Формовочные смеси для литья

Виды и состав смесей

К формовочным смесям для литья предъявляются следующие требования:

• механическая прочность;
• теплопроводность;
• газовая проницаемость;
• огнестойкость;
• теплоемкость.

Формовочные и стержневые смеси обладают одинаковыми свойствами. Но к стержням предъявляются более высокие требования, потому что на него расплавленный металл оказывает более сильное давление.

Состав различных смесей

Формовочные смеси делятся на три типа:

1. единые;
2. облицовочные;
3. наполнительные.

Единая смесь предназначается для наполнения всего объема литейной формы. В полном объеме используется при машинной формовке при выпуске отливок в большом количестве. Для ее приготовления используется большой объем еще неиспользовавшихся материалов.

Облицовочная смесь предназначена для получения слоя формы, контактирующего непосредственно с расплавом. Его толщина зависит от типа смеси и тяжести отливки и составляет 20-100 мм. Для того чтобы дополнить оставшийся объем используется наполнительная смесь.

Состав формовочной смеси напрямую зависит от формы и метода ее изготовления. Формирование песчано-глинистых форм происходит двумя способами, в результате которых получаются сухие и сырые формы. Для их податливости при формировании в смесь вводятся сгорающие наполнители – торф или древесные опилки. В состав подсушиваемых форм кроме глины и песка закладываются крепитель, измельченный асбест и барда.

Кроме них используются:

• быстро отверждающиеся;
• самостоятельно отверждающиеся;
• твердеющие при химическом преобразовании;
• жидкостекольные составы.

В быстро отверждающихся смесях связкой выступает жидкое стекло. Если для сушки жидкого стекла необходима теплая продувка, то в данном случае отвердение происходит за счет феррохромового шлака.

Классификация формовочных смесей

Самостоятельно отверждающиеся составы в первоначальном состоянии жидкие. Затем в них вводятся ПАВ и песочный наполнитель. Такой состав сохраняет текучесть не более 10 минут. Поэтому они приготавливаются на формовочных участках.

Химически отверждающиеся смеси имеют малый срок жизни. В следствие чего в смесь добавляется едкий натр.

Жидкостекольные разновидности после формирования подвергаются сушке продуванием углекислым газом. В процессе сушки протекают химические реакции: образование кремниевой кислоты и углекислого натрия.

Температура плавления цветных металлов значительно ниже, чем у сталей и чугунов. Из-за чего формовочные смеси имеют меньшую огнеупорность. Для литья бронзы и медных сплавов формовочные составы готовят при использовании глинистого песка П класса. Такие наполнители как борная кислота, серный цвет или фтористая присадка используются для литья алюминия. Они препятствуют активному окислению расплава.

Разновидности сплавов

Бронза включает в свою основу медь и легирующие добавки (бериллий, свинец, алюминий, кремний и олово). Во всех ее сплавах присутствуют и такие компоненты как цинк, фосфор и пр. Помимо бронзы современная промышленная индустрия занимается изготовление и иных сплавов из меди — константан, копель, нейзильбер, мельхиор, латунь и т. д.

Количество и тип легирующих компонентов в составе бронзового сплава определяет его химические и физические характеристики, а также расцветку материала.

Марки сплавов бронзы, температура плавления которых лежит в пределах от 930 до 1140 градусов Цельсия, имеют свою маркировку. По химическому составу сплавы на основе бронзы классифицируются на:

Сочетать олово с медью для получения бронзы люди научились очень давно. Олово делает материал крепче, а также уменьшает его температурные показатели плавления. Ярким примером данной разновидности сплава считается колокольная бронза. В ней содержится двадцать процентов олова и восемьдесят процентов меди. Однако изделия, сделанные на основе колокольной бронзы, характеризуются высокой хрупостью.

Читать также: Схема сварочного аппарата переменного тока

Бронзы безоловянного типа, как видно из названия, не имеют олова в составе. Такие сплавы сегодня выделены в отдельные категории бронз:

1. Бериллиевые — наиболее крепкие, многими характеристиками превосходят сталь;
2. Кремне-цинковые — обладают повышенной стойкостью к стиранию (преимуществом таких бронз данной группы считается и то, что будучи расплавленными они имеют высокую текучесть);
3. На основе алюминия и меди — отличаются высокой антикоррозийной защитой и прекрасными антифрикционными качествами.

В настоящее время наибольшее распространение имеют бронзы, в состав которых добавлено олово. Для целей маркировки материала независимо от состава применяется обозначение «Бр», после которого указаны используемые добавки и их содержание в материале. Для примера можно произвести расшифровку бронзы «БР ОЦСНЗ-7−4−2-. В этом оловянном сплаве содержится олово, цинк, свинец и никель. Цифры обозначают их процентное содержание в бронзе. Состав любой марки бронзы может содержать и иные элементы, имеющие следующие обозначения:

1. А — алюминиевые сплавы;
2. Б — сплавы на основе бериллия;
3. Ж — обыкновенное железо;
4. К — кремниевый элемент;
5. Мц — обычный марганец;
6. Ф — фосфор.

§ 1. Формовочные пески и глины

Формовочные пески – это осадочные горные породы, образовавшиеся в результате отложения минералов и выветривания осадков. Пески обычно носят название карьера, в котором их добывают, например, Люберецком, Гусаровском, Кичигинском и др. Добывают пески открытым способом. Если пески содержат примеси или имеют неоднородный зерновой состав, то в карьерах их обогащают, освобождая от посторонних примесей, а также разделяют на фракции по размерам зерен.

Основной составной частью таких песков являются зерна минерала кварца (SiO₂); температура плавления его 1713°С. Кроме зерен кварца песок содержит частицы полевых шпатов, слюды, окислов железа, глинистых и других минералов.

В зависимости от содержания глинистой составляющей пески делят на кварцевые и глинистые.

Кварцевыми называют пески, содержащие глинистых составляющих не более 2%. Пески, содержащие более 2% глинистых составляющих, называют глинистыми (табл. 1).

1. Классификация и состав (%) формовочных песков

Песок	Класс	Глинистая составляющая	SiO2	Вредные примеси
окислы щелочноземельных металлов	окислы железа
Обогащенный кварцевый	Об1К Об2К Об3К	0,2 0,5 1,1	98,5 98,0 97,5	0,4 0,75 1,0	0,2 0,4 0,6
Кварцевый	1К 2К 3К 4К	До 2	97 96 94 90	1,2 1,5 2,0 –	0,75 1,0 1,5 –
Тощий	Т	Св. 2 до 10	–	–	–
Полужирный	П	Св. 10 до 20	–	–	–
Жирный	Ж	Св. 20 до 30	–	–	–
Очень жирный	Ож	Св. 30 до 50	–	–	–

Зерновой состав формовочных песков (табл. 2) определяют по навеске 50 г сухого песка, от которого отделена глинистая составляющая. Навеску сухого песка просеивают через набор калиброванных сит с точными размерами ячеек. Песок, оставшийся в наибольшем количестве на трех смежных ситах, называют основной зерновой фракцией.

2. Классификация песков на группы по величине зерен основной фракции

Песок	Группа	Номера сит, на которых остаются зерна основной фракции
Грубый	063	1; 063; 04
Очень крупный	04	063; 04; 0315
Крупный	0315	04; 0315; 02
Средний	02	0315; 02; 016
Мелкий	016	02; 016; 01
Очень мелкий	01	016; 01; 0063
Тонкий	0063	01; 0063; 005
Пылевидный	005	0063; 005; тазик

При выборе песков следует учитывать характер изготовляемых отливок. Для крупных отливок применяют более крупный песок, который придает смеси повышенную огнеупорность и газопроницаемость. Для мелких отливок используют мелкозернистый песок, обеспечивающий получение более чистой поверхности.

Пески делят на две категории А и Б. К категории А относят пески с большим остатком основной фракции песка на крайнем верхнем сите из трех смежных, к категории Б – пески с большим остатком на крайнем нижнем сите.

При маркировке песка на первом месте ставят обозначения класса, на втором – группы, на третьем – категории. Например, кварцевый песок средней зернистости обозначается 1К02А, 2К02А или 1К02Б, 2К02Б; тощие пески обозначают Т0315А, полужирные и очень жирные пески П025, ОЖ01.

Для улучшения качества поверхности отливки применяют в некоторых случаях формовочные материалы с более повышенной, чем у кварцевых песков, огнеупорностью и высокой химической стойкостью.

К ним относят:

оливины, имеющие формулу химического соединения (Mg, Fe)₂[SiO₄]. Температура плавления оливиновых песков около 1800°С. Их применяют как составную часть облицовочной смеси для форм крупных стальных и чугунных отливок;

хромистый железняк-минерал, имеющий химический состав, соответствующий формуле Fe Cr₂O₄. Температура его плавления зависит от количества примесей в основном веществе, но выше температуры плавления кварца. Хромистый железняк в виде зерен размером 1 – 1,5 мм применяют в облицовочных смесях для форм крупных стальных отливок;

циркон ZrSiO₄, имеющий высокую температуру плавления (2450°С) и большую, чем у кварца, теплопроводность. Измельченный циркон применяют для приготовления формовочных и стержневых смесей, красок и паст;

шамот (mAl₂O₃*nSiO₂), представляющий собой огнеупорную глину, обожженную до потери пластичности. Шамот используют в смесях для изготовления сухих литейных форм средних и крупных стальных отливок.

Общая характеристика металла

Бронза представляет собой сплав, в состав которого может входит олово, медь и другие компоненты. К сторонним примесям относится цинк, алюминий, бериллий, свинец, никель или кремний. Если говорить о составе, бронзу можно разделить на две группы:

• Оловянные сплавы. Материал может состоять из двух и нескольких компонентов. Олово относится ко второму по процентному содержанию компоненту сплава.
• Безоловянные сплавы. В состав могут входить алюминий, свинец, кремний, свинец или бериллий. Эти компоненты изменяют характеристики сплава.

К характеристикам бронзового сплава относятся:

• Плотность. Этот показатель зависит от содержания олова в составе. Среднее число 9,1 кг/куб. см.
• Температура при которой плавится металл. Изменяется в зависимости от компонентов состава. Диапазон 880–1060 градусов по Цельсию.
• Теплоемкость — 0,385 кДж / (кг*К).
• Электропроводность — 0,176 мкОм*м.

При желании изменить какую-либо из характеристик сплава в его состав добавляется определённое количество сторонних примесей.

Литье алюминия и литье бронзы

Алюминиевое литье — процесс получения алюминиевых изделий способом заливки (литья) расплавленного металла в специальную форму. Такая форма получила название «литейной формы».

Рабочая часть литейной формы представляет собой полость, в которой жидкий металл охлаждается и затвердевает, получая вид конечного изделия. Алюминий обладает важным для литья свойством — жидкотекучестью, то есть способностью принять конфигурацию литейной формы.

Жидкотекучесть зависит от свойств металла: химического состава и структуры. Известно, что хорошими литейными свойствами обладает не чистый металл, а его сплавы.

Известно множество видов литья алюминиевых сплавов, наиболее широкое применение получили:

• литье в землю;
• литье в формы ХТС (литье в песок);
• литье в свободную металлическую форму (кокиль);
• литье под давлением;
• центробежное литье.

Литье в формы ХТС (формы на основе холодно твердеющей смеси) — относительно простой и технологичный способ изготовления отливок. Он позволяет изготавливать отливки со сложной плоскостью разъема формы и поднутрениями на поверхности. Поверхность получается с хорошим качеством, практически не требует дальнейшей обработки. Высокая точность позволяет давать минимальные припуски на механическую обработку, а многие поверхности получать сразу без обработки.

Литье в землю и литье ХТС

Ближайшая альтернатива литья в песчаные формы — литье алюминия в землю с очень низкой ценой за килограмм отливки. Многие заводы успешно применяют эту технологию. Она подходит для грубых заготовок, которые затем полностью обрабатываются (или когда качество не имеет значения).

Обработка при литье в землю стоит дорого: припуски даются не менее 5мм (бывает до 40мм), обрабатываются практически все поверхности детали. Внедренная в металл смесь портит инструмент, в ходе обработки часто вскрываются поры и раковины.

Иногда наполовину обработанную деталь приходится заваривать прямо на станке или отправлять в брак из-за вскрывшихся дефектов.

Литье в формы на основе ХТС позволяет получать точные и качественные поверхности. Часть поверхностей можно оставлять без обработки (если точности ЛТ4 и шероховатости от Rz80 достаточно). Там, где обработка необходима, припуски могут достигать 1-3 мм.

Чем меньше в отливке «лишнего» металла, тем более технологичной она оказывается. Более легкая и тонкая отливка получается плотнее, поэтому вероятность вскрытия раковин и пор в ходе обработки ниже на порядок.

Меньшая масса отливки позволяет устанавливать стоимость отливки близкой к стоимости литья в землю, хотя стоимость за килограмм литья будет разной.

Итоговая стоимость литой детали оказывается сопоставима, несмотря на то, что цена за кг при литье в формы ХТС выше, чем при литье в землю. А если учесть существенное снижение количества брака, сокращение часов на обработку детали и увеличение ресурса инструмента, для многих литых деталей этот вид литья оказывается выгоднее.