Формовочные материалы (стр. 11 )

Рекомендации по применению глин представлены в табл. 4.6.

Таблица 4.6

Применение формовочных глин

Материал заливки	Характеристика отливки по преобладающей толщине стенки, мм	Метод формовки	Рекомендуемая марка глины
Чугун	10–15	Сырая	(П, С, М) (1–3)Т1
То же	Более 50	То же	(П, С) (1–3) (Т1–Т3)
Сталь	8–20	–>>–	(П, С, М) (1–3) Т1
То же	20–70	–>>–	(П, С) (1–3) (Т1–Т3)
–>>–	Более 70	–>>–	П (1–3) Т1
Сталь	8	Сухая	(П, С, М) (1–3)Т1
Чугун

5. Связующие материалы
для формовочных и стержневых смесей

Во многих случаях, особенно при изготовлении стержневых смесей, формовочная глина не обеспечивает получение надлежащей прочности стержней, поэтому в смеси вводят связующие добавки, обладающие более высоким значением удельной прочности. Такие добавки называют связующими материалами или крепителями. Существует большое количество связующих материалов, которые в большинстве случаев являются побочными продуктами или отходами при различных видах производства.

5.1. Основные требования, предъявляемые
к связующим материалам

Специальные связующие материалы (добавки) вводят в формовочные и стержневые смеси в количествах, обеспечивающих необходимые качества форм и стержней. К любому связующему материалу в зависимости от условий его применения предъявляются соответствующие требования. Связующие вещества должны обладать следующими свойствами:

-  равномерно распределяться по поверхности формовочных материалов в течение определенного времени, что обеспечивает постоянство свойств смеси;

-  предотвращать прилипаемость смеси к модели или стержневому ящику, так как прилипаемость затрудняет изготовление форм и стержней и снижает производительность труда;

-  придавать смеси текучесть, необходимую для выполнения всех контуров детали, что особенно важно, если эти контуры имеют сложную конфигурацию;

-  обеспечивать достаточную поверхностную и общую прочность как в сыром, так и в сухом состоянии;

-  обеспечивать быстрое высыхание форм и стержня при сушке и не обладать гигроскопичностью при хранении и сборке форм;

-  не выделять много газов при сушке и заливке, так как излишняя газотворная способность смеси способствует образованию газовых раковин в отливках;

-  обеспечивать податливость формы или стержня, которая необходима ввиду усадки металла при остывании;

-  не снижать огнеупорность формовочных и стержневых смесей и не увеличивать их пригораемость, что особенно важно при отливке стальных деталей;

-  обеспечивать легкое удаление стержней из отливок;

-  связующий материал должен быть дешев, недефицитен и безвреден для окружающих.

5.2. Физико-химические свойства
связующих материалов

Связующие материалы предназначены для соединения песчинок смеси между собой. На песчинки связующие наносятся в жидком виде и затем затвердевают при сушке, соединяя песчинки. В литейном производстве в качестве связующего применяют вещества жидкие при комнатной температуре, переходящие в жидкое состояние при растворении их в соответствующих растворителях (таких, как вода, ацетон и т. д.), расплавляющиеся и приобретающие свойства жидкости при нагреве (бакелит, формальдегид и т. д.). Таким образом, процесс связывания частиц формовочной смеси можно рассматривать как скрепление твердых тел жидким веществом при определенных условиях.

Прочность связывания зависит от сил когезии и сил адгезии.

Адгезия (прилипание) – слипание разнородных твердых или жидких тел (фаз) в результате межмолекулярного взаимодействия при соприкосновении их поверхностями. Адгезию широко используют в технике для склеивания, сварки, и пайки. В некоторых случаях адгезия вредна (например, прилипание стержня или формы к оснастке). Для устранения адгезии применяют разделительные покрытия.

Адгезия измеряется работой, затрачиваемой на разъединение частиц разнородных фаз на границе раздела.

Когезия (от латинского “связанный”) – сцепление, притяжение между частицами одного и того же твердого тела или жидкости, приводящее к объединению этих частиц в единое тело. Причиной когезии является межмолекулярное взаимодействие. Работа, затрачиваемая на преодоление сил сцепления между частицами внутри фазы, называется работой когезии.

Работа адгезии Аадг. определяется из соотношения (рис. 5.1)

Аадг. = s12 + s13 – s23, (5.1)

где s12 и s13 – поверхностное натяжение на границе “фаза–газ”; s23 – поверхностное натяжение между фазами (твердой и жидкой).

Приведенным уравнением удобно пользоваться в случае, если конденсированные фазы являются жидкостями. Если одна из конденсированных фаз является твердым телом, то формула (5.1) теряет практическое применение, так как поверхностное натяжение твердых тел в настоящее время не может быть непосредственно измерено.

Рис. 5.1. Схема адгезии двух разнородных тел (а)
и когезии двух однородных тел (б):

1 – газ; 2 – жидкость; 3 – твердое тело;
sij – поверхностное натяжение на границе двух фаз

Однако если конденсированная фаза является жидкостью, то формулу можно изменить и привести к виду, удобному для практического применения.

Поместим каплю жидкости на твердую подложку. Капля примет определенную форму, которая будет отличаться от шарообразной (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Зависимость формы капли жидкости от угла смачивания q:

а – q = 90°; б – q < 90°; в – q > 90°

Условие равновесия спокойно лежащей капли при отсутствии внешних полей

s 13 – s 23 = s12 cos q.

После подстановки этого условия в формулу (5.1) получаем

Аадг = s12 (1 + cos q), (5.2)

где q – краевой угол смачивания твердого тела жидкостью. Величина cos q называется смачиваемостью и находится экспериментально. Знак cos q определяется знаком разности s13 – s23. Если разность
положительна, то 0° £ q £ 90° и 1 > cos q > 0. Это соответствует
ус­ловию смачивания поверхности твердого тела жидкостью.
Если раз­ность отрицательна, то смачиваемости не наблюдается и
90° £ q £ 180°.

Величина адгезии зависит от строения молекул. Высокая адгезионная способность двух фаз будет тогда, когда в состав молекул входят родственные группы – полярные и неполярные. Высокую адгезию к воде имеют группы углеводородов СООН и ОН и низкую –группы с цепочкой СН2. По этой причине не рекомендуется приме­нять одновременно растворимые и не растворимые в воде связующие. Вода, обладающая большой адгезионной способностью к кварцу, вытесняет масла с поверхности песчинки, и они располагаются на поверхности воды в виде тонкой пленки или в виде мелких капель. Это понижает прочность смеси.

При затвердевании жидкой пленки происходит сокращение объема под действием развивающихся в пленках усадочных напряжений. Свободно высыхающие верхние слои, уменьшаясь, тянут за собой нижние слои, связанные с подкладкой. При этом пленка может разрываться в виде мелких трещин. Усадка нарушает связи пленки с подкладкой. Если пленка хрупкая, а связь между пленкой и подкладкой превышает прочность хрупкой пленки, то последняя растрескивается и затем осыпается. Хрупкие пленки образуют органические высыхающие связующие, а смеси на их основе имеют низкую поверхностную прочность и высокую осыпаемость.

При высыхании пленки молекулы органических веществ располагаются длинными цепями параллельно подкладке. Наиболее прочные пленки образуются, если в них возникают пространственные трехмерные сетки.

Связующие, которые вызывают образование прочной пленки, делятся на три группы:

1) затвердевающие после расплавления (канифоль, битум и т. д.);

2) твердеющие при испарении растворителя, например, глина, патока;

3) твердеющие в результате полимеризации полимера (льняное масло, олифа, смолы).

Связующие третьей группы обеспечивают наибольшую прочность. Они дают эластичную и прочную пленку, которая не трескается, не окисляется и не отслаивается от песчинок. К этой группе относятся все масла и смолы. Они являются жидкостями, и поэтому стержневые смеси на их основе обладают низкой прочностью во влажном состоянии.

Связующие второй группы дают прочность ниже, но отличаются повышенной вязкостью: в качестве растворителя главным образом используется вода. В сочетании с глиной они обеспечивают получение стержневых смесей заданной прочности во влажном состоянии.

Связующие первой группы (канифоль, битум) самостоятельно не используются, а входят в состав сложных связующих.

5.3. Классификация связующих материалов

Классификация связующих материалов (табл. 5.1) разработана профессором А. М. Ляссом (ЦНИИТМАШ).

Таблица 5.1

Классификация связующих материалов

Группа матери- алов	Удельная прочность σуд	Класс А	Класс Б	Класс В
кг/см2 1%	МПа 1%	Характер затвер- девания	Наимено­вание связующих материалов	Характер затвер- девания	Наимено- вание связующих материалов	Характер затвер- девания	Наимено- вание связующих материалов
I	>5	>5	Необратимый	А-1 Льняное масло, олифа, П, ПТ, ПТА, СПТ, КО, пульвербакелит ПС-1, 4ГУ (в)	Необратимый	Б-1 МФ-17, М, МСБ, СМ-1, НАК	Обратимый Необратимый	В-1 Жидкое стекло В-2 В-3 Цемент, гипс,
II	3-5	3-5	Промежуточ- ный	А-2 4ГУ (п), ГТФ, ЗИЛ, СЛК, БК, ДП	Промежуточ- ный	Б-2 СП, СБ, КТ, КВ, КВС
III	<3	<3	Обратимый	А-3 Древесный пек, БТК, канифоль	Обратимый	Декстрин, пектиновый клей Б-3 Патока, сульфитно-спиртовая барда
глины формовочные

В основе классификации связующих материалов, используемых в литейном производстве, лежат два основных признака: