Формовочные и стержневые смеси

Формовочные смеси служат для изготовления формы, а стержневые – стержней. Они должны обладать хорошими огнеупорностью, пластичностью, прочностью, текучестью, газопроницаемостью, податливостью и непригораемостью.

Огнеупорность – способность смеси, не размягчаясь, выдерживать высокие температуры заливаемого в форму жидкого металла. От огнеупорности зависит чистота поверхности отливки.

Прочность – способность уплотненной смеси сохранять форму без разрушения при транспортировке готовой формы и заливке её металлом.

Пластичность – способность смеси давать чёткий отпечаток модели (при изготовлении формы) или стержневого ящика (при изготовлении стержня).

Газопроницаемость – способность формовочной и особенно стержневой смеси пропускать через стенки формы и стержень выделяющиеся газы из охлаждающегося металла. При недостаточной газопроницаемости возможно образование газовых раковин в отливке.

Непригораемость – способность смеси не образовывать пригар (образование трудноотделяемого слоя на поверхности отливки, вследствие физико-химических взаимодействий формовочных материалов с металлом и его оксидами) песка на поверхности отливки, затрудняющий её механическую обработку.

Податливость – способность смеси не препятствовать линейной усадке закристаллизовавшегося металла отливки. Охлаждение затвердевшего металла сопровождается уменьшением размеров отливки, в результате металл прочно сжимает стержень и выступающие части формы. Это вызывает напряжение в отливке, а так как усадка происходит при высокой температуре, когда металл еще недостаточно прочен, то при плохой податливости смеси могут образоваться трещины в металле.

Формовочные и стержневые смеси должны быть также негигроскопичными, долговечными, и дешёвыми.

Формовочные и стержневые смеси приготавливают смешением различных исходных материалов, которые делятся на основные (наполнитель и связующее) и вспомогательные. К вспомогательным материалам относятся противопригарные добавки, покрытия, припылы, а также добавки для увеличения газопроницаемости (торф, опилки).

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяет формовочная смесь из кварцевого песка (наполнитель) и глина (связующее). Чем выше содержание глины, тем выше огнеупорность, выше прочность и выше пластичность, но ниже газопроницаемость и ниже податливость формы. Поэтому в смеси содержание глины не превышает 8…12 % по объему, а остальное – песок. Причем при получении крупного литья применяют крупнозернистый песок, так как он обеспечивает высокую газопроницаемость, вместе с тем он дает шероховатую поверхность отливки и высокий пригар песка, так как жидкий металл проникает в поры между зернами и охватывает их. Для мелких отливок используют мелкий песок, так как он дает гладкую поверхность отливки, но при этом значительно понижается газопроницаемость смеси.

Стержни работают в более тяжёлых условиях, чем формы, так как они окружены металлом со всех сторон (за исключением знаковых частей). Поэтому стержневая смесь должна обладать более высокими прочностью, податливостью, газопроницаемостью, противопригарностью и легко выбиваться из отливки. Глина как связующая добавка в стержневой смеси применяется только для крупных стержней простой формы. Для тонких и сложных стержней в стержневые смеси вводят жидкое стекло, синтетические смолы, естественные смолы (пек, сланцевую смолу, канифоль), декстрин, олифу, патоку и др. Для повышения газопроницаемости и податливости вводят до 2…3 % торфа или древесных опилок, которые в процессе сушки стержня выгорают, образуя поры.

В формовочную смесь добавляют противопригарные добавки: каменный уголь для чугунных отливок, мазут для бронз. Для этой же цели формы и стержни покрывают красками и припылами. Противопригарные краски содержат маршалит, магнезит, циркон. В качестве припыла применяют порошковый графит, молотый древесный уголь и др.

Формовочные смеси по способу применения подразделяются на следующие виды:

а) Облицовочные. Применяются при ручной формовки для образования рабочей поверхности литейной формы, контактирующей с жидким металлом. При формовке облицовочные смеси наносят на модель слоем 15…20 мм толщиной. Они обладает высокими прочностью и огнеупорностью, приготовляются из свежих песка и глины с добавкой противопригарных материалов.

б) Наполнительные (оборотные). Это более дешёвые смеси. Наполнительную смесь насыпают поверх облицовочной, заполняя остальную часть литейной формы. Приготавливают наполнительную смесь из оборотной, переработанной после выбивки опок смеси с добавкой 5…10 % свежих песка и глины.

в) Единые. Применяются в массовом производстве при машинной формовке для набивки всего объёма литейной формы. Готовят из оборотной смеси с добавкой до 50 % свежих песка и глины.

По состоянию формы перед заливкой металла различают смеси для приготовления сырых, подсушенных, сухих, химически твёрдых, самотвердеющих форм:

а) Сырые формы – наиболее экономичные, приготавливают из большого количества оборотной смеси. Применяются для неответственных отливок из чугуна, сталей и цветных сплавов массой до 3000 кг. Сырые формы не подвергаются перед заливкой сушке с целью упрочнения.

б) Подсушенные (полусухие) формы изготавливают с применением облицовочной смеси, содержащей 2…4% быстродействующих связующих (крепителей). Применяются для получения ответственных отливок из чугуна и стали с поверхностями большой протяжённости (станины, столы станков и др.). Подсушенные формы дополнительно упрочняются сушкой на определённую глубину.

в) Сухие формы изготавливают из смесей с повышенным содержанием глины и меньшим количеством оборотной смеси, т. е. более прочных и менее газопроницаемых и податливых. Чтобы облегчить выход газов и повысить податливость, в смеси для сухих форм вводят выгорающие при сушке добавки (опилки, торф). Применяются только для ответственных и крупных (более 1000 кг) отливок из различных сплавов. Сухие формы подвергаются с целью упрочнения сушке, при которой происходит удаление влаги.

г) Химически твердеющие формы (и стержни) применяются в единичном и мелкосерийном производстве средних и крупных отливок. Изготавливаются из смесей, содержащих натриевое (Na₂O·nSiO₂) или калиевое (К₂O·nSiO₂) жидкое стекло, которое быстро твердеет при 5-минутной продувке углекислым газом, при этом происходит следующая реакция:

,

При этом соединение кремнезёма с водой выпадает в виде студенистой массы (золя). Высыхая, золь твердеет в результате потери влаги и переходит в гель, цементируя смесь. Такие смеси повышают производительность при формовке в 3 – 5 раз, сокращают продолжительность сушки в 10 – 30 раз и экономят топливо, необходимое для сушки.

д) Самотвердеющие формы и стержни изготавливают из жидких самотвердеющих смесей (ЖСС). Опоки и стержневые ящики заливают смесью, в которую вводят пенообразующие поверхностно-активные вещества, переводящие смесь в жидкотекучее состояние. Способность смеси к самозатвердеванию исключает тепловую сушку стержня. Высокая текучесть смеси позволяет заливать её в ящик и получать стержень без уплотнения. Смесь состоит из кварцевого песка, жидкого стекла и пеноообразователя, придающего ей текучесть, и отвердителей, переводящих ЖСС в твердое состояние. Из смесителей смесь заливают непосредственно в опоки и стержневые ящики. После выдержки в течение 20…30 мин. смесь затвердевает, стержень извлекают из ящика, отделывают, окрашивают и подают на сборку. ЖСС дают возможность механизировать и автоматизировать формовку не только в массовом, но и в индивидуальном производстве, повысить точность отливок, соединить смесеприготовительное, формовочное и стержневое отделение в одно отделение; улучшить условия труда, избавив литейный цех от шума, пыли и вибрации.

Приготовление формовочных и стержневых смесей начинают с сушки кварцевого песка, просеивания его и распределения по бункерам над смесителями (бегунами). Глину и каменный уголь дробят, сушат и затем тонко измельчают. Отработанную смесь регенерируют: спёкшиеся куски дробят и пропускают через магнитный сепаратор для отделения металлических включений. Затем исходные компоненты смешивают в бегунах. Увлажнённая формовочная смесь ленточным транспортёром направляется в бункер-отстойник для выдержки в течение 3…4 ч, чтобы влажность выровнялась по всему объёму. Окончательно готовую формовочную и стержневую смеси транспортёром подают к месту формовки.