Формовочные материалы

Формовочные материалыФОРМОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ в литейном производстве, материалы, из которых готовятся формы для отливок; они делятся на две основные группы: а) формовочные материалы для разовых форм (гл. обр. формовочные пески, глины и разные формовочные массы) и б) материалы для постоянных и полупостоянных форм (гл. обр. металлы и сплавы, а также шамот, асбест, магнезит, карборунд и т. д.).

1. Формовочные материалы для разовых форм. Основные требования, которым должны удовлетворять формовочные материалы, сводятся к следующему: зерновая структура, газопроницаемость, связность, огнеупорность, пластичность, податливость, дешевизна и надлежащий химический состав. Методика испытания формовочных материалов, принятая в Союзе, базируется на методах, разработанных Американской ассоциацией литейщиков (A. F. А.).

Для определения зерновой структуры употребляется прибор «ротап» (фиг. 1), состоящий из массивной чугунной коробки, в которой помещается передаточный механизм от мотора к вертикальному валику, проходящему внутри задней стойки.

Для определения зерновой структуры употребляется прибор «ротап»

Между верхней крышкой и нижней траверсой с одной стороны и двумя боковыми направляющими – с другой помещаются 9 сит следующих №№: 6, 12, 20, 40, 70, 100, 140, 200 и 270 [номер сита указывает количество отверстий (ячеек) на 1 п. дм.]. Способ определения зернистости сводится к нижеследующему: песок, предварительно освобожденный от глины, высушенный (при температуре 110°С), просеивается в количестве 50 г через все 9 сит, начиная сверху с сита № 6. Определение среднего диаметра производится по принципу определения взвешенного среднего арифметического диаметра. Для этого величину остатка на каждом сите умножают на специальный множитель (приблизительно соответствующий номеру предыдущего сита), и частное от деления суммы этих произведений на сумму процентов всех остатков дает средний диаметр, выраженный средним номером сита; т. о. получают число зерновой структуры. В табл. 1 приведена классификация формовочных песков по содержанию в них глины и по тонкости строения зерновой части (таблицы Американской ассоциации литейщиков).

Классификация формовочных песков по содержанию в них глины и по тонкости строения зерновой части

Определение газопроницаемости. Для испытания на газопроницаемость служит следующий прибор (фиг. 2). Медный (луженый) цилиндрический сосуд 1 имеет идущую от дна к вершине трубку 2, служащую для выпуска воздуха; внутри сосуда имеется поплавок 3. От верхней крышки поплавка идет вертикальная трубка 4 внутри трубки 2. Трехходовой кран 5 закрывает трубку 1 снизу. Отверстие этого крана д. б. не меньше 0,6 см2 для того, чтобы не было никаких препятствий вытекающему воздуху. Сосуд 1 резиновой трубкой соединяется с цилиндром, в котором помещается проба испытываемого песка; перед испытанием определяется влажность этой пробы. Поплавок 3 градуирован; отметки: X, 0, 1000, 2000, что соответствует объему воды в 0, 1000, 2000 см3. Отметка «X» лежит на 19 мм ниже нулевой и имеет целью упростить операции с прибором.

При производстве испытания сосуд 1 наполняют водою т. о., чтобы уровень ее отстоял от верхнего края сосуда на 120 мм, после чего открывают трехходовой кран 5 до тех пор, пока поплавок 3 не поднимется до отметки «X», после чего кран снова закрывают. Затем сосуд с пробой исследуемого формовочного песка присоединяют к трубке 2, устанавливают вентиль на средний ход, вследствие чего вытесняемый поплавком воздух должен проходить через пробу песка; при этом отмечают показание манометра. В тот момент, когда поплавок переходит через; отметки «0», пускают в ход секундомер. Давление отмечают лишь после того, как оно станет постоянным. В момент перехода поплавка 3 через отметку «2000» останавливают секундомер, и т. о. устанавливается время, потребное для прохождения воздуха, вытесненного 2000 см3 воды. Для определения газопроницаемости составлены особые таблицы, в которых каждому значению давления в приборе дано соответствующее значение газопроницаемости.

Приборы для определения газопроницаемости и вязкости формовочных материалов

Определение вязкости. Метод определения связывающей способности формовочного песка состоит в следующем: приготовленный в количестве 1000 г плюс процентное содержание влаги в пробе испытуемый формовочный песок просеивается через сито в разъемную форму и равномерно распределяется в последней под незначительным давлением при помощи гладилок. Предварительно берется лист промасленной бумаги вдвое большей длины, чем форма, чтобы одна половина его лежала на дне формы, а другая на заглаженной поверхности песка. Затем форму закрывают крышкой с приложенной к ней колодкой из твердого дерева, и кладут под копер (фиг. 3). Бабу последнего весом в 9070 г заставляют падать шесть раз с высоты 40 см, затем осторожно разнимают форму и промеряют в трех местах толщину пробного бруска, лежащего на промасленной бумаге. Толщина д. б. по возможности равномерной с отклонениями не более 1,2 мм при средней толщине 25,4. Испытание бруска производится сл. обр.: свободный конец промасленной бумаги закрепляется в прорези моторного вала; при вращении мотора этому бруску сообщается поступательное движение со скоростью 15 см/мин, отчего он отходит от края формы до тех пор, пока не сломается от веса перевисающей своей части; в этот момент мотор выключают, а отломившуюся часть подхватывают предварительно точно вывешенным плоским подносом; затем та же операция продолжается до вторичной поломки и т. д. Если брусок разломается на куски одинакового веса, то все эти куски принимаются в расчет; если же вес какого-либо куска разнится от среднего веса более чем на 10%, то такой кусок отбрасывается; при еще больших отклонениях в весе весь брусок считается негодным. После того как сломаны описанным выше образом 4 бруска, определяют средний вес куска, причем отклонения от него обычно не превышают 5 %. Если толщина бруска больше или меньше 25,4 мм, то этот вес соответственно пересчитывают, т. е. увеличивают или уменьшают, и затем еще раз пересчитывают т. о., что его относят к сухому песку, для того чтобы получить сравниваемые цифры, относящиеся к различным количествам добавляемой к одному и тому же песку воды, например:

form materialy t1

Для, того чтобы выразить связывающую способность в %, принимают вес отломившегося куска в 500 г (чего фактически никогда не бывает) за 100%, т. ч. для данного случая связывающая способность выразится в 213,6·100/500 = 42,7%.

Испытание на сжатие. Испытание образцов на связность по вышеописанному методу требует большой опытности и занимает сравнительно много времени, поэтому в заводских условиях часто применяется стандартный метод испытания формовочных материалов на сжатие (аппарат Адамса, фиг. 4), для чего можно использовать образец после испытания на газопроницаемость, соединив т. о. два испытания в одном.

Аппарат Адамса для испытания формовочных материалов на сжатие

Прибор Адамса для передачи сжимающего усилия на образец использует принцип рычага 1-го рода с меняющейся точкой опоры. Образец устанавливается на площадку 1, сидящую на одном конце рычага 2 и зажимается верхней площадкой 3, выдвигаемой из неподвижной траверсы 4. При вращении ручки 5, приводящей во вращение винтовой шпиндель 6, тележка 7, служащая точкой опоры для рычага 2, начинает передвигаться влево. При этом плечо неподвижного груза 8 на другом конце рычага 2 начинает увеличиваться, отчего площадка 1 с образцом прижимается все сильнее к неподвижной площадке 3, пока образец не сломается. Прочность на сжатие выражается в обычных единицах измерения напряжения материалов, т. е. кг/мм2 поперечного сечения образца, которые отсчитываются по уже готовой разметке на плече прибора. Интересно отметить, что образец ломается наподобие чугунных цилиндрических образцов на сжатие, т. е. двумя конусами, сложенными у вершин, что характерно для тел с очень низким пределом упругих деформаций. Само испытание очень просто и занимает 2—3 мин., считая изготовление образца. В некоторых случаях производят испытания формовочного песка на клейкость, поглощение красителей и др. В табл. 2 приведены предельные величины физических свойств песков, применяемых при различного рода отливках (по данным американской практики).

Предельные величины физических свойств песков, применяемых при различного рода отливках

Предельные величины физических свойств песков, применяемых при различного рода отливках

Предельные величины физических свойств песков, применяемых при различного рода отливках

2. Материалы для полупостоянных (долговечных) форм. Долговечные, или полупостоянные, формы дают целый ряд преимуществ: уменьшение расхода по формовке, очистке и эксплуатации, уменьшение брака и получение мелкозернистых по структуре отливок повышенной прочности. Применение полупостоянных форм может оказаться выгодным даже при малом масштабе производства; в некоторых случаях такие формы способны дать до 1000 и более отливок. В случае крупных отливок долговечные формы могут оказаться выгодными даже в случае 3—5 отливок. Для мелких отливок применяются состоящие из двух частей чугунные формы, внутренняя поверхность которых имеет огнеупорную футеровку, толщина которой зависит от веса отливки. Огнеупорный материал должен обладать следующими качествами: 1) быть достаточно пластичным, 2) обладать таким строением, чтобы не препятствовать отделке формы и легко сохранять острые контуры моделей, 3) сохранять по возможности неизменным свой объем как при сушке, так и при нагревании, 4) давать крепкую и пористую форму с незначительным коэффициентом расширения, 5) противостоять химическим и разъедающим действиям расплавленного металла, 6) не растрескиваться при быстром нагревании и охлаждении, 7) обладать низким коэффициентом теплопроводности, не развивать при отливке никаких газов и быть совершенно сухим, т. к.. только при этом условии возможен значительный подогрев формы. Ниже приведены некоторые практически испытанные составы для долговечных форм (по работам Смоллея). Состав № 1: 65% гипса, 25% фарфоровой глины, 10% огнеупорной глины (без крупинок). Для улучшения прибавляется немного коровьего волоса. Состав № 2: гипса 10%, фарфоровой глины 36%, хромита 50%, сернистокислого натрия (Na23) 4%. Для изготовления состава № 1 на 8 ч. гипса берется 10 ч. воды. Смесь эта д. б. быстроопрыскиваемая водой и перемешиваема, пока гипс не начнет подниматься над уровнем воды. Перемешивать надо быстро, но во избежание образования воздушных пузырьков следует избегать вынесения мешалки над поверхностью смеси. Когда смесь приобретет кремообразную консистенцию, немедленно приступают к изготовлению формы. Время осаживания формы 20—30 мин. После этого форма д. б. высушена при 450°С в течение 10—20 час., пока не исчезнут все следы влажности, в противном случае форма может лопнуть при отливке. При изготовлении состава №2 гипс, фарфоровая глина и хромит д. б. смешаны сухими, затем серноватистокислый натрий смешивается с необходимым количеством воды. Все это смешивается, как и при составе № 1, только здесь рекомендуется более густая консистенция. Сушка д. б. закончена при матовокрасном калении. Оба состава - № 1 и № 2 - хорошо зарекомендовали себя при отливках из алюминия и латуни. Состав № 3: сортированного кокса (керосинового или ретортного) 40—50%, огнеупорной глины 40—50 %, фарфоровой глины 5—10 %. Для улучшения прибавляется немного коровьего волоса или асбестовой муки. Все смешать до требуемой консистенции с водой или 3-, 8 %-ным раствором серноватистокислого натрия для получения большей прочности. Состав № 4: белый боксит после расплавления его в вагранке дает хороший материал для долговечных форм. Состав его приблизительно таков: Аl2O3 68,8%; SiO2 21,4%; окиси титана 3,84%; окиси железа 5,25%; углерода 0,60%; влаги нет. При этом д. б. принято во внимание: 1) усадка этого материала ~1%, 2) объем при нагревании почти не изменяется, 3) с водой дает хорошую пластичную массу, 4) д. б. прокален при матовокрасном калении, 5) не растрескивается при повторных нагреваниях и внезапных изменениях температуры. Для большей прочности формы рекомендуется установка железного каркаса. Состав этот оказался весьма подходящим для отливок из чугуна, бронзы и латуни. Состав № 5: асбеста 2 ч.; фарфоровой глины 0,8 ч.; кварцевого песка 0,2 ч.; глины 1 ч.; раствора Na23 5%. Этот состав хорош для легких отливок из бронзы, латуни и чугуна. В качестве огнеупорного материала для более тяжелых отливок из чугуна и стали применяется карборундный песок и сирцит (окись циркония), хотя стоимость долговечных форм из сирцита очень высока. Наиболее выгодными оказались формы из монацитового песка (силикат циркония), который является побочным продуктом при добывании тория и церия. Формы из этого материала не показывают никаких признаков размягчения при температуре до 1500°С.

Материалом для постоянных форм служит металл. Основное требование, предъявляемое к таким формам, заключается в том, чтобы у формовочного материала температура плавления была выше заливаемых металлов. Чем выше температура заливаемого металла, тем большую температурную нагрузку воспринимает форма и тем скорее подвергается она разрушению. Чтобы увеличить стойкость постоянной формы, разработан ряд мероприятий в зависимости от условий производства. Наиболее простые из них заключаются в том, что форма изнутри, в месте соприкосновения ее с расплавленным металлом, футеруется тонким слоем огнеупорного материала. Иногда форма подвергается искусственному охлаждению сжатым воздухом, водой или специальными маслами с повышенной температурой кипения. В других случаях прибегают к предварительному подогреву постоянных форм. Интересным с теоретической точки зрения представляется способ Меерса - пропитывание металлической формы металлом, обладающим более низкой температурой испарения (например, цинк) по сравнению с температурой заливаемого металла. Перед пропитыванием формы протравляют кислотой, после чего их помещают в герметически закрытом сосуде с порошкообразным цинком в печь, где этот сосуд выдерживается в продолжение 10—15 час. при температуре 500°С. Цинк диффундирует вглубь металлической формы и при заливке в последнюю чугуна или стали испаряется, образуя тонкий газовый слой, защищающий форму от непосредственного воздействия расплавленного металла. Таким способом удается увеличить количество снимаемых отливок с одной формы до 10000 шт. и более. Не менее интересным является способ увеличения огнестойкости алюминиевых форм, который дает возможность отливать в них стальные отливки. Способ заключается в нанесении (электролитическим путем) на предварительно очищенную поверхность алюминиевой формы тонкой (0,5—0,8 мм) пленки окиси алюминия, имеющей температуру плавления 2020°С. Тонкий слой окиси алюминия, обладающий помимо высокой огнеупорности еще и минимальной теплопроводностью (коэффициент λ=0,00162), предохраняет форму от непосредственного соприкосновения с расплавленным металлом и дает возможность получать большое количество стальных отливок.

Главное преимущество постоянных форм состоит в том, что они позволяют в широких пределах изменять скорость охлаждения отливок, а овладеть проблемой управления процессом охлаждения отливок - это равносильно полному освобождению производственников от капризов шихтовки, от случайностей снабжения исходными материалами в деле получения желаемой структуры отливок, а следовательно и в деле получения необходимых механических свойств отливки. Наиболее распространенными материалами для постоянных форм служат металлы: 1) чугун для отливок с невысокой температурой плавления (сплавы свинца, олова и цинка), 2) обыкновенные и легированные стали и специальные сплавы (нихром, бекет-металл и др.) для более тугоплавких металлов (медь, чугун и сталь). Широкое применение постоянные формы нашли в производстве отливок под давлением (чугунные, стальные и из специальных сплавов), в центробежном литье (чугун хромомолибденовый, сталь и пр.). Применение постоянных форм оправдывается в любом случае, когда число отливок, получаемых с одной формы, достаточно велико для того, чтобы окупить повышенную стоимость металлической формы по сравнению со стоимостью обыкновенной песочной формы.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 25 - 1934 г.