Свойства формовочных смесей

Свойства формовочных смесей, определяемые их назначением, зависят от различных факторов, которые перечислены ниже в порядке их значимости.

1. Природа глинистых минералов и количество глинистой составляющей.

2. Состав зерновой песчаной основы, т. е. кварц, обожженная глина и др.

3. Количество, гранулярный состав и форма песчаных зерен.

4. Влажность.

5. Состав и количество обменных ионов и растворимых солей.

6. Различные примеси, например лимонит и органическое вещество.

В настоящем разделе мы рассмотрим, как состав глинистых минералов и обменные ионы влияют на свойства формовочных смесей и как меняется это влияние в зависимости от влажности глин. Кроме того, будет рассмотрена связующая роль глин в формовочных смесях. Влияние особенностей и состава формовочных смесей на их свойства рассматривается в многочисленных работах, собранных в трудах Американского общества литейщиков (Transactions of the American Foundrymen’s Society, AFS) и в выпусках журнала Института железа и стали (Journal of the Iron and Steel Institute, Англия).

Определения перечисленных свойств обычно вполне характеризуют и качества формовочных смесей. Однако ни одно из этих свойств само по себе не определяет действительное качество смеси, и, чтобы убедиться в том, что данные формовочные смеси дают отливки удовлетворительного качества, необходимы технологические испытания. Кроме того, требования, предъявляемые к формовочным смесям, различаются в зависимости от типа металла, размера отливок, и обычно они различны на каждом отдельном предприятии и определяются сложившейся практикой.

В выпуске «Испытания и оценка формовочных песков и глин» («Testing and Grading Foundry Sands and Clays»; шестое издание, опубликованное AFS в 1952 г.) приведены стандартные методики технологических испытаний формовочных материалов. Читатель, желающий ознакомиться с методикой испытания формовочных смесей, может обратиться к этому выпуску. Результаты исследований, приведенные ниже, получены именно по этим методикам; исключение составляют некоторые особо оговоренные случаи.

Сопротивление сжатию во влажном состоянии — сила, необходимая для разрушения испытуемого образца определенного размера, увлажненного и уплотненного трамбованием. Сопротивление сжатию определяется на серии проб, различающихся только содержанием воды. Количество воды рассчитывается на основании общего веса увлажненного материала. Результаты испытания изображаются в виде кривой на диаграмме, на которой показаны величина сопротивления сжатию и влажность проб (фиг. 4-2—4-7). При добавке воды к сухой смеси сопротивление сжатию сначала возрастает, достигая максимального значения, а затем уменьшается. Оптимальные свойства формовочной смеси определяются точкой на кривой, расположенной около точки максимального значения сопротивления сжатию со стороны более высокой влажности. Материал, характеризующийся максимальным сопротивлением сжатию, обычно рыхлый и недостаточно пластичный, чтобы его можно было использовать в формовочных целях. Лучшими качествами обладают те материалы, кривые которых не имеют резко выраженного максимума, почему их влагосодержание почти не влияет на прочностные свойства. Такие материалы обладают большей потенциальной прочностью.

Ориентировочно требования к величине сопротивления сжатию следующие: смеси, применяемые в сталелитейном производстве, характеризуются сопротивлением сжатию 2,5—11,5 фунт/кв. дюйм в зависимости от конкретных условий. Обычно применяются пески с сопротивлением сжатию 5—7,5 фунт/кв. дюйм.

Объемный вес — вес единицы объема влажной смеси, уплотненной трамбованием. Объемный вес меняется в зависимости от общего содержания воды, и результаты испытаний обычно выражаются в виде кривой на диаграмме, где по одной оси откладываются объемные веса, а по другой — содержание воды. По мере добавления воды к сухому песку его объемный вес несколько увеличивается, затем снижается до определенного минимального значения, после чего вновь увеличивается (фиг.4-1). Песок с минимальным объемным весом содержит больше воды, чем это необходимо для максимального сопротивления сжатию. Однако, как будет показано ниже, различие в содержаниях воды для одних глинистых минералов невелико, а для других значительно.

По мнению Дитерта и Волтьера, формовочные материалы имеют оптимальные свойства при минимальном объемном весе, а Гофман отмечал, что это состояние формовочных материалов почти совпадает с их минимальным объемным весом. Вероятно, это совпадение для одних глинистых минералов ближе, чем для других. На практике обычно применяют смеси с несколько большим содержанием воды, чем то, при котором они имеют минимальный объемный вес.

Сопротивление сжатию в высушенном состоянии — сжимающая сила, необходимая для разрушения уплотненного образца, высушенного в печи до удаления всей влаги и охлажденного в эксикаторе. И в этом случае сопротивление сжатию изменяется в зависимости от исходной влажности образца, а результаты испытаний изображаются в виде кривых на диаграмме, где показаны сопротивление сжатию в высушенном состоянии и содержание воды (фиг. 4-15—4-19). Обычно прочность на сжатие возрастает с увеличением влажности вплоть до некоторой максимальной величины, которая сохраняется при дальнейшем значительном увеличении влажности, а затем понижается. Максимальным сопротивлением сжатию в высушенном состоянии часто обладают смеси, имеющие почти минимальный объемный вес, хотя иногда содержание воды может быть большим.

В сталелитейном производстве обычно применяются смеси, сопротивление сжатию которых в высушенном состоянии составляет 75—100 фунт/кв. дюйм. При разливке других металлов допустимы меньшие величины прочности.

Сопротивление сжатию образцов в высушенном состоянии больше, чем во влажном. Если формовочные смеси сушатся в печи, то влага удаляется быстро и смеси характеризуются большим сопротивлением сжатию, чем в том случае, когда они длительно высушиваются на воздухе. Для масс с монтмориллонитом и иллитом наблюдается постепенное увеличение величины сопротивления сжатию по мере потери влаги. Если связующая добавка представлена каолинитом и галлуазитом, то наибольшая величина сопротивления сжатию возникает после небольшой потери влаги, т. е. в воздушносухом состоянии. При дальнейшей потере влаги прочность сначала несколько уменьшается, а затем может вновь увеличиться. Иногда дальнейшего увеличения прочности нет и сопротивление сжатию смеси в воздушносухом состоянии будет больше сопротивления сжатию высушенной смеси, установленного стандартным методом.

Поскольку прочность формовочных смесей в высушенном состоянии зависит от способа и скорости сушки, то результаты эмпирических испытаний могут не соответствовать тем, которые получаются в производстве. Сушка крупных форм вряд ли аналогична сушке, изучаемой в лабораторных условиях. Прочности высушенных формовочных смесей, связанных глинами разного состава, будут различными, поэтому в производстве этими результатами следует пользоваться с большой осторожностью.

Прочность при высоких температурах — это сопротивление сжатию уплотненной пробы при высокой температуре; оно определяется в печи при заданной температуре (фиг. 4-26 и 4-27). Прочность при высоких температурах изменяется в зависимости от содержания влаги в исходной пробе, однако в деталях эти колебания для различных типов глинистых минералов неизвестны. Дейвис и Рис показали, что прочность при высоких температурах часто больше у образцов с рабочей влажностью, чем у менее влажных образцов. Как правило, приводятся величины сопротивления сжатию при высоких температурах для образцов, близких к рабочей влажности. Обычно сопротивление сжатию пробы после ее охлаждения намного меньше величины сопротивления сжатию, определенной при высоких температурах.

Текучесть или формуемость — свойство формовочных смесей, которое позволяет им течь и заполнять полости опоки при минимальном трамбовании или уплотнении. Формуемость определяется по методике AFS на трамбовке со шкалой Эймса, приспособленной таким образом, что изменение длины образца смеси можно регистрировать во время удара трамбовкой. Считают, что смесь обладает хорошей формуемостью, если она принимает форму стандартного образца после нескольких ударов трамбовкой и если после дополнительных ударов эта форма изменяется незначительно. Формуемость оценивается по изменению длины образца после пятого удара трамбовкой. Если при этом не происходит никакого изменения длины образца, то смесь обладает 100%-ной формуемостью, а изменение длины образца на 0,1 дюйма означает, что формуемость равна 0. В производстве применяют смеси, формуемость которых оценивается в 65—90%.

Газопроницаемость определяется на образцах во влажном или сухом состоянии. Большое влияние на газопроницаемость оказывает гранулярный состав кварцевого песка. Разновидность и количество глинистой составляющей не оказывают существенного влияния на величину газопроницаемости, а следовательно, нет необходимости подробно рассматривать это свойство формовочных смесей. Кроме того, в литейном производстве могут применяться смеси с довольно низкой газопроницаемостью, так что это свойство часто не учитывается при оценке качества формовочных песков.

Бриггс и Мори показали, что газопроницаемость обычно возрастает с увеличением влажности и достигает максимального значения в смесях с минимальным объемным весом. При дальнейшем увеличении влажности газопроницаемость уменьшается. Увеличение содержания глинистой составляющей до 6% приводит к уменьшению газопроницаемости. При дальнейшем увеличении содержания глины примерно до 10% газопроницаемость остается почти на одном уровне. Газопроницаемость влажных и высушенных образцов примерно в одинаковой степени зависит от исходной влажности, за исключением того что максимальная газопроницаемость высушенных смесей отмечается при несколько большей исходной влажности, чем максимальная газопроницаемость влажных.

Долговечность зависит от прочности формовочных смесей после их использования. Она может определяться как прочность смеси после повторного использования без добавки глины. Недавно Гофман предложил метод определения долговечности формовочной смеси, согласно которому формовочная смесь прокаливается последовательно при все более высоких температурах и после каждого прокаливания устанавливается его сопротивление сжатию при рабочей влажности; в результате такого прокаливания определяется температура, при которой происходит полная потеря прочности формовочной смеси.

Продолжительность срока службы формовочных смесей трудно оценить в лабораторных условиях. Когда металл разливается в формы, в них создаются очень большие градиенты температуры, так что глинистая составляющая прокаливается при температурах, величина которых зависит от размера отливок, температуры литья и др. Такие условия трудно воспроизвести в лаборатории. Более надежно продолжительность срока службы формовочных смесей определяется по тем структурным изменениям глинистой составляющей, которые происходят при высоких температурах, что и будет рассмотрено ниже.

Поверхностные свойства форм определяют качество поверхности металлических отливок. Чем глаже получается поверхность и чем меньше пригара песка образуется на отливках, тем легче и дешевле очистить и обработать отливку. Характер поверхности отливок частично зависит от свойств глинистой составляющей формовочных смесей. Однако строение поверхности отливок можно улучшить добавкой угля и других органических веществ и применением специальных высокоогнеупорных облицовочных покрытий (противопригарные пасты и краски).

Для оценки качества глин, применяемых в формовочных смесях, проводят ряд технологических испытаний. Однако в этой книге рассматриваются только те испытания, которые необходимы для объяснения различий важнейших свойств разных типов глин и для понимания связующей роли глин в формовочных смесях.

Следует постоянно помнить о том, что определение свойств глин служит только для сравнения глин различного состава и для того, чтобы показать, что данная глина, вероятно, обладает удовлетворительными свойствами для применения ее в качестве компонента формовочных смесей. Необходимо проводить испытания глины в заводских условиях для полной уверенности в том, что отливки, изготовленные с применением данных смесей, будут свободны от дефектов. Ряд дефектов отливок вызывается не только составом глин, но и другими факторами, например слишком высокой влажностью и неподходящим уплотнением; однако дефекты в отливках зависят в значительной степени от состава глинистой составляющей формовочных смесей. Так, например, если прочность смесей резко меняется в зависимости от влажности, то трудно сохранить на должном уровне содержание воды. Смеси, связанные некоторыми глинами, менее склонны к образованию поверхностных дефектов отливок. Так, смеси, связанные иллитовыми глинами, по-видимому, почти не дают ситовидной пористости на отливках из ковкого чугуна.