Формовочные материалы (стр. 3 )

где М0 и М1 – масса образца до и после испытания, г.

Податливость – это способность формы или стержня деформироваться под воздействием усадки отливок. Степень податливости смеси зависит от природы огнеупорной основы, от количества и природы связующего материала, а также от степени уплотнения смеси. Например, сильно уплотненные смеси с большим количеством глины малоподатливы. Для улучшения податливости в состав вводят древесные опилки и другие добавки.

Огнеупорность характеризует способность смеси не оплавляться под действием высоких температур. При недостаточной огнеупорности смеси происходит оплавление и спекание отдельных ее компонентов с образованием крупных пор, приводящих к формированию повышенного пригара на отливках. Значение огнеупорности смеси зависит от минералогического, гранулометрического и химического состава формовочного песка и глины. В соответствии с ГОСТ 4069–69 для оценки огнеупорности из смеси изготавливают образцы в виде трехгранных пирамидок. Величину огнеупорности смеси определяют по температуре, при которой вершина образца в процессе размягчения и оплавления смеси коснется уровня его основания.

Пригораемость – это способность поверхностного слоя формы или стержня противостоять прочному сцеплению с металлом отливки. Степень пригораемости смеси зависит от многих факторов, в том числе от пористости смеси, химической инертности ее огнеупорной основы. Уменьшения пригораемости смеси достигают введением в ее состав противопригарных и высокоогнеупорных материалов (каменный уголь, мазут, маршалит и др.), применением специальных защитных покрытий, наносимых на поверхность форм и стержней.

Выбиваемость характеризуется способностью стержней удаляться из внутренних полостей при выбивке и очистке отливок. Значение выбиваемости зависит главным образом от природы и количества связующего материала в смеси, от интенсивности температурного и силового воздействия металла отливок на стержень. Смеси с неорганическими связующими материалами, например, с жидким стеклом, имеют затрудненную выбиваемость вследствие их прочного спекания в период затвердевания отливки в форме. Хорошую выбиваемость имеют смеси с органическими, легковыгорающими и некоксующимися связующими материалами. Оценку выбиваемости смеси производят по величине работы, затрачиваемой на пробивку специальным бойком стержня, залитого сплавом. Работу выбивки определяют по формуле

А = n · G · h,

где n – число ударов, необходимое для пробивки стержня;

G – масса падающего груза, кг;

h – высота падения груза, м.

Долговечность характеризует способность смеси, после соответствующей подготовки, повторно использоваться для изготовления форм без введения добавок свежих формовочных материалов. Долговечность смеси зависит от интенсивности температурного воздействия жидкого сплава, от природы огнеупорной основы и связующего материала смеси. Наибольшей долговечностью обладают песчано-глинистые смеси. Оценку долговечности смеси производят по числу циклов ее использования, обеспечивающему сохранение смесью физико-химических свойств и получение качественных отливок.

1.5. Теплофизические свойства

К теплофизическим свойствам относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводимость и теплоаккумулирующая спо­собность. Эти характеристики определяют тепловой режим охлаждения отливки в форме. Значения их зависят главным образом от природы огнеупорной основы смесей, а также и от состояния формы (влажная, сухая). Наиболее высокими теплофизическими свойствами обладают цирконовые, дистен-силлиманитовые, хромитовые формовочные пески. Теплофизические характеристики кварцевых песков значительно ниже.

Различные теплофизические свойства смесей позволяют регулировать процессы затвердевания отдельных частей отливок. Значение теплоемкости и теплопроводности смесей определяется в специальных теплофизических лабораториях, а температуропроводность и теплоаккумулирующая способность – расчетным путем.

Теплопроводность вещества l определяется как количество тепло­ты Q, которое подводится за время t через поверхность площадью F, расположенную перпендикулярно к тепловому потоку, отнесенное к температурному градиенту Dt/d (Dt – разность температур; d – толщина образца):

Теплопроводность большинства формовочных смесей с повышением температуры увеличивается, а у смесей с магнезитом и корундом, в качестве наполнителя, уменьшается. Получение заданной теплопроводности в песчаных формах затруднительно, так как она зависит не только от теплопроводности наполнителя, но и от влажности воздуха и газов, находящихся в межзерновых порах.

В сухом песке предположительно теплопередача происходит от зерна к зерну за счет прямых контактов, частично – излучением. Теплопроводность при повышении температуры на 1000оС (с 95 до 1095оС) изменяется почти на 100% – с 2,63×10-6 до 4,75×10-6 Вт/(м×К).

Процесс распространения теплоты во влажном песке, однако, более сложен, чем в сухом. Теплопередача происходит как за счет теплопроводности зерен наполнителя, так и воды (водяного пара), адсорбированной зернами песка и находящейся в порах между песчинками.

При нагреве влажной формовочной смеси залитым металлом в глубь формы проникает водяной пар (в результате изменения давления), нагретый в порах воздух, а также продукты сгорания органических составляющих. В холодных слоях формы, удаленных от отливки, происходит конденсация влаги. В результате переноса теплоты водяным паром и улучшения условий теплопередачи между контактирующими зернами песка из-за накопления влаги в местах их контакта общая теплопроводность смеси с повышением влажности также повышается.

На теплопроводность песчано-глинистых форм влияют степень уплотнения формовочной смеси и содержание связующего. Например, теплопроводность повышается при увеличении степени уплотнения и количества бентонина в смеси.

Удельная теплоемкость формовочной смеси зависит не только от ее вида, но и от температуры. С повышением температуры она также увеличивается. Значительное влияние на удельную теплоемкость формовочной смеси оказывает содержание в ней влаги. Для более полного представления о теплофизических свойствах форм определяют температуропроводность а (в м2×с-1), характеризующую, насколько интенсивно в форме выравниваются температурные перепады:

а = l/(с · r),

где с – удельная теплоемкость смеси, Дж/(кг×К);

r – плотность смеси, кг/м3.

Температуропроводность в интервале температур 500–1000оС кварцевого песка составляет 0,00145 м2×с-1, шамота – 0,00178 м2×с-1.

При расчете теплопередачи от отливки к форме применяется также величина, называемая коэффициентом тепловой аккумуляции

.

Чем выше теплоаккумуляторная способность формы, тем быстрее охлаждается отливка и меньше опасность образования пригара на поверхности отливки.

2. Структура формовочных,
стержневых смесей и красок

Структура – это в общем случае взаимное расположение и характер связей между элементами, образующими целостную систему.

Литейная форма – пористая среда с широкой сетью разветвленных поровых каналов. Любая формовочная смесь, образующая литейную форму, состоит из двух основных составляющих: зерновой и связующей, а также из атмосферы, заполняющей поры смеси. Зерновая составляющая – это в большинстве случаев кварцевый песок, а в качестве связующей наиболее часто применяют огнеупорную глину или бентонит, а также смеси различных органических и неорганических клеящих веществ. Кроме того, в смеси для улучшения их свойств вводят специальные добавки.

Кварцевый песок, применяемый в литейном производстве, состоит из зерен неправильной формы и различных размеров, поэтому структура уплотненной формовочной смеси аналогична структуре естественных грунтов, также состоящих из частиц разнообразной формы и различных размеров. Следовательно, закономерности, полученные при исследовании грунтов, могут быть использованы при изучении структуры и свойств уплотненной формовочной смеси. Известно понятие об идеальной и фиктивной моделях грунта.

За идеальную модель смеси принимается такая структура, где все поры цилиндрические и их оси параллельны между собой (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структура идеальной формовочной смеси

Такая модель далека от реальной формы, но дает возможность в первом приближении оценить структуру уплотненной формовочной смеси. К ней можно применить закон Пуазейля для течения жидкости в капиллярах.

Фиктивная модель смеси представляет собой набор шарообразных частиц равного диаметра (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Структура фиктивной формовочной смеси

Эта модель ближе к реальной литейной форме. Для уяснения структуры смеси можно заменить ее моделью, состоящей из жестких сфер одинакового размера, скрепленных между собой точечными контактами через пленку связующей добавки. Расстояние между центрами любой пары соприкасающихся сфер равно их удвоенному радиусу.

Рис. 2.3. Микроструктура идеальной формовочной смеси
при различных степенях уплотнения:
а – рыхлая смесь; б – кубическая упаковка; в – гексагональная упаковка

В неуплотненном состоянии сферы образуют рыхлую систему, в которой пористость составляет 70% (и более); в этом случае общая плотность при плотности кварцевых зерен 2,6 г/см3, будет около 1 г/см3, смежные сферы могут создавать многочисленные “арки” (рис. 2.3,а). При элементарном уплотнении сферы образуют кубическую систе­му. Ромбоэдр, построенный в плоскости, пересекающей центры соприкасающихся сфер, в этом случае является квадратом с углом 90о (рис. 2.3,б). При гексагональной упаковке ромбоэдр имеет острые углы 60о (рис. 2.3,в). Пористость уплотнений системы m зависит от угла ромбоэдра θ следующим образом: