Назначение и свойства формовочных и стержневых смесей в литейном производстве

Формы и стержни изготавливаются из специальных смесей, называемых

соответственно формовочными и стержневыми. Основой этих смесей служат

кварцевые пески. Кроме того, в них входит глина и специальные добавки

(например, углесодержащие добавки для формовочных смесей, связующие

материалы для стержней и др.). Песок в формовочных смесях повышает

газопроницаемость, а глина обеспечивает связь между частицами песка

(повышает прочность) и увеличивает термохимическую устойчивость.

Специальные добавки вводятся для повышения противопригарности или для

предотвращения прилипания смесей. В качестве противопригарных добавок

применяются молотый каменный уголь, мазут, битум (угольный порошок при

соприкосновении с расплавленным металлом подвергается сухой перегонке,

образующиеся при этом газы предохраняют материал формы от перегрева и

оплавления).В состав формовочных смесей, как и стержневых, кроме исходных свежих материалов, вводится бывшая в употреблении горелая (оборотная) формовочная смесь.(ТАБЛИЦА)

Соотношение компонентов в смесях должно соответствовать характеру и

типу отливок и способу формовки.

Формовочный песок состоит из зерен кварца различной величины, глины и

небольшого количества различных окислов. В зависимости от состава

формовочные пески по ГОСТ 2138 – 56 подразделяются на несколько классов.

Для повышения прочности и увеличения пластичности формовочных

смесей в их состав вводится глина. Формовочные глины представляют собой

горные породы, состоящие в основном из тонкодисперсных частиц водных

алюмосиликатов, обладающих связующей способностью во влажном или сухом

состоянии и достаточной термохимической устойчивостью. Глины, применяемые для изготовления формовочных материалов, в зависимости от минералогического состава и определяемого им характера набухания в воде подразделяются на два вида.

1. Формовочная обыкновенная глина (Ф) при увлажнении присоединяет

воду по наружным поверхностям кристаллов породообразующего минерала, т. е. не имеет внутрикристаллического набухания. Глина содержит каолиниты,

гидрослюдистые минералы или является полиминеральной.

2. Формовочная бентонитовая глина (Б) при увлажнении присоединяет воду

как по наружным, так и по внутренним поверхностям кристаллов

породообразующего минерала, т. е. имеет внутрикристаллическое набухание. Эта особенность бентонита позволяет заменять им в смесях обыкновенную глину по соотношению: 1% бентонита заменяет 2 – 3% обыкновенной формовочной глины.

При сушке бентонит теряет свои связующие свойства, поэтому его применяют

только для сырой формовки.

Свойства формовочных материалов и смесей. Для получения

доброкачественных отливок формовочные и стержневые смеси должны обладать рядом специфических свойств. ГОСТ 2189—52 устанавливает следующие обязательные испытания для песков и формовочных смесей.

Определение влажности выполняется сушкой пробы в алюминиевом

стакане, имеющем вместо дна мелкую сетку, струей воздуха, нагреваемого до

205° термоэлементом, расположенным и корпусе прибора. Влажность х в

процентах равна,где q и q1 – вес навески песка или смеси соответственно до и после сушки.Определение зернового состава производится на приборе, имеющем 11 сит. Сита расположены друг над другом и заключены в рамку, которой от мотора через эксцентриковый механизм сообщается колебательное движение в горизонтальной плоскости. Одновременно приводная колотушка наносит удары по всей системе вращающихся сит.Исходная навеска (обычно 50 г) испытуемого песка засыпается в верхнее

сито, и прибор приводится в действие. При сотрясении песок проходит через

ячейки, размеры которых уменьшаются сверху вниз. Основной фракцией

считается наибольшая сумма остатков на трех смежных ситах. Величина зерна

характеризуется номером сита, на котором остается данное зерно после

прохождения его сквозь предшествующее сито.

Определение газопроницаемости производится пропусканием воздуха через

стандартный образец испытуемого материала. Образец устанавливается в полой

гильзе, закрытой сверху пробкой с отверстиями для водяного манометра и

трубки. Перед испытанием плавающий в воде колокол поднимают, и под него

через трехходовой кран, трубки и отверстие втягивается воздух (положение

пробки крана). Затем пробка крана ставится в положение, и колокол,

нагруженный грузом, начинает выдавливать воздух через образец. Манометр

регистрирует давление воздуха. Газопроницаемость К определяется по формуле

где V – количество воздуха, прошедшее через образец (определяется

объемом колокола и равно 2000 см3

); l – высота образца (5 см); F – площадь поперечного сечения образца (19,125 см2); h – давление водяного столба по

манометру, см; t – время протекания воздуха через образец, мин.

Для стандартных размеров прибора газопроницаемость определяется по

формулеОпределение прочности на сжатие производится при постепенно

возрастающей нагрузке на испытуемый образец, который устанавливается на

подставку, прикрепленную к рычагу. На другом конце рычага укреплен груз.

Вращая рукояткой винт, перемещают влево точку опоры рычага, укрепленного на каретке. При этом образец прижимается к площадке и разрушается. На шкале рычага фиксируется напряжение, соответствующее пределу прочности при

сжатии.Определение прочности на разрыв выполняется на образце, имеющем

форму восьмерки, который закладывается в фасонные захваты и при засыпании

дроби в резервуар нагружается постепенно возрастающим усилием. При

некотором значении груза происходит разрыв образца. Разрывное усилие,

отнесенное к площади поперечного сечения образца в месте разрыва, является

характеристикой прочности.

Связующие материалы (крепители) входят в состав стержневых и

формовочных смесей, предназначенных для сухих форм. Они подразделяются на две основные группы: растворяющиеся (смачиваемые водой) и

нерастворяющиеся (не смачиваемые водой). К числу растворяющихся, кроме

глины, относится цемент, жидкое стекло, сульфитный щелок, декстрин, патока,

пектиновый клей. Водно-растворимые связующие материалы применяются для

основной массы стержней. Наиболее дешевым из них является сульфитно-

спиртовая барда (Б) — отход спиртового производства, поставляемая в жидком

виде (БЖ) или в виде твердого концентрата (БТ).

Группу нерастворяющихся крепителей составляют масла, смолы, канифоль,

продукты переработки нефти и различные пеки. Такие крепители рекомендуются для смесей, идущих на изготовление тонкостенных или наиболее ответственных стержней.

Стержни во время заливки формы металлом, находятся в более тяжелых

условиях, чем материал формы: они со всех сторон окружены металлом, отвод

газов затруднен. А при затвердевании металла стержни испытывают сжимающее воздействие усадки. Отсюда возникают противоречивые требования к материалу стержней: он должен быть достаточно прочным при заливке и податливым при затвердевании металла. По сравнению с материалом формы должен обладать лучшей газопроницаемостью, податливостью, выбиваемостью и непригораемостью.Состав и свойства стержневых смесей выбирают с учетом конфигурации и назначения стержней, а также условий, в которых они находятся в форме.(ТАБЛИЦА)

Подготовка свежих формовочных материалов предусматривает сушку

песка и глины, просеивание песка, приготовление пылевидного угля и глины,

приготовление глиняной или глино-угольной суспензии и подготовку жидких

крепителей.Температура сушки кварцевых песков должна быть не выше 600°С,

природных глинистых песков – не выше 400°С. Высушенный песок охлаждается

до 25 – 30°С и просеивается. Сушка песка и глины выполняется в горизонтальных барабанных сушилах непрерывного действия за счет встречного перемещения песка и поступающих из топки раскаленных продуктов сгорания.Просеивание песка производится при помощи различных сит.

Полигональное сито представляет собой вращающийся от привода

металлический каркас, к которому крепятся рамы с натянутой на них сеткой.

Огнеупорная глина используется для приготовления формовочной смеси в

виде сухого порошка или водной суспензии. Применение суспензии исключает

сушку и размол глины.Для получения глиняного порошка сырую огнеупорную глину дробят в зубчатых вальцах, затем сушат в барабанном сушиле при температуре 350 –400°С до влажности 2 – 3% и размельчают в специальной мельнице.Для приготовления глиняной суспензии применяются мешалки, барабаны, смешивающие бегуны и т. д. Подача суспензии к бегунам осуществляется по трубопроводу насосом.Применение суспензии возможно только для наполнительных и единых

смесей. В облицовочных и стержневых смесях суспензия вызовет

переувлажнение, поэтому для них должна применяться глина в пылевидном

состоянии. Бентонит подается в смешивающее устройство только в сухом виде.

Горелая смесь может быть повторно использована после ее охлаждения,

отделения металлических примесей, размельчения и просеивания. Полное

удаление металлических включений обеспечивается двойной сепарацией (с

отбором металла снизу и сверху потока смеси) при помощи магнитного

ленточного сепаратора, установленного дополнительно к магнитному барабану.

Для получения угольной пыли каменный уголь пропускается через

валковую дробилку, а затем поступает в шаровую или молотковую мельницу.

Удаляемые обычно в отвал земляные отходы могут быть снова

использованы для приготовления смесей, если подвергнуть их регенерации,

имеющей целью удаление из бросовой смеси негодных и инородных частиц,

больших или меньших, чем нормальные зерна песка. Регенерация производится

двумя способами – мокрым и электростатическим.

Мокрая регенерация, применяемая обычно при гидравлической выбивке и

очистке отливок, состоит в перетирании и удалении мелких фракций из мокрой

смеси, проходящей через систему конических и спиральных классификаторов.

Электростатическая сепарация осуществляется в электронном сепараторе.

После размельчения до размера комков не свыше 3 мм и просеивания частички

смеси, очищенной от металлических включений, пропускаются через

электрическое поле. Получив заряд, частички отклоняются от траектории

свободного падения в зависимости от размеров на различные расстояния и

поэтому попадают в различные отсеки классификаторов. Это позволяет

полностью удалить мелкие фракции и пыль, которые собираются винтовым

конвейером и затем пневмотранспортом удаляются в бункер за пределы цеха.

Для достижения высокого качества смесей необходима точная дозировка

исходных материалов, тщательное перемешивание их вылеживание готовых смесей в течение определенного времени. Для дозировки применяются весовые и объемные дозаторы. Последние рекомендуются только для жидких компонентов – крепителей и воды.

Для смешивания используются машины трех типов: бегуны с

вертикальными катками (модели 112), бегуны с обрезиненными горизонтальными катками (модели 115) и шнековые смесители.

Бегуны с вертикальными катками пригодны для любых смесей, особенно

для стержневых и облицовочных. Недостаток их – низкая производительность.

Бегуны с горизонтальными катками имеют резиновую облицовку чаши и

резиновые, ободы катков. Это позволяет повысить скорость качения катков и

увеличить производительность в 3 – 5 раз по сравнению с бегунами типа 112.

Наличие вентилятора позволяет дополнительно охлаждать смесь и обеспыливать ее. Бегуны этого типа рекомендуются для приготовления единой формовочной смеси сырой формовки, особенно в крупных конвейерных цехах.

Шнековый смеситель представляет собой ж котором вращаются в разные

стороны два вала с лопатками, ставные части смеси подаются в желоб с одной

стороны, а готовая смесь выдается через отверстие в дне желоба – с другой.

Смеситель обеспечивает равномерное распределение составляющих и хорошее их перемешивание, но не создает оболочки вокруг зерен за отсутствия

перетирающего действия. Поэтому такие смеси пригодны только в качестве

наполнительных.Вылеживание готовой смеси имеет целью выровнять ее влажность по всему объему. Время вылеживания зависит от содержания глины. Для тощих смесей (2– 3% глины) делают бункеры с емкостью, обеспечивающей вылеживание смеси за 2 – 3 ч; для жирных смесей (10 – 12% глины) бункеры имеют емкость, достаточную для хранения смеси 5 – 8 ч.

Перед набивкой формы готовая смесь должна быть дополнительно

разрыхлена. Это обеспечивает более однородную плотность набивки и повышает газопроницаемость. Наибольшую производительность при разрыхлении (до 50 м3/ч) дает аэратор. В нем смесь разрыхляется при помощи вращающихся лопаток, отбрасывающих смесь на ряд железных прутьев или висящих цепей. Смесь непрерывно подается в бункер и после разрыхления поступает в выпускное отверстие.