Формовочные материалы (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

О. Н. Голотенков

ФОРМОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебное пособие

ПЕНЗА 2009

УДК 621.742

 Г61

Р е ц е н з е н т ы:

Кафедра «Машины и технология литейного производства»
Камского государственного политехнического института

Главный металлург

С. Н. Сверчков

 Н.

Г61 Формовочные материалы: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. – 164 с.: ил. 25, табл. 56, библиогр. 14 назв.

ISBN 5-94170-056-3

Приведены сведения об исходных материалах для формовочных, стержневых смесей, связующих и вспомогательных материалах. Даны составы и свойства смесей и противопригарных красок. Описаны методы испытания материалов и смесей, технология их приготовления и регенерации.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Машины и технология литейного производства» Пензенского государственного университета в соответствии с учебным планом дисциплины «Технология литейного производства» (раздел «Формовочные материалы») специальности 120300 «Машины и технология литейного производства» и предназначено для студентов вышеназванной специальности.

УДК 621.742

ISBN 5-94170-056-3  © Издательство Пензенского государственного университета, 2009

©  Н., 2009

Введение

Литье – один из самых древних видов обработки металлов. Человек познакомился с металлом в незапамятные времена. Более 5000 лет люди используют литье для изготовления металлических орудий, предметов быта, деталей машин и произведений искусства. Наука о литье появилась совсем недавно, ей всего около 100 лет. Но до этого литейщики создали огромное количество литых монументальных памятников, уникальных отливок, сложных орудий и деталей машин.

Сейчас наука о литье бурно развивается, она прочно стала на службу производства, обогатив искусство литья. Уже первое знакомство с процессами литья наводит на мысль об универсальности его применения и сравнительной простоте отливки разных предметов. На первой стадии развития литья основным металлом для получения отливок были медь и медные сплавы.

Литье является самым универсальным способом получения заготовок для деталей машин. Литьем можно получать отливки массой от нескольких граммов до 600 тонн и более. Методом литья получают отливки из черных сплавов (чугун и сталь), цветных сплавов на основе алюминия, меди, цинка, олова, также из тугоплавких металлов и сплавов на основе молибдена, вольфрама, ниобия, тантала, имеющих температуру плавления 2500–3410оС.

В машинах и промышленном оборудовании около 50% всех деталей (по массе) изготавливают литьем. Доля литых деталей в кузнечно-прессовом оборудовании составляет 70–95%, в металлорежущих станках – 80%, в текстильных машинах – 72%, в автомобилях и тракторах – 55%. На долю отливок приходится 20–25% себестоимости трудоемкости изготовления машин. В настоящее время известно более 100 различных способов литья. Наиболее широкое применение нашли такие способы производства отливок, как кокильное литье, литье по выплавляемым моделям, литье под давлением, центробежное литье, электрошлаковое литье, литье под регулируемым давлением и т. д. Однако основную массу отливок из черных металлов (чугун, сталь) получают в разовых песчано-глинистых формах. По прогнозам развития литейного производства песчано-глинистые формы сохранят свое доминирующее положение и в ХХI веке. Это наиболее универсальный и дешевый способ получения отливок.

Для получения качественных отливок в песчано-глинистых формах большое значение имеет материал, из которого изготовлена сама форма. Заданные свойства формовочных смесей и форм обеспечивают прежде всего выбором соответствующих формовочных материалов-наполнителей (песков), связующих материалов и различных добавок.

В последние годы основным направлением развития технологии изготовления литейных форм и стержней стали разработка и освоение смесей, затвердевающих без нагрева.

Их основное преимущество заключается в минимальной работе по уплотнению, отверждению при температуре окружающей среды, а также высокой прочности формы, в широкой возможности по управлению технологическими свойствами применительно к различной серийности производства, возможности повышения качества отливок.

1. Понятия о формовочных материалах
и их основные виды

Все материалы, применяемые для изготовления литейных форм и стержней, объединяются общим названием “формовочные материалы”. Среди формовочных материалов различают исходные формовочные материалы, формовочные смеси и вспомогательные формовочные составы и материалы.

Исходные формовочные материалы можно подразделить на две группы: основные (песок и глина) и вспомогательные (связующие для стержней, уголь, опилки, торф, графит и др.).

К вспомогательным формовочным составам относят формовочные краски, припылы, стержневой клей, замазки для исправления стержней и другие составы, необходимые для изготовления и отделки форм.

Чтобы обеспечить получение годной отливки, формовочные материалы должны обладать свойствами, отвечающими определенным требованиям: 1) технологии изготовления форм и стержней; 2) условиям взаимодействия формы с жидким металлом при заливке формы, затвердевании и охлаждении отливки; 3) технологии приготовления формовочной или стержневой смеси; 4) условиям выбивки форм и удаления стержней.

1.1. Свойства формовочных и стержневых смесей

Для того, чтобы получить отливку, свободную от дефектов, формовочные и стержневые смеси, из которых изготовляют форму и стержни, должны удовлетворять комплексу определенных свойств. Все свойства смесей можно разделить на группы: гидравлические, механические, технологические и теплофизические (рис. 1.1).

Гидравлические свойства смесей в основном определяют условия газообразования и удаления газообразных продуктов из полости формы при заливке сплавом. Механические свойства определяют прочностные характеристики литейной формы в период ее изготовления, а также при заливке ее сплавом и затвердевании отливки. Технологические свойства характеризуют условия получения качественных форм и стержней, а также условия изготовления отливок с наименьшей трудоемкостью и высоким качеством поверхности (без трещин и засоров); теплофизические свойства – условия протекания тепловых процессов при затвердевании отливки в форме. Рассмот­рим подробнее перечисленные выше свойства.

* Свойства смесей, определяемые при исследовательских работах

Рис.1.1. Классификация свойств формовочных и стержневых смесей

1.2. Гидравлические свойства

Влажность характеризует процентное содержание влаги в смесях. Величина влажности определяет значение многих других свойств смеси и оказывает прямое влияние на качество получаемых отливок, например, при повышенной влажности смесей в отливках могут возникать газовые раковины. В формовочных и стержневых смесях различают следующие виды влаги: химически связанную, поверхностно-связанную и свободную.

Химически связанная влага входит в состав минеральных компонентов смеси (песка и глины). При ее удалении в процессе высокотемпературного воздействия на смесь первоначальные свойства минеральных компонентов утрачиваются вследствие разрушения их кристаллической решетки. Например, при нагреве песчано-глинис­той смеси до температуры 300–700оС происходит необратимая дегидратация глины, сопровождаемая потерей ею связующих свойств.

Рис. 1.2. Виды влаги, удержи­ваемой на поверхности компо­нентов смеси:

1 – поверхностно-связанная; 2 – сво­бодная; 3 – капиллярно-связанная;
4 – адсорбированная; 5 – жесткая

Поверхностно-связанная влага (рис. 1.2) подразделяется на капил­лярно-связанную и адсорбированную. Адсорбированная влага удер­жи­вается на поверхности смеси электростатическими силами. Тол­щина слоя влаги может доходить до 0,5×10-6 м (0,5 мкм). Чем ближе адсорбированная влага расположена к поверхности частички смеси, тем больше она отличается по физическим свойствам от обычной влаги. Например, влага, находящаяся непосредственно на поверх­ности частички, толщиной в 3–4 молекулы воды, что составляет примерно (8¸12) 10-10 м (8–12 А), имеет точку кипения выше 100оС, температуру затвердевания – ниже 0, а плотность – больше 1. Такую влагу обычно называют “жесткой” или “нежидкой”. Более отдаленные поверхностные слои адсорбированной влаги по своим физическим свойствам приближаются к обычной капельно-жидкой воде.

Капиллярно-связанная влага удерживается на поверхности частичек смеси капиллярными силами. Свободная влага может быть удалена из смеси под воздействием силы тяжести. Эта влага характерна для сильно увлажненной смеси или регенерированного мокрым способом формовочного песка.

В соответствии с ГОСТ 29234.5–91 величину влажности смеси В (%) определяют по изменению массы в процессе сушки навески смеси при 105–110оС до постоянной массы и подсчитывают по формуле

где М и М1 – масса смеси до и после сушки, г.

Определяют содержание только поверхностно-связанной и свободной влаги в смеси, адсорбированная влага удаляется лишь частично, так как “жесткая” вода при этом не испаряется.

Пористость характеризуется отношением объема пустот (пор) к общему объему смеси и выражается в процентах. Величина пористости смеси в основном определяет степень развития процессов проникновения жидкого металла или его оксидов в глубь формы, т. е. вероятность возникновения пригара на поверхности смеси определяется главным образом степенью уплотнения смеси и содержанием в ней глины или других мелкозернистых добавок. Пористость уплотненных формовочных смесей находится в пределах 25–50%.