книги / Формовочные материалы

деревьев и получается как остаток после отгонки из них летучей части. Плотность 1,070–1,085 г/см3, температура размягчения 52– 70ºС. Плохой проводник тепла и электричества. Канифоль хорошо растворима в эфире, спирте, не растворима в воде. Состоит из смоляных кислот (80–95 %), имеющих общую формулу С19Н29СООН, и из нейтральных неомыляемых веществ (5–12 %). Декстрины – аморфные вещества с более или менее выраженными восстанавливающими свойствами, образуют коллоидальные растворы. При быстром нагревании крахмала возможно его частичное разрушение с образованием декстринов, так называемая декстринизация крахмала, делающая его растворимым в воде. Пектиновые вещества, пектины (от греческого pektós – сплочённый, свернувшийся, замерзший) – высокомолекулярные полисахариды, присутствующие в растворимой или нерастворимой форме во всех наземных растениях и

вряде водорослей. Важное в практическом отношении свойство пектина – способность его растворов к образованию прочных гелей, или студней, что позволяет использовать его как естественный желирующий продукт. Патока – сахаристый продукт, получаемый осахариванием (гидролизом) крахмала разбавленными кислотами или ферментами с последующим фильтрованием и увариванием сиропа. Патока – смесь растворённых в воде глюкозы, олигосахаров и декстринов (содержание сухих веществ около 80 %). Чистая патока почти прозрачна и бесцветна. В технических целях используются те виды патоки, которые не могут быть использованы в пищевой промышленности из-за повышенного содержания примесей. Связующее ПК-104 представляет собой тонкоизмельчённую смесь новолачной фенолформальдегидной смолы марки 104 с уротропином

вколичестве 7,4–8 %. Новолачная смола марки 104 «К» представляет собой твёрдую крупную смолу и выпускается в виде чешуек.

Карбамидно-фурановые смолы КФ-90, КФ-40, КФ-35 являются продуктами конденсации мочевины с формальдегидом в две стадии, модифицированные фуриловым спиртом. Фурилового спирта в смоле КФ-90 содержится 60 %, что обеспечивает ей высокую термостойкость и позволяет применять её в качестве связующего при получении отливок из чугуна. Смолы КФ-40 и КФ-35 содержат около 30 % фурилового спирта и могут применяться только для полу-

31

чения отливок из алюминия. Карбамидные смолы хорошо растворяются в воде, к ним относятся такие связующие, как МФ-17, М, УКС.

1.4.2. Требования к связующим

Связующие вводят в формовочные и стержневые смеси для связывания песчинок и придания прочности в сыром или сухом состоянии формовочным и стержневым смесям. Связующие должны удовлетворять следующим требованиям:

1)равномерно распределяться по поверхности формовочных песков при приготовлении формовочных и стержневых смесей;

2)обеспечивать достаточную прочность в сыром и сухом состояниях;

3)придавать смеси пластичность для заполнения ею всех полостей форм;

4)не прилипать к модели и стержневому ящику во время изготовления стержней и форм;

5)способствовать быстрому высыханию стержня и формы и не поглощать влагу при сборке форм и хранении стержней на складе;

6)не выделять много газов при сушке и заливке металла в форму, обеспечивать податливость формы и стержня;

7)не снижать огнеупорность формовочной или стержневой смеси и не увеличивать пригар на отливках;

8)способствовать легкому удалению стержня из отливки;

9)быть безвредными для работающих и окружающих людей (то есть не разъедать руки и не выделять вредных газов);

10)бытьдешевыми;

11)быть недефицитными.

1.4.3.Основные свойства связующих

Косновным свойствам связующих относят: связующую способность, термостойкость, способность к химическому твердению в холодном и горячем состоянии. Необходимо отметить важный момент – в песчано-глинистых смесях роль связующего выполняет водно-глинистая суспензия. И для неё, и для остальных связующих характерны некоторые общие свойства. Связующие должны быть

32

жидкими на какой-то стадии технологии, либо потому, что растворены, либо в результате последующего нагревания. Будучи жидкими, они должны обязательно связывать зёрна песка. Впоследствии связующие должны затвердевать. Они должны обладать некоторой термостойкостью для выдержки кратковременного нагрева. Желательно, чтобы в дальнейшем они разупрочнялись. Разные связующие характеризуются удельной прочностью, то есть прочностью, приходящейся на 1 % введённого связующего. Таким образом, они могут сравниваться по этому показателю. Оказывается, для стержня необходима минимальная оптимальная прочность. Это такая прочность, при которой стержень сохраняет свои рабочие качества, но в то же время не является слишком твёрдым. В результате последнего возможны горячие трещины на отливке, а также плохая выбиваемость стержня. Связующие затвердевают либо за счёт высыхания, либо при переходе из жидкого состояния в твёрдое. В настоящее время широко применяются химически твердеющие связующие. Причём химическое твердение может происходить в холодном состоянии, как, например, сохнут синтетические смолы или в горячем состоянии, как, например, растительные масла.

1.4.4. Классификация связующих

Классификация связующих представлена в табл. 3. В основе классификации заложены два признака: природа материала (органические и неорганические, водорастворимые – водные и нерастворимые – неводные); характер затвердевания (необратимый, промежуточный, обратимый). Водные и неводные связующие не смешивают между собой, так как это почти всегда понижает прочность смеси как во влажном, так и в сухом состоянии, особенно если в качестве водного связующего используют формовочную глину.

Необратимо затвердевающие связующие при затвердевании претерпевают сложные химические превращения на основе полимеризации или поликонденсации вещества. Обратимо затвердевающие восстанавливают свои свойства после охлаждения (битумы,

33

пеки, канифоль) или при действии растворителя (декстрин, пектиновый клей).

Связующие, затвердевающие необратимо, придают наибольшую прочность сухим стержням, 490 кПа (более 5 кгc/см2) на 1 % введённого связующего; связующие с промежуточным характером затвердевания – среднюю прочность 294–490 кПана1 % (3–5 кгс/см2), обратимо затвердевающие – наименьшую прочность 294 кПа на 1 % (до 3 кгс/см2). В соответствии с этим связующие разделяют на три группы по удельной прочности на разрыв в сухом состоянии.

Органические связующие выделены в два класса: А – неводные; Б – водные; неорганические связующие занимают класс В и являются водными.

34

Следует отметить, что в приведённой табл. 3 группы А1 и Б1 – это химически твердеющие связующие; В1 – связующие, склонные к высыханию. Поскольку химическому твердению препятствует глина, связующие групп А1 и Б1 добавляются в безглинистые смеси, а следовательно, такие смеси имеют низкую прочность в сыром состоянии. Обратите внимание, что гидролизованный этилсиликат в таблице не присутствует.

1.5.Формовочные глины

1.5.1.Строение и свойства глин

Глина – это горная порода, состоящая из мелкодисперсных алюмосиликатов и обладающая при добавлении воды связующей способностью. Глина является связующим материалом в формовочных и стержневых смесях. Обволакивая зёрна песка, она связывает их друг с другом и, таким образом, придаёт смеси необходимую прочность и одновременно пластичность. Пластичность глины объясняется её строением: в отличие от песка глина состоит не из зёрен, а из мелких пластинок или чешуек. Глиной, как уже было отмечено, принято считать частицы размером не более 0,020 мм (20 мк). Связующие свойства глины увеличиваются с уменьшением её частиц – с увеличением её дисперсности. Наиболее ценными в глине являются частицы размером до 0,0001 мм, которые при смачивании водой переходят в желеобразное состояние (гель). Эти частицы составляют основу высококлейких бентонитовых глин. Коллоидальный раствор при потере растворителя переходит в студенистое состояние, а затем превращается в твёрдый гель, который содержит некоторое количество растворителя и окружает оболочку зерна. Даже небольшое количество глины с большим содержанием коллоидной составляющей придает смеси высокую прочность. Для формовочных и стержневых смесей это очень важно, так как обычная глина, присутствуя в смеси в нужном количестве для получения нужных пластичности и прочности, одновременно снижает газопроницаемость, податливость. Это обстоятельство заставляет сокращать количество глины в смесях до минимума и наряду с этим

35

использовать глины с максимальными связующими свойствами. Формовочная смесь должна иметь определённую структуру (см. рис. 10). Между зёрнами песка, покрытыми тонким слоем глины, должны оставаться зазоры для выхода газов.

Вкачественном отношении минералогический состав глины может быть различным. Мелкие частицы характерны для минералов каолинитового ряда, водных алюмосиликатов, имеющих общую

формулу mAl2O3·nSiO2·aH2O. Главным представителем этого ряда является каолинит Al2O3·2H2O·2SiO2. Кроме каолинита и кварца, глина может иметь в своем составе то или иное количество минера-

лов, содержащих CaO, Na2O, K2O. Эти примеси снижают термохимические свойства глины и сообщают ей различную окраску – жёлтую, зелёнуюидр.

ГОСТ 3226-65 (3226-77) предусматривал для первой группы глин ограниченное содержание таких примесей: (CaO+MgO) – не бо-

лее 2 %; (K2O+Na2O) – не более 1,5 %. Термостойкость глин колеблется в пределах 1770–1545 º С. Однако практически термостойкость бывает меньше из-за повышенного содержания примесей.

Сыпучая в сухом состоянии глина становится наиболее пластичной, если её смешать с определённым оптимальным количеством влаги. Процесс превращения глины из сыпучего состояния в пластичное обратим, если температура сушки не превышает 400 ºС.

Вэтом случае возможна активация глин. С повышением температуры глина теряет кристаллизационную влагу, и в ней происходят необратимые молекулярные изменения: глина превращается в шамот, не претерпевающий в воде никаких изменений. При температурах выше 1000 ºС из обезвоженного каолина образуется минерал мул-

лит 3Al2O3·2SiO2. При этом заметного изменения объёма минерала не происходит, так как уменьшение объема глины за счёт сплавления легкоплавких её составляющих частично компенсируется расширением образовавшегося кварца.

Вформовочных песках содержание глины колеблется в пределах от 2 до 50 %. При содержании глинистой составляющей более 50 % песок относится к разряду глин. В зависимости от содержания пес-

чаной основы (SiO2) глины могут быть тощими (высокое содержание SiO2) или жирными (низкое содержание SiO2).

36

Наиболее высокой прочностью, сочетающейся с хорошей пластичностью, обладают пески с естественной примесью глины. Однако такие пески можно применять только в отдельных случаях вследствие трудоёмкости получения в них стандартных свойств.

В литейном производстве кроме каолинитовых глин применяют бентониты, отличающиеся большим содержанием коллоидной составляющей. Бентониты в основном состоят из монтмориллонита Al2O3·4SiO2·H2O·nH2O. Наряду с положительными свойствами бентонит имеет и существенные недостатки: пониженную огнеупорность и низкую температуру, при которой бентонит теряет кристаллизационную воду 120–200º С. Эти недостатки бентонита уменьшают область применения его в литейном производстве. Характеристика глин, получивших наиболее широкое распространение в литейном производстве, приведена в табл. 4.

37

1.5.2.Определение связующей способности, дисперсности

иколлоидальности глин

Дисперсность (крупность) глинистых частиц определяют отмучиванием. При этом определяется количество частиц размером 22–5, 5–1 мкм, а также количество частиц размером менее 1 мкм. Метод отмучивания заключается в том, что отстаивание длится часами и десятками часов. И лишь самые мелкие частицы глины остаются во взвешенном состоянии, а более крупные оседают на дно. Частицы размером менее 0,1 мкм называются коллоидальными, они способны образовывать коллоидальный раствор и составляют основу высококлейких глин, бентонитовых глин.

Для проверки коллоидальности бентонитовой глины берут её навеску в виде порошка 1 г, доливают 15 мл дистиллированной воды, досыпают 0,1 г окиси магния и оставляют отстаиваться на 24 ч. Затем в пробирке определяют высоту столбика образовавшегося коллоидального раствора, определяют высоту осадка в процентах ко всей высоте содержимого пробирки. Эта процентная величина и будет являться бентонитовой составляющей глины (90 %, например).

Для определения связующей способности глины применяют следующий способ. Берут песок К02 и 10 % порошкообразной испытуемой глины. Вся навеска в сумме составляет 100 %. Добавляют воды (сверх 100 %) 3 % от веса навески. Из этой смеси изготавливают стандартные цилиндрические образцы и испытывают их на сжатие во влажном состоянии. Прочность этих образцов и будет характеристикой связующей способности глины. Аналогично определяют связующую способность глины в сухом состоянии. Навеску готовят следующим образом: 95 % песка К02, количество вводимой глины 5 %, воды 6 % сверх 100 % навески. Отформованные образцы подвергают перед испытанием сушке.

1.5.3. Классификация и обозначение марок глин по ГОСТу

Как уже отмечалось, литейными формовочными глинами называют горные породы, состоящие из тонкодисперсных частиц водных алюмосиликатов. Они обладают связующей способностью и

38

термохимической устойчивостью, что позволяет использовать их в качестве связующего для приготовления прочных и не пригорающих к отливке формовочных смесей. ГОСТ 3226–93, заменивший ГОСТ 3226–77, классифицирует глины следующим образом. В зависимости от минералогического состава формовочные глины разделяют на четыре вида: монтмориллонитовые (бентонитовые) – М, каолинитовые – К; гидрослюдистые – Г; полиминеральные – П. Чаще применяют каолинитовые и бентонитовые глины, так как они обладают большей термохимической устойчивостью.

В параграфе 1.2 мы уже давали характеристику каолинита. Его химическую формулу можно записать ещё и так: Al4[Si4O10](OH)8. Этот водный алюмосиликат имеет температуру плавления 1750–1787º С. Каолинит является основной частью каолинитовых глин. Монтмориллонит (бентонит) Al2O3·4SiO2·H2O·nH2O имеет непостоянный химический состав, так как в его кристаллической решётке некоторая часть Al3+ может быть замещена Mg2+, а Si4+ – Al 3+. Кристаллическая решётка бентонита способна расширяться в направлении одной из своих осей. Благодаря этому бентонит способен в большей мере, чем каолинит, поглощать воду – набухать. Это улучшает его связующую способность. Температура плавления бентонита 1230–

1300ºС.

В зависимости от связующих свойств, определяемых пределом прочности на сжатие технологической пробы, формовочные глины делят на сорта и классы (табл. 5).

Таблица 5 Классификация формовочных глин по прочности

По связующим свойствам, пределу прочности на сжатие во влажном состоянии формовочные глины делят на три сорта: I – прочносвязующая (прочность стандартных образцов > 1,1 кгс/см2); II – среднесвязующая (0,8–1,1 кгс/см2); III – малосвязующая (0,5–0,8 кгс/см2).

По пределу прочности на сжатие в высушенном состоянии глины разделяют на три класса: 1 – прочносвязующая (> 5,5 кгс/см2); 2 – среднесвязующая (3,5–5,5 кгс/см2); 3 – малосвязующая

(< 3,5 кгс/см2).

По содержанию сульфидной серы и примесей, которые определяют термохимическую устойчивость (огнеупорность), глины делят на три группы (табл. 6).

Таблица 6

Классификация глин на группы по содержанию примесей, %

Кроме этого, формовочные глины разделяют на три группы по сумме обменных оснований и классифицируют по пластичности.

Марка глины включает цифровые и буквенные обозначения: на первом месте ставят вид глины, затем сорт глины по прочности при сжатии во влажном состоянии, затем класс глины по прочности при сжатии в высушенном состоянии и группу термохимической устойчивости. Например, KIII/2 Т2 – каолинитовая глина III сорта 2-го класса 2-й группы. Это малосвязующая во влажном состоянии, среднесвязующая в высушенном состоянии со средней термохимической устойчивостью глина.

Испытания глин и определение их химического состава производят по ГОСТам. Кроме того, у глин определяется пластичность,

40