Общие сведения и требования металлургической промышленности к качеству формовочных песков

09.06.2018
Одним из широко распространенных приемов обработки металлов является литье, т. е. получение металлических изделий или их заготовок путем расплавления металла и заливки его в специально изготовленные формы. Каждый металл обладает определенной температурой плавления, текучестью в жидком состоянии, величиной усадки и другими свойствами. От этих свойств зависит выбор формовочных материалов. Особенно важна температура жидкого металла, при которой он поступает в форму. Эта температура колеблется для сталей от 1420 до 1520° С, чугунов — от 1150 до 1250° С, бронз — от 1000 до 1150° С, латуней — от 900 до 950° С, алюминиевых и магниевых сплавов — от 600 до 650° С. Температура заливки металла в форму обычно выше температуры его плавления примерно на 100°. Отливки изготавливаются различной массы, с разной толщиной стенок. Вследствие разнообразия свойств металла и изготовляемых из него отливок для формовки применяют различные материалы. Эти материалы должны обладать рядом специфических свойств, основными из которых являются огнеупорность, газопроницаемость, формуемость, прочность, непригораемость и долговечность.

Огнеупорностью называется способность материала или смеси выдерживать нагревание до определенной температуры без размягчения. Она зависит от его минерального и химического состава и обозначается температурой (°C), при которой достигается определенная степень размягчения стандартного образца испытуемого материала.

Газопроницаемость — способность материала пропускать газы, выделяющиеся при отливке из расплавленного металла и влажной формы. Газопроницаемость зависит главным образом от величины и формы зерен материала, степени его однородности и количества содержащихся в нем мелких частиц.

Формуемость — способность материала или смеси при минимальном усилии заполнять форму и более или менее равномерно уплотняться в разных частях ее. Формуемость зависит от формы и размера зерен, минерального их состава, влажности и степени дисперсности.

Прочность — способность материала сопротивляться разрушающим усилиям. Различают прочность в сыром и в сухом состояниях. Прочность зависит главным образом от связующей способности материала или формовочной смеси. Некоторое значение имеет форма частиц.

Hепригораемость — свойство формы обеспечивать получение отливок без пригара, т. е. отливок, не имеющих на своей поверхности неметаллической корки, образующейся за счет приставания некоторого количества материала формы к металлу. Непригораемость обусловливается отсутствием в формовочной смеси большого количества крупных частиц, а также достаточной химической стойкостью и огнеупорностью формовочных материалов.

Долговечность — способность формовочной смеси сохранять рабочие свойства для многократного использования. Определяется она стойкостью формовочных материалов. Всеми приведенными свойствами не обладает ни один вид природного минерального сырья, используемого в литейном деле. Вследствие этого для приготовления форм используют смеси различных пород, в зависимости от вида металла и рода отливки.

Формовочные смеси для стального литья, которые должны обладать высокой огнеупорностью, газопроницаемостью и непригораемостью, изготовляют только из кварцевых песков и глин с высокой термической устойчивостью. Поскольку чугун разливается при меньшей температуре, чем сталь, смеси для чугунного литья могут состоять из полевошпатово-кварцевых песков и из глин умеренной термохимической устойчивости.

Медные сплавы обладают большой текучестью в расплавленном состоянии. Поэтому для получения гладкой поверхности отливок применяют более мелкозернистые пески, чем при стальном или чугунном литье.

Алюминиевые сплавы заливают в форму при сравнительно невысоких температурах, поэтому огнеупорность материалов здесь играет второстепенную роль. Низкая температура заливаемого металла позволяет использовать формовочные материалы с пониженной газопроницаемостью.

Кроме литейных форм для отливки металла необходимой формы требуются стержни. Условия службы их значительно тяжелее, чем форм. Поэтому стержневые смеси должны обладать более высокими показателями, чем формовочные. Для изготовления стержней, используемых при стальном литье, применяется только высококачественный кварцевый песок, а для чугунного и цветного литья — полевошпатово-кварцевые пески, но с добавлением прочносвязующей глины.

Несмотря на разнообразие материалов, применяемых для производства формовочных и стержневых смесей, главную роль среди них играет песок.

Формовочные пески с точки зрения литейного дела представляют собой мелкообломочные несцементированные горные породы, обладающие свойствами, позволяющими изготавливать из них формовочные смеси, обеспечивающие получение доброкачественных отливок.

Согласно действующему ГОСТ 2138-74 формовочные пески должны состоять из зерен кварца с глинистой составляющей не более 50%, к которой относятся частицы размером менее 0,022 мм.

В зависимости от содержания глинистой составляющей и кремнезема природные формовочные пески разделяются на кварцевые, тощие, полужирные, жирные и очень жирные. Требования ГОСТ к ним, а также к пескам, получаемым в процессе обогащения природных, приведены в табл. 23.

Классификация песков по размеру зерен, их слагающих, производится по сумме остатков на трех смежных ситах. Этот остаток называется основной фракцией. Группа песка обозначается номером среднего сита основной фракции. Разделение песков по их групповому составу приведено в табл. 24.

В зависимости от величины остатка основной фракции на крайних ситах формовочные пески делятся на две категории: А и Б.

К категории А относятся пески с остатком на крайнем верхнем сите основной фракции большим, чем на крайнем нижнем сите, а к категории Б — пески с остатком на крайнем нижнем сите большим, чем на крайнем верхнем.

В необогащенных песках по характеру распределения зерен выделяются формовочные пески с сосредоточенной и рассредоточенной зерновой структурой. К пескам с сосредоточенной структурой относятся такие пески, у которых преобладающая масса зерен (не менее 70%) остается на трех смежных ситах. К пескам с рассредоточенной структурой относятся пески, у которых преобладающая масса зерен на трех ситах составляет не менее 60%. Кварцевые пески с рассредоточенной зерновой структурой делятся на крупные (KPK), средние (KPC), мелкие (KPM) и с общей рассредоточенностью (KPO).

По сочетанию класса, группы и категории формовочных песков определяется их марка. Действующим ГОСТ установлено 75 марок формовочных песков. Требования к качеству песков отдельных марок регламентируются этим же стандартом.

ГОСТ нормируется зерновой остаток на трех смежных ситах, остаток на верхнем и нижнем ситах, для кварцевых и тощих песков — газопроницаемость песка при оптимальной его влажности, а для полужирных, жирных и очень жирных песков — предел прочности при сжатии во влажном состоянии. Количественные значения указанных параметров для разных марок формовочных песков изменяются в очень широких пределах, что обусловливает необходимость при оценке качества формовочных песков строго руководствоваться требованиями стандарта.