книги из ГПНТБ / Медведев Я.И. Технологические испытания формовочных материалов

процесса твердения форма неспособна пластически деформи­ роваться.

Жидкие смеси содержат много жидкости или пленкообразу­

Формы получают с помощью методов окунания модели или за­ ливки смеси на модель или стержень. Упрочнение жидких смесей, т. е. переход в твердое состояние, совершается, как и в случае сыпучих смесей, на модели в результате протекания процессов физического или химического удаления жидкой фазы и образо­ вания твердых пленок между зернами песка.

Изложенное выше деление технологических процессов в зави­ симости от физико-механического состояния смеси, естественно, является условным. Существуют промежуточные смеси и процессы. Некоторые пластично-вязкие смеси упрочняются также непо­ средственно на модели, как это происходит, например, при про­ дувке СО 2 жидкостекольных смесей.

Для смесей каждого типа и соответствующего им технологи­ ческого процесса существует своя область применения, опреде­ ляемая в конечном итоге экономическими факторами. Смеси неза­ висимо от типа в одинаковой мере должны обеспечить получение здоровых отливок.

Литейные формы и стержни (геометрический фактор) придают отливке необходимые очертания и размеры, а также (технологи­ ческий фактор) определяют качественные показатели отливки: чистоту поверхности, • физико-механические свойства металла, отсутствие дефектов и т. п.

В первом случае форма и установленные в ней стержни яв­ ляются для жидкого металла сосудом, негативные очертания которого должны быть сохранены по крайней мере до момента затвердения металла и переданы отливке. Работа формы как сосуда для металла сводится к восприятию давления и веса ме­ талла в условиях резкого нагрева смеси.

Во втором случае формы и стержни отбирают тепло у отливки и частично передают его в окружающую атмосферу. Скорость охлаждения отливки и, следовательно, формирование структуры металла, появление внутренних напряжений, термических тре­ щин, усадочных раковин и т. п. определяются теплофизическими

металлом и формой происходит сложный комплекс физико-хими­ ческих и механических взаимодействий: протекание химических реакций с образованием различных окислов, газов и легкоплавких Соединений; взаимное проникновение металла и формовочного материала, сопровождающееся образованием пригара и песча­ ных включений в отливке; выделение из металла и нагретых до высокой температуры формовочных смесей газов, вызывающих

при определенных условиях объемные и поверхностные газовые раковины, неравномерное расширение и отслаивание поверхност­ ных слоев формовочной смеси и другие явления.

После затвердевания металла материал форм и стержней продолжает отбирать тепло от отливки. Высокая механическая прочность смесей на этом этапе становится нежелательной, так как она препятствует усадке отливки, вызывает появление усадочных напряжений и трещин, а также ухудшает выбиваемость. Послед­ ние обстоятельства особенно характерны для стержней.

Требования санитарии и гигиены, направленные на создание нормальных условий труда в литейных цехах, порождают стрем­ ление использовать материалы и смеси, обладающие минимальной вредностью.

При рассмотрении формовочных смесей с точки зрения тре­ бований экономики более правильно учитывать стоимость не соб­ ственно отливок (заготовок), а готовых машиностроительных деталей, так как не всегда оказываются выгодными дешевые смеси. Во многих случаях экономически оправдывается при­ менение дорогих формовочных материалов, например этилсиликата, смол, циркона и т. п., которые позволяют не только улуч­ шить качество отливок и снизить их брак, но и создать новые прогрессивные процессы литья.

В пределах заданного процесса и смесей принятого типа снижение стоимости последних достигается сокращением их расхода и разработкой технологически оправданных рецептур смесей. В каждом конкретном случае производства литья экспе­ риментально устанавливают тот минимум свойств смесей, который обеспечивает получение качественных отливок. Превышение тре­ буемого минимума свойств, достигаемое введением в смесь допол­ нительного количества сравнительно дорогих материалов, яв­ ляется источником неоправданных расходов.

Изложенное позволяет следующим образом сформулировать задачи контроля технологических свойств формовочных мате­ риалов и смесей:

связи между свойствами смесей и образованием различных дефек­ тов в отливках, раскрытие механизма появления дефектов и раз­ работка условий получения отливок с заданными свойствами;

2) при проведении исследовательских и экспериментальных работ по внедрению новых формовочных и стержневых смесей, новых технологических процессов и новой номенклатуры отли­ вок — это установление требуемого минимума или допустимого интервала изменения количественных показателей свойств сме­ сей, подлежащих контролю;

3) при проведении текущего контроля формовочных смесей в литейных цехах — это наблюдение за фактическим исполнением действующих норм по регламентированным свойствам смесей.

Стандартные методы испытания формовочных материалов и смесей широко распространены на практике и достаточно полно отражены в специальной литературе. Однако они касаются в ос­ новном контроля исходных материалов (песков, глин, связу­ ющих, пылевидного кварца, графита и т. п.) и в небольшой степени свойств формовочных смесей. Испытание и контроль многих важнейших технологических свойств смесей не регла­

контроля важнейших технологических свойств смесей (не охва­ ченных стандартами) частично объясняет тот факт, что более 50% всего брака отливок из черных металлов прямо или кос­ венно связано с формовочными материалами.

Для повышения качества литья и сокращения материальных и трудовых затрат на его производство требуется обратить вни­ мание на технологический контроль формовочных материалов, в том числе и с помощью нестандартных методов. Это тем более необходимо в связи с существующей тенденцией автоматизации смесеприготовительных и формовочных процессов и все возра­ стающим объемом выпуска литья в стране.

Опыт показывает, что роль технологического контроля при внедрении новых прогрессивных процессов не уменьшается, а резко возрастает. Непрерывно увеличивается число методов испытания различных свойств смесей, однако они часто не находят

В предлагаемой книге авторы подробно описывают некоторые используемые в литейном производстве нестандартные методы испытаний пластично-вязких формовочных смесей. При созда­ нии книги возникла необходимость описать также часть стандарт­ ных методов испытаний, с тем чтобы достичь цельности изло­ жения и высказать некоторые критические замечания.

Значительное место в книге занимает анализ причин появле­ ния различных дефектов отливок и связи их со свойствами фор­ мовочных и стержневых смесей.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

СВОЙСТВА ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НОРМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Г л а в а I

ВЛАЖНОСТЬ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ

РОЛЬ ВЛАГИ В СМЕСИ И ЕЕ СВЯЗЬ С ФОРМОВОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ

Большинство формовочных смесей в исходном рабочем состоя­ нии содержит воду в количестве, необходимом для придания им определенных технологических свойств: прочности, пластичности, живучести и т. п. Прочностные свойства многих связующих органического (сульфитная барда, декстрин, патока и др.) и неор­ ганического (глина, жидкое стекло, цемент и др.) происхождения проявляются только в присутствии воды, причем вода в одних случаях растворяет связующие, в других образует с ними кол-, лоидные системы, а в третьих случаях как бы сама растворяется в связующем, вызывая набухание последних. Вода способствует равномерному распределению компонентов смеси, увеличивает прочность сцепления (адгезию) связующего с поверхностью зерен песка. Кроме того, вода, имеющая сравнительно высокое по­ верхностное натяжение, сама в известной степени является свя­ зующим.

1. Влажность не одинаково влияет на различные свойства смесей. С повышением влажности одни свойства смеси до опре­ деленного значения улучшаются, другие ухудшаются [10]. Это вызывает соответствующие трудности при составлении рецептур смесей и необходимость принятия компромиссного решения, порою ухудшающего некоторые свойства. Диапазон изменения влажности формовочных смесей, уплотняемых обычными мето­ дами (вручную, встряхиванием, прессованием, пескометом), нахо­ дится в пределах 2—8%, а стержневых — в пределах 0—4%.

2. Для каждого конкретного состава смеси существует опти­ мальная величина влажности, при которой достигается наилуч­ шее сочетание основных свойств смеси. В большинстве случаев оптимальная влажность определяется экспериментально. Она зависит от типа формовочного песка, содержания глинистых веществ и их качества, наличия различных примесей и добавок.

Наиболее важными факторами являются удельная поверхность зерновой массы смеси и влагоемкость глинистых составляющих [11, 135].

3.Современные технологические процессы и особенно авто­ матические и механизированные смесеприготовительные и фор­ мовочные линии предъявляют жесткие требования к величине отклонения влажности смесей, составляющее 0,2—0,5%. В случае большего отклонения влажности смесь теряет свои оптимальные технологические свойства, что нарушает работу установок и способствует образованию дефектов в отливках.

4.С отклонением влажности смеси от оптимального значения связано появление следующих распространенных дефектов отли­ вок: песчаных засоров и раковин, ужимин, пористости, поверх­ ностных и объемных газовых раковин, искажений размеров

отливки (в результате повышенной деформации смеси), дефектов

ского или химического определения влажности; 2) косвенные

сящих от влажности, при воздействии какого-либо внешнего фактора.

Вода, входящая в состав формовочных смесей, не является

и органическими веществами смеси: химическая, физико-химиче­ ская и физико-механическая. Каждая форма связи характери­ зуется несколькими основными признаками [86].

Наиболее прочной связью воды с минералами является хими­ ческая связь, характеризуемая точными количественными соот­ ношениями; она нарушается лишь при нагреве минералов до высоких температур. Химическая связь воды с минералами воз­ никает в результате протекания химической реакции или при образовании кристаллогидратов.

Физико-химическая связь жидкости с коллоидными веще­ ствами в стадии ее установления аналогична растворению двух жидкостей с разными молекулярными весами. С точки зрения термодинамики процесс набухания коллоидного вещества (на­ пример, глины) в первой стадии аналогичен процессу образования твердого раствора; при этом происходит адсорбция молекул жидкости молекулами внешней и внутренней поверхностей мицелл коллоидного тела с выделением некоторого количества теп­ лоты.

Гидратационная вода, будучи адсорбционно связанной, обла­ дает свойствами, отличными от свойств обычной воды: не раство­ ряет электролиты и другие вещества, ее плотность значительно больше единицы, а температура замерзания ниже 0° С, кроме того, она обладает свойствами упругого твердого тела. Толщина адсорбированного слоя воды составляет несколько сотен моле­ кулярных диаметров; адсорбционные свойства воды ослабляются по мере удаления от поверхностного молекулярного слоя. Одно­ временно с выделением тепла адсорбция сопровождается также некоторым сжатием (контракцией) системы коллоидное тело— жидкость; объем набухшего тела меньше суммы объемов погло­ щенной жидкости и адсорбента.

Вторая стадия набухания коллоидных тел происходит без выделения тепла и сжатия системы. Вода, поглощенная во второй стадии, называется осмотической. Свойства этой воды не отли­ чаются от свойств обычной жидкости. Такими же свойствами обладает так называемая иммобилизованная жидкость, которая находится внутри ячеек при образовании коллоидного тела.

Физико-механическая связь обусловливается действием капил­ лярных сил и сил смачивания. Первые зависят от поверхностного натяжения жидкости и капиллярного давления, а вторые опре­ деляются в основном природой и состоянием поверхности кон­ тактирующих материалов. Соотношение между капиллярной и поверхностно-связанной водой не одинаково у глин различных месторождений и изменяется в пределах примерно 0,3—2,0 [1].

Мелкозернистые пески могут содержать 14—16% капилляр­ ной воды.

В некоторых случаях формовочные материалы (краски, пасты, разведенная глина огнеупорные покрытия при литье по выплав­ ляемым моделям и др.) могут содержать гравитационную (меха­ нически захватываемую) влагу, последняя может произвольно удаляться под действием силы тяжести. В обычных формовочных смесях гравитационная вода отсутствует.

Формовочные смеси содержат влагу, удерживаемую различ­ ными формами связи. Однако существующие методы контроля влажности не позволяют дифференцировать ее по формам связи. В подавляющем большинстве случаев под понятием «влажность» формовочной смеси подразумевают содержание в ней воды, удер­ живаемой физико-химической и физико-механической связями.

ПРЯМЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

Прямые методы контроля влажности формовочных смесей основаны на непосредственном разделении материала на сухое вещество и воду, например сушкой или химической реакцией.

Наиболее распространенным и простым методом является метод определения потери веса образца при его воздушно-тепло­ вой сушке. Образец необходимо выдерживать до достижения