Различные связующие характеризуются удельной прочностью, которую они способны сообщать высушенным образцам «восьмёркам». Прочность, отнесённая к 1 % введённой в смесь связующей добавки, называется удельной проч-

ностью.

Рис. 10. Структура формовочной смеси:

1 – зерна песка; 2 – пленка связующего материала; 3 – пора; 4 – специальные добавки

29

Приведём примеры связующих, которые широко применяются в промышленности. Связующее П представляет собой раствор окислённого бакинского петролатума (остаток переработки нефти на бензин и керосин) в уайт-спирите. Уайт-спирит (английское словосочетание white spirit, от white – белый, бесцветный и spirit – спирт, бензин), бензин – растворитель, смесь жидких углеводородов, выкипающая в пределах 160–200º С, один из нефтяных растворителей. Для повышения прочности в связующее П добавляют тал-

ловое масло (связующее ПТ) или канифоль (связующее ПК). Свя-

зующее ГТФ представляет собой генераторную тяжёлую фракцию, образующуюся при нагреве эстонских сланцев в генераторных печах без доступа воздуха. Сульфитная барда – остаток от переработки сульфитного щёлока (отход бумажной промышленности) на спирт. Связующие СП и СБ получают при эмульгировании (растворении) сульфитной барды с окислённым петролатумом (СП) либо со сланцевой смолой (СБ). Связующее УКС является продуктом конденсации мочевины с формальдегидом и используется при получении стержней сложной конфигурации для отливок из алюминиевых и магниевых сплавов. Жидкое стекло – водный раствор силиката натрия, имеющий вид синевато-зеленоватой жидкости. Оно отличается от обычного стекла химическим составом, способностью растворяться в воде и быстро затвердевать при кратковременной сушке топочными газами или при обработке углекислым газом, а также при более длительной выдержке на воздухе.

Олифы – плёнкообразующие вещества на основе масел растительных или жирных алкидных смол (полимеры, получаемые взаимодействием многоатомных спиртов с многоосновными кислотами). Олифы – прозрачные жидкости от жёлтого до вишнёвого цвета, хорошо смачивающие дерево и металл. При нанесении тонким слоем на поверхность они высыхают в результате полимеризации масла под действием кислорода воздуха с образованием эластичных плёнок, не растворимых в воде и органических растворителях. Время полного высыхания плёнок при комнатной температуре и относительной влажности воздуха 60–70 % не превышает 24 часов. Канифоль – хрупкое стекловидное вещество от светло-жёлтого до тём- но-красного цвета; входит в состав смолистых веществ хвойных

30