Связующие материалы

В процессе развития литейного производства сформировалось до­вольно большое количество разновидностей технологических процес­сов, каждый из которых имеет свои специфические особенности, опре­деляющие экономическую целесообразность.

При изготовлении литейной формы важнейшую роль играет свя­зующее, которое определяет основные технологические свойства формовочной смеси.

Обобщенную классификацию связующих можно представить в виде табл. 3.3.

К классу А относятся органические связующие, не смачиваемые водой, к классу Б — органические связующие, растворяемые или смачиваемые водой, к классу В — неорганические связующие, раство­ряемые и смачиваемые водой.

Органические связующие (классы А и Б) при высоких температурах сравнительно легко разлагаются и обеспечивают хоро­шую податливость и выбиваемость.

Неорганические связующие (класс В) хорошо выдерживают воздействие высоких температур, но имеют низкую податливость и выбиваемость.

Многие свойства формовочных смесей определяются соотношением сил адгезии и когезии связующих материалов.

Адгезия — это слипание поверхностей двух разнородных или жидких тел под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия. Она определяет, например, прочность сцепления пленки связующего мате­риала с огнеупорным зерном.

Когезия — процесс межмолекулярного взаимодействия внутри одного тела. Силы когезии определяют, например, прочность пленки связующего материала или прочность огнеупорного зерна.

В зависимости от соотношения напряжений, создаваемых силами когезии и адгезии, разрыв двух зерен песка, связанных между собой пленкой связующего (рис. 3.3, а) может носить различный характер:

1) при а_ког > а_адг происходит адгезионный разрыв (рис. 3.3, б);

2) при ст_адг > а,._ог имеет место когезионный разрыв на пленке связующего (рис. 3.3, в);

3) при а_1ДГ «а_мг наблюдается смешанный разрыв (рис. 3.3, г);

4) при а,_дг + a_lor > ст_{ког зерн}, отмечается когезионный разрыв по зерну (рис. 3.3, д).

В реальных условиях чисто когезионный разрыв по пленке связую­щего практически не происходит. Для большинства связующих мате­риалов наиболее характерен адгезионный разрыв. Исключение состав­ляют жидкостеколъные смеси, в которых из-за значительных сил адгезии связующего к поверхности зерен песка имеет место смешанный разрыв или когезионный разрыв по зерну.

3.2.1. ГЛИНЫ

Формовочные глины являются горными породами, которые состоят из тонкодисперсных частиц водных алюмосиликатов, облада­ющих высокой связующей способностью и термохимической устойчи­востью, а также пластичностью после увлажнения.

В состав формовочных глин входят минералы группы каолинита, монтмориллонита (бентонита) и гидрослюд.

Каолинит А1₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О имеет твердость 2 по шкале Мооса, плотность 2,6 г/см³, температуру плавления 1750 °С. Кристаллы каолинита представляют собой двухслойные пакеты с размером в по­перечнике 2—4 мкм. В сухом состоянии каолинит поглощает влагу, образуя пластичное тесто. При нагреве претерпевает следующие пре­вращения: в интервале температур 100—400° С удаляется поверхност­но-связанная влага, при 550—690 ° С — химически связанная влага, при 9ОО—1050 ° С полностью разрушается кристаллическая решетка каоли­нита и он превращается в аморфные глинозем и кремнезем, при 1200—1280 "С образуется новый минерал — муллит (ЗА1₂О₃ • 2SiO₂).

Монтмориллонит (бентонит) А1₂Оз • 4SO₂ • Н₂О • пН₂О имеет температуру плавления 1250—1300°С. Плотность 1,0—2,0 г/см³. Кристаллы монтмориллонита представляют собой трехслойные пакеты с размером в поперечнике 0,2—1,0 мкм. При нагреве до 100—200° С удаляется поверхностно-связанная влага, при 500—700"С — хими­чески-связанная влага, что сопровождается необратимой дигидратацией минерала, при 700—900 ° С кристаллическая решетка разрушается и ми­нерал превращается в аморфные вещества. Отличительной особен­ностью монтмориллонита является высокая интенсивность набухания при увлажнении. При набухании промежутки между отдельными па­кетами значительно расширяются, содержание поверхностно-связан­ной воды при этом увеличивается с 6 до 30% и более.

Гидрослюды являются промежуточным продуктом разложения слюды в каолин.

Кроме упомянутых выше минералов в формовочных глинах присут­ствуют кварц, полевой шпат, гидриды или оксигидриды железа.

Глинистые минералы слагаются из октаэдрических и тетраэдриче-ских образований в виде пластинок толщиной 5 • 10" ⁷ мм.

Октаэдрическая решетка состоит из атомов кислорода и гидро-ксилов (рис. 3.4), внутри нее расположен атом алюминия. Тетраэдрическая решетка состоит из ато­мов кислорода, а внутри нее расположен атом кремния.

Кристаллическая решетка каолинита состоит из двух слоев — алю-могидроксильного и кремне-кислородного, образующих пакет. Между отдельными па­кетами каолинитовой глины возникает достаточно про­чная водородная связь. При увлажнении такие пакеты плохо расщепляются и слабо диспергируют (плохо из­мельчаются). Это объясняет­ся тем, что межпакетное расстояние составляет всего 2 • 10~ ⁷ мм, а диаметр моле­кулы воды— 2,9 • 10" ⁷ мм, вследствие чего проникнове­ние воды в межпакетный за­зор и расщепление отдельных пакетов затруднено.

Кристаллическая решетка монтморил­лонита состоит из трех слоев — двух кремнекислородных и одного гидроксильного. Отдель­ные пакеты этой глины соприкасаются плоскостями с одинаковыми атомами, между ними возникает непрочная валентная связь. При ув­лажнении такой глины молекулы воды легко проникают в межпакет­ный зазор, увеличивая его до 20 • 10" ⁷ мм и более. Этим объясняется высокая связующая способность монтморидлонитовых глин.

Размер зерна формовочных глин оказывает существенное влияние на их связующую способность. Мелкозернистые (высокодисперсные) глины имеют большую связующую способность. При анализе фракци­онного состава глин, так же как и для формовочных песков, различают зерновую часть (частички размером более 22 мкм) и глинистую состав­ляющую (частички размером менее 22 мкм). в свою очередь, глинистая составляющая подразделяется на грубодисперсную (размер частичек

составляет от 22 до 5 мкм), мелкодисперсную (от 5 до 1 мкм) и коллоидную (менее 1 мкм) части.

При определении дис­персности глин используют метод осаждения глинистых частичек из водных суспен­зий. В отличие от дисперс­ной, коллоидная часть не осаждается. Частички раз­мером менее 1 мкм в вод­ной среде получают элек­трический заряд, и вокруг них образуется сольватная оболочка.

Элементарную глинистую частичку коллоидного рас­твора называют мицеллой (рис. 3.5). Глинистая мицел­ла состоит из ядра, которое окружено ионами и проти-воионами, образующими ад­сорбированный слой. Соль-ватная оболочка, кроме то­го, включает диффузионный слой, ионы которого могут вступать в ионный обмен с другими ионами, находящимися в водной среде. Сольватную оболочку мицеллы называют двойным электри­ческим слоем.

При оценке коллоидальности глин в раствор добавляют электролит. При этом происходит нейтрализация заряда мицелл и коагуляция глинистых частичек, которые в виде хлопьев осаждаются на дно сосуда. Объем осадка, отнесенный к объему всего раствора и выраженный в процентах, является мерой коллоидальности глины. Чем выше кол­лоидальность, тем выше связующая способность глины. Например, связующая способность монтмориллонитных глин, коллоидальность которых достигает 100%, почти в два раза выше, чем каолинитовых.

3.2.2. ЭТИЛСИЛИКАТ

Этилсиликат является основой для приготовления связующего при литье по выплавляемым моделям. Он представляет собой смесь этиловых эфиров ортокремниевой кислоты. Это — прозрачная жид­кость с температурой кипения 165°С, плотностью 0,98—1,05 г/см³. Этилсиликат состоит из эфиров разной молекулярной массы, напри-

мер: моноэфира (C₂HsO)«Si, условно в пересчете содержащего 28,8% SiO₂; диэфира (CjHsOjSiOj, содержащего 35,1% SiO₂; триэфира (C₂HsO)sSi₃O₂, содержащего 39,7% SiO₂, и так далее (тетра- и пента-эфиры).

Для придания этилсиликату свойств связующего его подвергают гидролизу. При этом в процессе химической реакции этоксильные группы (С₂Н₅О) замещаются на гидроксильные (ОН). В результате реакции образуются коллоидные растворы кислот (золи), из которых при сушке и прокаливании форм выделяется собственно связующее SiO₂, соединяющее зерна огнеупорной основы суспензии.

Гидролиз этилсиликата затруднен тем, что вода и этилсиликат взаимно не растворяются. Поэтому применяют органические раствори­тели (спирты, ацетон), которые растворяют и этилсиликат, и воду. При сушке и прокаливании растворители удаляются.

Гидролиз может осуществляться любым количеством воды. Напри­мер, при гидролизе моноэфира происходит реакция

(C₂HsO)₄Si + Н₂О - (C₂H_sO)₃SiOH + C₂H_SOH.

Продукты частичного гидролиза полимеризуются, образуя преиму­щественно полимеры линейного строения, в которых неорганические главные цепи молекул, построенные из атомов кремния и кислорода на основе весьма прочных силикатных связей (—Si—О—Si—), обрамлены органическими этоксильными группами:

где R — этоксильная группа.

В России производят этилсиликат двух марок ЭТС-32 и ЭТС-40. Число, указанное в марке, соответствует среднему условному содер­жанию диоксида кремния (в процентах по массе).

Для приготовления связующих растворов из ЭТС-32 и ЭТС-40 их подвергают гидролизу и разбавляют таким образом, чтобы содержание SiO₂ составляло 10—18%. Особенность приготовления таких растворов состоит в том, что в зависимости от количества вводимой в них воды можно получить совершенно различные по составу и свойствам связующие.

При гидролизе малым количеством воды образуются связующие растворы из линейных полимеров, пригодные для длительного хране­ния. В структуре имеется большое количество негидролизованных этоксильных групп. Пленки таких связующих при сушке на воздухе полностью не отверждаются. Догидролиз обычных полимеров осуще­ствляется подачей в сушильную камеру паров влажного аммиака. Отвержденные полимеры образуют прочные и достаточно эластичные

пленки связующего. Оболочки с таким связующим имеют прочность при изгибе 8—10 МПа.

При гидролизе средним количеством воды образуется смесь истинных растворов кремнийорганических полимеров и коллоидных растворов кремнекислот. При хранении их вязкость постепенно повы­шается. Сушка должна производиться при повышенной влажности воздуха. Применение аммиачной сушки нежелательно. Прочность при изгибе оболочек с этим связующим составляет 5—7 МПа, что в боль­шинстве случаев вполне достаточно.

Связующие, образующиеся при гидролизе этилсиликата большим количеством воды, представляют собой коллоидные растворы кремне­кислот, т. е. гели. В этих растворах происходит самопроизвольное укрупнение коллоидных частиц — мицелл. Гели обладают структурой рыхлой пространственной сетки. Существенным недостатком этого связующего является малая живучесть. Кроме того, прочность оболо­чек при изгибе существенно ниже по сравнению с предыдущими вариантами и составляет 2,5—4,0 МПа. Сушка производится без ис­пользования аммиака. Для ускорения сушки применяют сухой подогре­тый воздух.

3.2.3. ЖИДКОЕ СТЕКЛО

Жидкое стекло (ГОСТ 13078—81) является водным раствором силиката натрия. Его получают сплавлением кварцевого песка и соды либо кварцевого песка, сульфита натрия и угля при температуре 1400—1500"С с последующим растворением в воде до плотности 1,36—1,50 г/см³, осуществляемым в автоклавах.

Связующая способность жидкого стекла определяется его модулем, который отражает отношение массовых долей диоксида кремния (SiOj) и оксида натрия (NaaO).

Модуль определяют по формуле

где 1,032 — соотношение молярных масс оксида натрия и диоксида кремния.

В зависимости от значения модуля различают три марки жидкого стекла: А, Б и В. Наибольшее распространение получило жидкое стекло марки В с модулем 2,61—3,0, в котором массовая доля SJO2 составляет 31—33%, a Na₂O — 10—12%.

От значения модуля жидкого стекла зависит удельная прочность и живучесть смеси. Чем выше модуль, тем выше прочность и ниже живучесть (рис. 3.6). В целях повышения живучести смесей для круп­ных форм, изготовление которых занимает много времени, значение

модуля жидкого стекла искусст­венно снижают до 2,0—2,3 введе­нием водного раствора едкого натра.

Упрочнение форм осуществ­ляется тремя способами: 1) воз­душной сушкой в течение 2—8 ч; 2) тепловой сушкой при темпера­туре 220—250° С в течение 30—60 мин; 3) химической сушкой (продувкой углекислым газом, введением феррохромово-го шлака, эфиров угольной кислоты).

При продувке углекислым газом происходит следующая реакция:

3.2.4. СИНТЕТИЧЕСКИЕ СМОЛЫ

В качестве связующих применяют различные фенольные, феноло-фурановые, карбидофенолофурановые, карбидофурановые и другие искусственные (синтетические) смолы.

При использовании смол, функциональные группы которых не спо­собны к интенсивному межмолекулярному взаимодействию, их отвер-ждение достигается за счет применения катализатора без теплового воздействия.

Отверждение смол, функциональные группы которых склонны к меж­молекулярному взаимодействию (например, термореактивных фор-мальдегидных смол), не требует использования катализаторов. Отвер­ждение ускоряется тепловым воздействием.

3.2.5. СУЛЬФИТНО-ДРОЖЖЕВАЯ БРАЖКА

Сульфитно-дрожжевую бражку, которая относится к лигносульфонатам, получают из сульфитного щелока, образующего­ся при сульфитной варке целлюлозы. Путем биохимической обработки сульфитного щелока из него извлекают этиловый спирт, кормовые дрожжи, органические кислоты, многоатомные спирты. Продукт, ос-

тавшийся после упаривания, и есть концентрат сульфитно-дрожжевой бражки.

Отверждение формовочных смесей осуществляется как тепловой обработкой, так и химическим способом путем введения отвердителей.

3.2.6. ФОСФАТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ

Связующим материалом является композиция, которая состоит из порошкообразных оксидов, обладающих основными свойствами, и ор-тофосфорной кислоты или водных растворов ее солей.

Например, при формировании железофосфатов химическая реак­ция протекает по следующей схеме:

FeO + 2Н₂РО₄ + Н₂О - Fe(H₂PO₄)₂ • 2Н₂О.

кристаллогидрат фосфата железа

В последнее время широкое применение находят алюмохромофос-фатные и магниеалюмофосфатные связующие (АХФС и МАФС).

3.2.7. ЦЕМЕНТ

В качестве связующего материала используют два типа цементов — портландцемент и глиноземистый цемент.

Цемент получают путем обжига сырьевой смеси, например, извест­няка и глины.

Твердение смеси происходит в результате выделения из перенасы­щенного водно-цементного раствора кристаллогидратов, которые, сра­стаясь друг с другом, образуют прочный кристаллический каркас, скрепляющий зерна песка. При использовании портландцемента кри­сталлогидратами является гидросиликаты кальция, а при использова­нии глиноземистого цемента — гидроалюминаты кальция.

Механизм твердения портландцемента можно представить следую­щей химической реакцией:

2(ЗСаО • SiO₂) + 6Н₂О - ЗСаО • 2SiO₂ • ЗН₂О + ЗСаО(ОН)₂.

гидросиликат кальция

3.2.8. МАСЛО И ЕГО ЗАМЕНИТЕЛИ

Растительные масла являются лучшими связующими для стержне­вых смесей. Они придают им исключительно высокие физико-механи­ческие свойства.

Связующее действие масла заключается в том, что оно обволакивает каждую песчинку и при сушке окисляется, образуя плотную пластич-

ную пленку, состоящую из сложного соединения — линоксина. Окис­ление масла протекает быстрее при повышенных температурах и в при­сутствии катализаторов — сиккативов. Оптимальная температура суш­ки 200—220 ° С. Процесс окисления масла является необратимым.

Поскольку применение в литейном производстве растительных ма­сел, относящихся к продуктам питания, запрещено, вместо них исполь­зуют заменители:

связующее 4ГУ — раствор растительного масла или рыбьего жира (25%) и канифоли (50%) в уайт-спирите;

связующее П — раствор окисленного бакинского петролатума (32%) и битума (18%) в уайт-спирите (55%);

связующее ГТФ — генераторная тяжелая фракция сланцевой смолы, получаемая при тепловой обработке эстонских сланцев;

связующее ЗИЛ — раствор битума (25%) и ГТФ (55%) в уайт-спи­рите (20%);

связующее СП — эмульсия сульфитно-дрожжевой бражки;

связующее УСК-1 — продукт термообработки кубового остатка синтетических жирных кислот, асфальтосмолистых веществ и парафи­новых углеводородов;

раствор канифоли в ацетоне, скипидаре, спирте и других органиче­ских жидкостях.

3.2.9. ГИПС

Гипс как связующее применяется главным образом в ювелирной промышленности (см. гл. 8). Имеются сведения о применении гипсовых форм при изготовлении отливок из цветных сплавов в основном с низкой температурой плавления.

В природе гипс встречается преимущественно в виде дигидрата гипсового камня (CaSO«• 2Н₂О).

Гипсовый камень при нагреве до 107° С разлагается. Реакция про­текает по следующей схеме:

CaSO₄ • 2Н₂О - CaSO«• 0,5Н₂О + 1,5Н₂О.

В зависимости от способа тепловой обработки образуется ft- или а-модификация полуводного гипса. Модификации различаются кри­сталлической структурой и свойствами.

В интервале температур 170—200 °С продолжается удаление хими­чески-связанной воды.

После полного удаления воды в интервале температур 200—300 ° С полугидрат почти полностью переходит в растворимый ангидрид.

При температурах 300—450 ° С получается «намертво» обожженный гипс, который почти совсем не схватывается.

При более высоких температурах (750—1000°С) образуете^ эстрих-гипс, характеризующийся медленным схватыванием и небольшой ме­ханической прочностью.

I

Прочность гипса определяется тем, насколько тесно кристаллы дигидрата сплелись друг с другом, как срослись в кристаллические группы и агрегаты. Значительную роль при этом играют форма и размер кристаллов.

Высокая прочность а -гипсов определяется их спутанно-волокнистой структурой. Кристаллы имеют плотную упаковку, гладкий рельеф с незначительным числом пор и капилляров. Этим объясняется пониженная водопотребность а -модификации. Гладкий рельеф повер­хности а -полугидрата обеспечивает большую полноту перехода в дву-водный гипс и, как следствие, более высокую прочность по сравнению с /?-модификацией.

В процессе затвердевания гипса происходит ряд химических и фи­зических изменений. Процесс затвердевания заключается в том, что гипсовое тесто, представляющее собой механическую смесь порошко­образного гипса (полугидрата) и воды, превращается в камневидное тело, постепенно густея и уплотняясь. Затвердевание заканчивается после того, как образовалась структурная решетка из кристаллов двугидрата. Прочность гипса достигает максимума при высушивании.

3.3. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ДОБАВКИ

Основное назначение добавок — изменять качество формовочных смесей и предупреждать образование дефектов в отливках.

Феррохромовый шлак, углекислый газ, антипирен, пропиленкарбо-нат ускоряют отверждение песчано-жидкостекольных смесей.

Хромовый ангидрид, гидрогранат (трехкальциевый силикат) исполь­зуют в качестве отвердителей песчано-лигносульфонатных смесей.

Ортофосфорная кислота и бензосульфокислота ускоряют отверж­дение формовочных смесей, в которых в качестве связующего исполь­зуются карбамидоформальдегидные, карбамидофурановые и фенол-формальдегидные синтетические смолы.

Едкий натр и крахмалит повышают живучесть жидкостекольных смесей.

Для улучшения выбиваемости жидкостекольных смесей применяют гидрол, инден-кумароновую смолу, асбестовую крошку, древесные опилки.

Переход жидкостекольных смесей из пластичного в жидкое состо­яние ускоряют различные поверхностно-активные вещества.

Образование пригара на отливках предупреждают добавки, созда­ющие в форме восстановительную атмосферу (уголь гранулированный и пылевидный, мазут топочный, древесный пек, древесная мука) или окислительную атмосферу (марганцевая руда, железная руда, пентаок-сид ванадия, сульфат натрия).

Чтобы исключить появление горячих трещин, в смесь вводят дре­весные опилки, древесную муку, мазут топочный.

В качестве добавок, снижающих окисляемость магниевых сплавов, используют борную кислоту, фтористые присадки, присадки ВМ (бор­ная кислота, мочевина, сернокислый алюминий).

3.4. ТРЕБОВАНИЯ К ФОРМОВОЧНЫМ СМЕСЯМ

3.4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ

Вне зависимости от заливаемого металла формовочные смеси делят по характеру использования, по состоянию формы и классу применя­емого песка.

Характер использования. Если форма изготавливается из одной смеси, то такая смесь называется единой. Единые смеси применяют при машинной формовке для серийного и массового производства. При переработке каждый раз вводится значительное количество свежих материалов.

Облицовочные смеси применяются в условиях единичного производства. Их наносят вокруг модели слоем толщиной 15—20 мм в зависимости от толщины отливки. Облицовочные смеси используют в тех случаях, когда применение единой смеси дает значительный брак.

Наполнительные смеси наносят поверх облицовочных, они заполняют остальную часть формы. Наполнительные смеси готовят из отработанных материалов.

Класс применяемого песка. В природе встречаются, но довольно редко, пески, содержащие такое количество глины, что их можно использовать после увлажнения и перемешивания в качестве формо­вочной смеси. Примером может служить тамбовский песок, который применяют без всяких добавок при цветном литье. Смеси, приготовлен­ные на таких песках, называются естественными.

Смеси, в которые глина вводится как самостоятельная добавка, называются синтетическими.

Состояние формы. В смеси для сухих форм рекомендуется вводить крупный песок, обеспечивающий большую газопроницаемость. Шероховатость отливки при этом не повышается, так как форму окрашивают огнеупорной краской.

При формовке по-сырому особое значение имеет прочность, газопроницаемость, влажность смеси. В этом случае стре­мятся сочетать требуемую прочность и газопроницаемость с мини­мальным содержанием глины, чтобы уменьшить влажность. Поэтому используют жирные огнеупорные глины и бентониты, обладающие наибольшей связующей способностью во влажном состоянии.

3.4.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ

Для получения качественной отливки, отвечающей заданным тре­бованиям, при оптимальном уровне затрат на производство формовоч­ная смесь должна обладать определенным набором свойств, общим как для машиностроительного, так и для художественного литья.

Таблица 3.4 Классификация свойств формовочных смесей

Группа свойств	Наименование свойств
Технологические	Уплотняемость Формуемость Текучесть Прнлипаемость Гигроскопичность Живучесть Осыпаемость Податливость Огнеупорность Пригораемость Выбиваемость Долговечность
Гидравлические	Влажность Пористость Газопроницаемость Газотворность
Механические	Твердость Прочность: во влажном состоянии в упрочненном состоянии в нагретом состоянии в прокаленном состоянии
Теплофизические	Теплоемкость Теплопроводность Температуропроводность Теплоаккумулирующая способность

Свойства формовочных смесей можно разбить на четыре группы: технологические, гидравлические, механические и теплофизические (табл. 3.4). Методика их определения регламентирована ГОСТ 23409—78.

3.4.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Уплотняемость характеризует способность смесей изменять свой первоначальный объем под воздействием внешних сил. Уплотня­емость оценивают по разнице объемов навески смеси до и после уплотнения:

где Y— уплотняемость, %; Я и hi — соответственно высота (мм) смеси в гильзе до и после уплотнения.

Формуемость рассчитывают как отношение массы смеси, прошедшей через сито вращающегося барабана к массе исходной навески:

где Ф — формуемость, %; М — масса исходной навески, г; mi — масса смеси прошедшей через сито, г.

Под текучестью понимают способность смеси под воздействием внешних сил заполнять труднодоступные полости в модельной оснаст­ке, обеспечивая равномерное уплотнение.

Текучесть смеси при статическом уплотнении определяют по раз­ности значений твердости в двух точках образца, изготовленного с дополнительным вкладышем на лабораторном копре. Одна точка находится на поверхности образца, вторая — в месте соприкосновения образца с вкладышем.

Прилипаемость — это способность смеси во влажном состоянии прилипать к поверхности модельной оснастки или транспорт­ных средств. Прилипаемость оценивают при помощи специального прибора, регистрирующего усилие отрыва конического цилиндра от контрольной поверхности образца.

Расчет производят по формуле

где П — Прилипаемость; Р — усилие отрыва, Н; 5 — площадь поверх­ности контакта цилиндра и образца, см².

Гигроскопичностью называют способность смеси впитывать влагу из окружающей среды. При определении гигроскопичности вы­сушиваемый образец помещают на влажный песок (5%) в эксикатор (прибор для обезвоживания, высушивания) и выдерживают в тече­ние 2 ч.

Рассчитывают гигроскопичность по формуле

где Г — гигроскопичность; mq и mi — масса (г) образца до и после испытания.

Живучесть характеризуется продолжительностью сохранения смесью физико-механических свойств. Например, живучесть холод-

нотвердеющих смесей оценивают временем, в течение которого проч­ность на разрыв или сжатие снижается на 30%.

Осыпаемость отражает устойчивость поверхности формы при транспортировке, сборке и заливке. Ее оценивают по потере массы стандартным образцом, помещенным во вращающийся сетчатый бара­бан, и находят по формуле

где О — осыпаемость, %; Мо и mi — масса (г) образца до и после испытания соответственно.

Податливость — это способность форм или стержня деформироваться под воздействием линейной усадки отливки. Степень податливости зависит от природы огнеупорной основы и связующего, от степени уплотнения смеси. Для улучшения податливости в смесь вводят древесные опилки или другие выгорающие добавки.

Огнеупорность характеризует способность смеси не оплавляться под воздействием высоких температур. При недостаточной огнеупорности происходит оплавление и спекание отдельных компо­нентов смеси, что приводит к формированию пригара на отливках. Для оценки огнеупорности используют специально изготовленные трех­гранные пирамиды — конусы. Значение огнеупорности определяют по температуре, при которой вершина конуса в процессе размягчения коснется основания (рис. 3.7).

Пригораемость — это способность поверхностного слоя формы противостоять прочному сцеплению с металлом отливки. Сте­пень пригораемости зависит от пористости смеси, ее химической инер­тности и т. д. Для уменьшения пригораемости на поверхность форм наносят специальные защитные покрытия.

Выбиваемость показывает, насколько легко (или сложно) стер­жень удаляется из внутренних поло­стей отливок при выбивке и очистке. Она зависит главным образом от при­роды и количества связующего мате­риала смеси и от интенсивности температурного и силового воздейст­вия металла отливки на стержень. Стержни из смеси с жидкостеколь-ным связующим плохо выбиваются, в отличие от изготовленных из смесей с органическими легковыгорающими и некоксующимися связующими. Вы­биваемость оценивают по работе, ко­торая затрачивается на пробивку специальным бойком стержня, прока-

ленного при 800 ° С и установленного в специальном поддоне на стан­дартном копре.

Работу пробивки определяют по формуле

А = пМЛ,

где А — выбиваемость; л — число ударов, необходимых для пробивки стержня; М — масса падающего груза, кг; h — высота падения груза, см. Долговечность характеризует пригодность смеси для повторного использования после соответствующей подготовки, без введения свежих материалов. Долговечность зависит от природы огне­упорной основы и связующего, а также от интенсивности температур­ного воздействия металла. Долговечность оценивается числом циклов использования смеси до утраты надлежащих физико-химических свойств.

3.4.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Влажность — одна из основных характеристик многих смесей. Она определяет значение ряда других свойств и оказывает прямое воздействие на качество отливок.

Химически-связанная влага входит в состав минеральных компонен­тов. При высокотемпературных воздействиях на смесь эта влага удаля­ется, а первоначальные свойства компонентов утрачиваются.

Поверхностно-связанная влага подразделяется на капиллярно-свя­занную и адсорбированную. Адсорбированная влага удерживается на поверхности смеси электростатическими силами. Толщина слоя такой влаги может доходить до 0,5 мкм. Капиллярно-связанная влага удер­живается на поверхности частичек капиллярными силами.

Влажность определяют по изменению массы в процессе сушки навески при 105—110° С и рассчитывают по формуле

Mo —Mi

в = —-—— -loo.

Мо

где В — влажность, %; mo, mi — масса (г) смеси до и после сушки соответственно.

Влажность формовочных и стержневых смесей, определяемая стан­дартным способом, колеблется в пределах 3,0—7,9%.

Песчано-глинистые смеси, упрочняемые тепловой сушкой, должны иметь максимально возможную влажность, так как при этом можно достигнуть более высоких значений прочности.

В процессе перемешивания при избытке влаги (более 6%) на повер­хности зерен песка формируется глинисто-водная оболочка из равно­мерно распределенных, параллельных друг другу глинистых пластинок (рис. 3.8, а). Избыток влаги в этом случае выполняет роль «смазки» и способствует упорядоченному расположению пластинок.

При малом содержании влаги (менее 4%) ее роль как «смазки» становится менее значительной, при этом возрастают силы электроста­тического взаимодействия между глинистыми пластинками. Развитие этого процесса приводит к формированию глинисто-водной оболочки с хаотическим расположением глинистых пластинок и, как следствие, повышению хрупкости после сушки (рис. 3.8, б).

Пористость характеризуется объемом пустот (пор), отнесенным к объему смеси. Пористость в основном определяет степень проникно­вения жидкого металла или его оксидов в глубь формы и тем самым вероятность возникновения механического пригара на отливках.

При рассмотрении пористости в качестве модели используют систе­му шаров. Различают три типа укладки шаров: кубическую, призмати­ческую и пирамидальную.

При кубической укладке шары располагаются по углам куба. Число точек соприкосновения шаров (координационное число) равно шести. Данная укладка соответствует пористости, равной 47,5% (рис. 3.9, а).

Призматическая укладка предусматривает расположение шаров пс углам призмы. Координационное число при этом равно 8. Призматиче­ской укладке соответствует значение пористости 39,6% (рис. 3.9, б).

Пирамидальная укладка предполагает расположение шаров по уг­лам пирамиды (тетраэдра), при котором координационное число равнс 12, чему соответствует значение пористости 25,5% (рис. 3.9, в).

Таким образом, пористость системы одинаковых шаров завист только от их укладки, но не от диаметра.

Наименьшая пористость системы, равная 15%, достигается при использовании шаров разного диаметра. Пористость реальных формо­вочных смесей находится в пределах 25—30%.

Наименьшее значение пористости имеют песчано-глинистые смеси в уплотненном состоянии, наибольшее — жидкие (наливные) формо­вочные смеси.

Газопроницаемостью называют способность формовочной смеси пропускать газы. Это одна из важнейших характеристик. Недо­статочная газопроницаемость смеси затрудняет удаление газообразных продуктов из полости формы при заливке металла. Это может послу­жить причиной появления различных пороков в отливках. Газопрони­цаемость определяют путем пропускания воздуха через стандартный образец испытуемой смеси и рассчитывают по формуле

где К — коэффициент газопроницае­мости; V — объем воздуха, прошедше­го через образец, см³; Л — высота образца, см; F — площадь сечения об­разца, см²; р — давление воздуха перед входом в образец, Па; т — продолжи­тельность прохождения воздуха через образец, мин.

Газотворность — это показатель, определяемый в основном для смесей, из которых изготавливают формы для стальных отливок. Он ха­рактеризуется количеством газа, выде­лившегося во время выдержки навески смеси массой 1 г при температуре 1000"С в течение 30 с. Газотворность смесей зависит от содержания органи­ческих добавок и влаги, от скорости выделения газообразных продуктов. Чем выше Газотворность, тем больше опасность образования газовых рако­вин в отливках. Чем позже начинают выделяться газы, тем меньше вероят-

ность возникновения раковин, так как к этому времени • успеет образоваться корочка затвердевшего металла.

Для стального литья критическое значение газотворной способности смеси соответствует примерно 15 см³/г.

На рис. 3.10 приведен график, характеризующий кинетику выделе­ния газов из различных песчаных смесей. Он показыват, что вероят­ность возникновения газовых раковин наиболее высока при литье в формы из песчано-глинистой смеси с опилками.

3.4.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Твердость определяет способность поверхностного слоя формы противостоять проникновению металлического шарика.

Поверхностная твердость формы зависит от степени уплотнения смеси, количества и качества связующих. Твердость определяют с помощью специальных приборов — твердомеров.

Прочность смеси позволяет оценить, насколько форма может сохранить заданную конфигурацию при изготовлении, транспортиров­ке и заливке металлом.

Различают прочность во влажном, упрочненном, нагретом и прока­ленном состоянии.

Прочность во влажном состоянии, как правило, определяют путем сжатия образца диаметром 50 мм и высотой 50 мм.

Прочность смеси в упрочненном состоянии выявляет испытание на разрыв образца (так называемой восьмерки) длиной 78 мм с минималь­ным сечением 25x25 мм.

Прочность на разрыв песчано-глинистой смеси после сушки состав­ляет о,2—0,3 МПа, песчано-смоляной — 0,5—1,5 МПа, песчано-масля­ной — 0,8—1,0 МПа.

3.4.6. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Теплофизические свойства формовочной смеси влияют на тепловой режим охлаждения отливки в форме. Они зависят от состава огнеупор­ной основы, от состояния формы (сырая, сухая).

Значения теплоемкости и теплопроводности определяют экспери­ментально, температуропроводности и теплоаккумулирующей способ­ности — расчетным путем.