Формовочные материалы: Учеб. пособие

Голотенков О. Н.

Пенза, 2004 г.

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.

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.

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  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.

Основной составляющей формовочных и стержневых смесей, применяемых в литейном производстве, является кварцевый песок. Кварцевый песок - природный минерал соединения кремния с кислородом (SiO2).

Пески образуются при разрушении горных пород, содержащих кварц. По происхождению формовочные пески относятся к осадочным горным породам. Важнейшей их характеристикой является время отложения и кратность переноса. Наиболее округлые и однородные по величине зерна имеют те пески, которые в течение длительного времени подвергались многократным переносам и повторным отложениям. Главным критерием при оценке качества формовочных песков по химическом}' составу является содержание в нем кремнезема SiO2 Чем выше его содержание, тем выше качество песка. Наряду с кремнеземом в формовочных песках почти всегда присутствуют различные примеси, ухудшающие его свойства.

3.1. Минералогический состав формовочных песков

Основной составляющей формовочного песка является кварц (SiO2), имеющий плотность р = 2650 кг/м1. температуруплавления  1713°С. твердость по шкале Мооса 7. Зерна кварца могут иметь различную окраску, обусловленную различными примесями. При нагреве кварц претерпевает ряд превращений. При 573°С а-кварц переходит в р-кварц. Объем изменяется ±2,4%; при 870°С [3-кварц —» р-тридимид. и шенение объема 15.1 %. при 1470°С р-тридимид —» р-кристаболит. ^вменение объема 4,7%: при 1713°С р-кристаболит —> расплав, изменение объема 0.1%.

Полевые шпаты

(Полевые шпаты имеют твердость (6-6,5): температура плавления их 1170-1550°С термическое расширение при 1000Т до 2,75%.

Слюда. Мусковит (K2O-3Al2Or6SiO2H2O).

Биотит     (K2O-6(Mg,Fe)OAl2O3-6SiO2-2H2O).

Температура плавления слюды 1150-1400°С. термическое расширение при 1000°С - 1.55%. Слюда ухудшает огнеупорность песка.

3.4. Высокоогнеупорные формовочные материалы

Для получения крупных чугунных и стальных отливок с чистой поверхностью вместо кварцевых песков применяют другие высокоогнеупорные материалы: хромит, хромомагнезит, циркон, дистен-силли-манит. шамот и др. Эти материалы имеют более высокие тешюфизиче-ские свойства и меньшую склонность к физико-химическому взаимодействию с железом и его оксидами, поэтому позволяют получать чугунные и стальные отливки с более чистой поверхностью.

3.4.1. Хромит

Хромит, или хромистый железняк - природный материал, содержащий хромшпинелиды. Химическая формула основного минерала в хромите FeO-Сr2Оз, в котором содержится 68% Сr2Оз и 32% FeO. Однако из-за наличия примесей содержание Сг2О3 в хромите намного меньше. Минимальное содержание Сг2О3 в хромите 36%.

К особенно вредной примеси в хромите относится СаСО5, который при нагревании разлагается с выделением СO2, что может вызывать образование газовых дефектов. Поэтому содержание СаО в хромите допускается не более 1,5%, содержание SiO2- не более 7%, постоянно присутствующих примесей (п.п.п.) - не более 2%. Соотношение СгтОз^еО в природном материале находится в пределах 2.7-5,0 (в зависимости от месторождения).

Для уменьшения газовыделения (п. п. п.), особенно СО2. рекомендуется перед приготовлением формовочных смесей хромит прокаливать при температуре 900-1000°С.

Температура плавления хромита (при содержании Сг2О3 до 40%) не превышает 1800°С, плотность - 3760-4280 кг/м3. Хромит имеет более низкий температурный коэффициент объемного расширения, чем кварц. Хромит применяется для приготовления облицовочных смесей (или паст), при производстве крупных стальных и чугунных отливок. Полагают, что при применении хромита отливки с чистой поверхностью получаются в результате его спекания с последующим закрытием пор при нагреве поверхности формы заливаемым и залитым металлом.

3.4.2. Магнезит

Магнезит - горная порода, содержащая минерал MgCO3. Чистый MgCO3 имеет цвет от коричневого до светло-серого, плотность 2900 кг/м3. В горных породах наряду с минералом MgCO3 содержатся соединения кальция, кремния и железа.

При переработке магнезитовой породы путем обжига из нее удаляется СО2, а магнезит превращается в оксид магния MgO кристаллизующийся как минерал периклаз. Оксид магния имеет свойства, подобные извести, т. е. поглощает влагу из воздуха и гидратируется. Поэтому его обжигают до спекания при температуре свыше 1400°С с добавками оксидов железа. В результате получают металлургический магнезит, имеющий шоколадно-коричневый цвет и содержащий более 85% MgO - основного жаростойкого компонента. Если обжиг происходит при температуре 800-950°С, образуется обезуглероженный каустический магнезит, обладающий вяжущими свойствами.

Чистый MgO имеет огнеупорность 2800°С, а магнезитовые изделия - более 2000°С.

Зернистый материал для формовочных смесей получают дроблением отходов и боя магнезитовых изделий.

Магнезит рекомендуется применять для приготовления облицовочных смесей или противопригарных красок, при получении отливок из высокомарганцовистых и других высоколегированных сталей.

3.4.3. Хромомагнезит

Хромомагнезит представляет собой продукт обжига при температуре 1500-1600°С смеси, состоящей из 50-70% хромнтовой руды и 30-50% металлургического магнезита. Хромомагнезит содержит 40-58% MgO и 16-27% Сг2О3. Огнеупорность его - не менее 2000°С, плотность - 3900 кг/м3. В отличие от магнезита хромомагнезит хорошо противостоит резким изменениям температуры.

В литейном производстве обычно применяются отходы и бои хромомагнезитового кирпича. Хромомагнезит используется для приготовления облицовочных смесей, паст и красок, при получении крупного стального литья из легированных сталей. Для приготовления облицовочных смесей используют размолотый хромомагнезит, имеющий остатки на ситах 1-016-50...60%, а на ситах 01-005 -40...50%; для паст - остаток на ситах 04-016 - 30...40 %, а на ситах 01-005 и в тазике - 60...70%; для красок - остаток на сите 005-90%, остальное - остатки на ситах 01-0063.

3.4.4. Циркон

Циркон - природный минерал, химическая формула ZrO2-SiO2. В природных цирконовых песках кроме циркона содержатся и другие минералы: кварц, рутил, дистен, ильменит, оксиды железа.

С целью увеличения содержания циркона цирконовые пески обогащают до получения так называемого цирконового (обезжелезенно-го) концентрата, в котором содержится не менее 65% ZrO2 и не более 0,5% ТiO2, 0,1% Fe2O3, 0,1% А12О3, 0,15% Р2О5.

Циркон имеет высокую огнеупорность - не ниже 1600°С (при допустимом содержании примесей), малый температурный коэффициент объемного расширения (0,003), высокие плотность (4600-4700 кг/м3) и теплопроводность. Он применяется в основном для приготовления противопригарных красок для стального литья, иногда для изготовления форм при литье по выплавляемым моделям и в оболочковые формы.

4.1. Происхождение глин

Литейными формовочными глинами называются горные породы, состоящие в основном из тонкодисперсных частиц, водных алюмосиликатов, обладающих связующей способностью и термохимической устойчивостью, достаточной для того, чтобы в определенных условиях образовывать прочные и не пригорающие к отливке формовочные смеси.

По своему происхождению глины подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные - остаточные глины разложения - образовались в результате разложения кристаллических горных пород или выпадения из водных растворов, содержащих глинозем и кремнезем, и остались на месте образования.

Вторичные глины образовались путем выпадения из водных растворов и перенесения с места своего образования в районы залегания.

Состав глин, образовавшихся в результате разрушения горных пород, зависит от пород и степени кислотности или щелочности, характеризуемой концентрацией водородных ионов (рН). В кислой среде (рН<7) образуются каолинитовые, в щелочной (рН>7) -монтмориллонитовые глины.

Формовочные глины являются минеральным связующим в формовочных смесях.

4.2. Минералогический состав формовочных глин

Минералогический состав глин определяют с помощью рентгенографического и электронно-микроскопического методов анализа.

Глины состоят из одного или нескольких минералов, содержащих А12О3, зерен кварца и небольшой примеси некоторых других минералов, не содержащих глинозема. По содержанию основных глинистых минералов формовочные глины делятся на каолинитовые, каолинито-гидрослюдистые и бентонитовые.