Классификация и состав формовочных песков

Группы формовочных песков

Для приготовления формовочных и стержневых смесей применяют главным образом кварцевые пески, основу которых составляет кремнезем (SiO2), имеющий температуру плавления 1713°С. Они огнеупорны, обладают высокой прочностью и твердостью, широко распространены в природе, дешевы. В состав кварцевых песков входят также полевой шпат и слюда, содержащие оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, а также оксиды и гидраты оксидов железа. Эти примеси снижают огнеупорность кварцевого песка, увеличивая возможность образования пригара на отливках.

В состав кварцевых песков входит и глинистая составляющая. Пески, содержащие до 2% глины, называют кварцевыми, а содержащие от 2 до 50% — глинистыми.

Недостатком кварца является способность его при нагреве претерпевает полиморфные превращения, в результате которых изменяется структура зерен кварца, что сопровождается значительным изменением объема.

зерен и приводит к постепенному их разрушению и увеличению содержания в песке пылевидных частиц. По ГОСТ 2138-91 формовочные пески подразделяют на классы и группы. Класс песка определяется его химическим составом — содержанием SiO2. глинистой составляющей и вредных примесей, группа песка — размерами его зерен представлены выше.

При изготовлении форм и стержней используют пески определенного гранулометрического состава, под которым понимают распределение частиц формовочного песка по размерам. Определение гранулометрического состава песка производят просеиванием его на специальном приборе с набором из калиброванных сит. Песок, оставшийся в наибольшем количестве на трех смежных ситах, называется основной зерновой фракцией. По номеру среднего из трех сит обозначают группу песка.

Пески подразделяют на две категории А и Б. Пески с большим остатком на крайнем верхнем сите, чем на крайнем нижнем, относят к категории А, с большим остатком на крайнем нижнем— к категории Б. В марке формовочного песка на первом месте указывают класс песка, на втором — группу, на третьем — категорию. Например, маркой 1КО2А обозначают кварцевый песок 1-го класса средней зернистости, группы 02, категории А. Различают природные и обогащенные формовочные пески. Обогащенные пески получают из природных, подвергая их специальной обработке для уменьшения содержания глинистой составляющей и вредных примесей.

Кварцевые пески классов 1К - 4К используют для изготовления стержней, а также форм при получении отливок из стали и чугуна. Тощие и полужирные пески применяют для изготовления форм при производстве отливок из цветных сплавов и мелких чугунных отливок. Обогащенные кварцевые пески используют для получения форм и стержней, отверждаемых в горячей и холодной оснастке, так как глинистая составляющая и вредные примеси в таких смесях резко снижают скорость отверждения и прочностные свойства форм и стержней.

В целях снижения опасности образования пригара при получении крупных стальных отливок или отливок из легированных сталей взамен кварцевого песка используют высокоогнеупорные материалы, химически инертные к заливаемому сплаву и не имеющие полиморфных превращений при нагреве. К таким материалам относят хромистый железняк, циркон, магнезит, хромомагнезит.

Глина является наиболее распространенным связующим материалом в формовочных смесях. Формовочные глины, как и пески, относятся к осадочным горным породам. Они состоят из мельчайших частиц водных алюмосиликатов с размерами <0,022 мм. Отличительной особенностью глины является способность набухать в воде, причем чем больше глина способна удерживать воды, тем выше ее связующие и пластические свойства.

В зависимости от минералогического состава глины подразделяют на три вида: бентонитовые, каолиновые, а также каолиногидрослюдистые и полиминеральные (ГОСТ 3226-93). Наиболее широко распространены в литейном производстве каолиновые и бентонитовые глины. Бентонитовые глины обладают очень высокими связующими свойствами, так как способны удерживать большее количество воды, чем другие виды глин. Это позволяет при их применении в 2—3 раза сократить содержание глины в формовочных смесях и этим повысить огнеупорность и газопроницаемость смесей. Бентонитовые глины используют при изготовлении высококачественных формовочных смесей, смесей для автоматических линий, где особенно необходимы смеси с высокими и стабильными свойствами. В связи с потерей кристаллизационной влаги при высоких температурах сушки (120—200°С) бентонитовые глины необратимо теряют свою связующую способность, поэтому их применяют только для формовки по-сырому. Недостатком бентонитовых глин является и пониженная огнеупорность
(1250—1300 °С).

Основным минералом каолиновых глин является каолинит Аl2O3 2SiO2 2H2O, имеющий температуру плавления 1750—1787°С. Каолиновые глины характеризуются меньшей способностью к набуханию в воде.

Помимо основного минерала в состав глин входят кварц, полевой шпат, слюда, а также вредные примеси: Fe2O3, Na2O+K2O, CaO+MgO. Вредные примеси снижают огнеупорность глин, их термохимическую устойчивость.

По содержанию вредных примесей глины делят на три группы: с высокой Т1, средней Т2 и низкой Т3 термохимической устойчивостью.

Связующая способность глины оценивается пределом прочности смеси на сжатие во влажном и сухом состояниях. По величине предела прочности во влажном состоянии формовочные глины делят на три группы: П — прочносвязующая, С —  реднесвязующая и М — малосвязующая.

В обозначении марки глины первая буква означает вид глины по минеральному составу, вторая — группу по пределу прочности во влажном состоянии, первая цифра — подгруппу по пределу прочности в сухом состоянии, а буква Т с индексом — группу глины по содержанию вредных примесей. Например, каолиновая формовочная глина прочносвязующая во влажном состоянии, среднесвязующая в сухом состоянии, с высокой термохимической устойчивостью обозначается КП2Т1. Маркой БС1Т3. обозначают бентонитовую формовочную глину, среднесвязующую во влажном состоянии, прочносвязующую— в сухом состоянии, с низкой термохимической устойчивостью.

В обозначении марки глины первая буква означает вид глины по минеральному составу, вторая — группу по пределу прочности во влажном состоянии, первая цифра — подгруппу по пределу прочности в сухом состоянии, а буква Т с индексом — группу глины по содержанию вредных примесей. Например, каолиновая формовочная глина прочносвязующая во влажном состоянии, среднесвязующая в сухом состоянии, с высокой термохимической устойчивостью обозначается КП2Т1. Маркой БС1Т3. обозначают бентонитовую формовочную глину, среднесвязующую во влажном состоянии, прочносвязующую— в сухом состоянии, с низкой термохимической устойчивостью.

Связующие материалы, входящие в состав стержневых и формовочных смесей, предназначены для склеивания зерен песка и придания смесям необходимой прочности вначале в сыром, а затем в сухом или химически отвержденном состоянии.

Связующие материалы подразделяют по химической природе на органические и неорганические, по способности растворяться в воде — на водные и неводные, по характеру затвердевания — на затвердевающие необратимо, обратимо и с промежуточным характером затвердевания.

В отличие от неорганических, органические связующие выгорают при заливке расплава в литейную форму, что обеспечивает хорошую податливость стержней и их выбиваемость. Неорганические связующие (жидкое стекло, цемент) не выгорают, что затрудняет выбивку форм и стержней. Водные связующие проявляют свои свойства после растворения их в воде (лигносульфонаты технические, декстрин, патока). Неводные связующие не растворяются в воде и используются в виде растворов в органических растворителях (спирте, ацетоне и др.).

Необратимо затвердевающие органические и неорганические связующие обеспечивают получение смесей, обладающих наибольшей прочностью в сухом состоянии. Из смесей на основе этих связующих изготовляют сложные тонкостенные стержни.

К этой группе относятся растительные масла (льняное масло, олифа, отходы хлопкового масла), масла, получаемые на основе продуктов переработки нефти, синтетические смолы, а также жидкое стекло.

Неорганическое связующее жидкое стекло представляет собой водный раствор силиката натрия Na2O mSiO2 nH2O.

Особенностью жидкого стекла является способность быстро затвердевать при продувке углекислым газом или при тепловой обработке, что резко сокращает или устраняет операцию сушки.

К ним относят различные добавки, вводимые в формовочные и стержневые смеси для увеличения их газопроницаемости, податливости, текучести и противопригарных свойств.

Для защиты отливок от пригара на поверхности рабочих полостей форм и стержней наносят тонкий слой специальных противопригарных материалов, в качестве которых используют каменноугольную и древесноугольную пыль, графит, мазут, пылевидный кварц и др. Эти материалы входят в состав облицовочных смесей и красок.

Для устранения прилипания смеси к модели и стержневому ящику рабочую поверхность последних припыливают пудрой — ликоподием, тальком или графитом, а по плоскости разъема формы наносят в качестве разделительного слоя мелкий высушенный песок.

В качестве добавок, улучшающих податливость форм и стержней, используют обычно волокнистые вещества, выгорающие при высоких температурах и тем самым резко увеличивающие газопроницаемость смесей (торфяная крошка, опилки и др.).

Защитные присадки необходимо вводить в смеси при литье магниевых сплавов, которые легко окисляются в процессе заливки. В качестве защитных присадок используют серный цвет, борную кислоту, присадку ВМ.

Взаимодействуя с расплавом, они образуют защитную газовую прослойку или пленку, препятствуя окислению магния.

Связующие, затвердевающие обратимо, восстанавливают свои свойства после охлаждения (канифоль, битумы, пеки) или при воздействии растворителя (лигносульфонаты технические, декстрин и др.). К связующим с промежуточным характером затвердевания относятся главным образом комбинированные составы, т. е. часть компонентов в них затвердевает необратимо, а часть обратимо. Стержневые смеси на основе этих связующих имеют повышенную прочность во влажном состоянии, их используют при изготовлении основной массы стержней. В промышленности широко применяют водорастворимые связующие этой группы. Наиболее дешевыми из них являются технические лигносульфонаты (ЛСТ) - продукты переработки древесины, поставляемые в жидком виде или в виде твердого концентрата. На их основе разработаны и широко применяются комбинированные связующие в виде эмульсий ЛСТ с окисленным петролатумом (СП) и тяжелой фракцией сланцевой смолы ГТФ (СБ).

Связующие на основе масел затвердевают только в процессе тепловой сушки при температуре 200—220 °С. Процесс сушки является длительной и энергоемкой операцией. Кроме того, растительные масла дороги и дефицитны. Поэтому более широко применяются синтетические смолы, использование которых позволяет изготовлять стержни без сушки, отверждаемые химическис большой скоростью непосредственно в нагреваемой или холодной оснастке. В последнем случае в связующее вводят катализаторы - ускорители затвердевания. В промышленности наиболее широко применяют связующие холодного затвердевания на основе фенолофурановых (ФФ-1Ф), карбамидно-фурановых (фуритол, БС-40), фенолоформальдегидных смол (ОФ, СФ-3042). В качестве связующих смесей, отверждаемых в нагреваемой оснастке, используют смолы (УКС, КФ-90, СФП-011Л и др.), которые при нагреве сначала расплавляются, связывая зерна песка, а затем необратимо твердеют, придавая стержню необходимую прочность.

Классификация формовочных глин по прочности