книги из ГПНТБ / Медведев Я.И. Технологические испытания формовочных материалов
.pdfЯ.И. МЕДВЕДЕВ, канд. техн. наук,
И.В. ВАЛИСОВСКИЙ, канд. техн. наук
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ИСПЫТАНИЯ
ФОРМОВОЧНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Издание 2-е, |
исправленное |
и |
дополненное |
КОНТРОЛЬНЫЙ I ЭКЗЕМПЛЯР !
М о с к в а « М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е »
1973
М 42 УДК 621.742
Медведев Я. И., |
Валисовский И. |
В. «Техноло |
гические испытания |
формовочных |
материалов». |
М., «Машиностроение», |
1973, 312 с. |
|
В книге описаны в основном нестандартные методы испытаний важнейших технологических свойств фор мовочных материалов, формовочных и стержневых смесей, а также рассмотрена связь технологических свойств смесей с качеством получаемых отливок.
Книга рассчитана на инженерно-технических работ ников заводских литейных лабораторий, а также на научных сотрудников, работающих в области литей ного производства.
Ил. 181, табл. 41, список лит. 218 назв.
бИбЛКС - ' |
';. |
ЧИТАЛЬНО: О З А Л А \
Рецензент канд. техн. наук А. Я. Калашникова
|
3122-079 |
М |
038(01)-73 7 9 7 3 |
) Издательство „Машиностроение". 1973г.
ВВЕДЕНИЕ
Формовочные и стержневые смеси, как строительный материал для форм и стержней, должны обладать комплексом заранее за данных свойств. Комплекс этих свойств и их количественные характеристики определяются следующими основными факто рами:
1) принятой технологией изготовления форм (стержней);
2)условиями «работы» форм (стержней) на всех этапах тех нологического процесса;
3)нормами санитарии и гигиены;
4)экономическими соображениями.
Существующие технологические процессы изготовления форм (стержней) основаны на использовании тр,ех типов смесей: пла стично-вязких, сыпучих и жидких. Для смесей каждого типа наряду с общими свойствами характерны свои технологические свойства, подлежащие контролю.
Пластично-вязкие смеси отличаются способностью необратимо пластически деформироваться при приложении внешней нагрузки. Они сравнительно легко формуются и после удаления модели спо собны сохранять на определенном этапе технологического цикла приданную им конфигурацию. Пластические свойства смесей переходят к изделиям из них, которые обладают небольшой по отношению к собственному весу прочностью. С целью предотвра щения разрушения и нежелательных деформаций при операциях, следующих за формовкой, а также для удобства транспортировки форм и стержней используют специальные упрочняющие эле менты: опоки, каркасы, драйеры, шпильки, крючки и т. д.
Сыпучие смеси, используемые для изготовления оболочковых форм и стержней, в исходном состоянии не обладают связанностью зерен песка. Они заполняют контур моделей под действием только силы тяжести или вибрации. Силы связи в этих смесях возни кают при тепловой обработке в результате расплавления порош кообразных связующих; образующая пластично-вязкая смесь упрочняется непосредственно на нагретой модели вследствие протекания необратимых химических реакций. После завершения
1* |
3 |
процесса твердения форма неспособна пластически деформи роваться.
Жидкие смеси содержат много жидкости или пленкообразу
ющих веществ. Эти смеси используют |
для |
изготовления форм |
при литье по выплавляемым моделям |
и в |
других процессах. |
Формы получают с помощью методов окунания модели или за ливки смеси на модель или стержень. Упрочнение жидких смесей, т. е. переход в твердое состояние, совершается, как и в случае сыпучих смесей, на модели в результате протекания процессов физического или химического удаления жидкой фазы и образо вания твердых пленок между зернами песка.
Изложенное выше деление технологических процессов в зави симости от физико-механического состояния смеси, естественно, является условным. Существуют промежуточные смеси и процессы. Некоторые пластично-вязкие смеси упрочняются также непо средственно на модели, как это происходит, например, при про дувке СО 2 жидкостекольных смесей.
Для смесей каждого типа и соответствующего им технологи ческого процесса существует своя область применения, опреде ляемая в конечном итоге экономическими факторами. Смеси неза висимо от типа в одинаковой мере должны обеспечить получение здоровых отливок.
Литейные формы и стержни (геометрический фактор) придают отливке необходимые очертания и размеры, а также (технологи ческий фактор) определяют качественные показатели отливки: чистоту поверхности, • физико-механические свойства металла, отсутствие дефектов и т. п.
В первом случае форма и установленные в ней стержни яв ляются для жидкого металла сосудом, негативные очертания которого должны быть сохранены по крайней мере до момента затвердения металла и переданы отливке. Работа формы как сосуда для металла сводится к восприятию давления и веса ме талла в условиях резкого нагрева смеси.
Во втором случае формы и стержни отбирают тепло у отливки и частично передают его в окружающую атмосферу. Скорость охлаждения отливки и, следовательно, формирование структуры металла, появление внутренних напряжений, термических тре щин, усадочных раковин и т. п. определяются теплофизическими
свойствами смесей и геометрическими характеристиками |
форм |
и стержней. |
|
Параллельно с теплопередачей на поверхности раздела |
между |
металлом и формой происходит сложный комплекс физико-хими ческих и механических взаимодействий: протекание химических реакций с образованием различных окислов, газов и легкоплавких Соединений; взаимное проникновение металла и формовочного материала, сопровождающееся образованием пригара и песча ных включений в отливке; выделение из металла и нагретых до высокой температуры формовочных смесей газов, вызывающих
при определенных условиях объемные и поверхностные газовые раковины, неравномерное расширение и отслаивание поверхност ных слоев формовочной смеси и другие явления.
После затвердевания металла материал форм и стержней продолжает отбирать тепло от отливки. Высокая механическая прочность смесей на этом этапе становится нежелательной, так как она препятствует усадке отливки, вызывает появление усадочных напряжений и трещин, а также ухудшает выбиваемость. Послед ние обстоятельства особенно характерны для стержней.
Требования санитарии и гигиены, направленные на создание нормальных условий труда в литейных цехах, порождают стрем ление использовать материалы и смеси, обладающие минимальной вредностью.
При рассмотрении формовочных смесей с точки зрения тре бований экономики более правильно учитывать стоимость не соб ственно отливок (заготовок), а готовых машиностроительных деталей, так как не всегда оказываются выгодными дешевые смеси. Во многих случаях экономически оправдывается при менение дорогих формовочных материалов, например этилсиликата, смол, циркона и т. п., которые позволяют не только улуч шить качество отливок и снизить их брак, но и создать новые прогрессивные процессы литья.
В пределах заданного процесса и смесей принятого типа снижение стоимости последних достигается сокращением их расхода и разработкой технологически оправданных рецептур смесей. В каждом конкретном случае производства литья экспе риментально устанавливают тот минимум свойств смесей, который обеспечивает получение качественных отливок. Превышение тре буемого минимума свойств, достигаемое введением в смесь допол нительного количества сравнительно дорогих материалов, яв ляется источником неоправданных расходов.
Изложенное позволяет следующим образом сформулировать задачи контроля технологических свойств формовочных мате риалов и смесей:
1) при проведении |
поисковых исследовательских работ — |
это изучение свойств |
новых формовочных смесей, установление |
связи между свойствами смесей и образованием различных дефек тов в отливках, раскрытие механизма появления дефектов и раз работка условий получения отливок с заданными свойствами;
2) при проведении исследовательских и экспериментальных работ по внедрению новых формовочных и стержневых смесей, новых технологических процессов и новой номенклатуры отли вок — это установление требуемого минимума или допустимого интервала изменения количественных показателей свойств сме сей, подлежащих контролю;
3) при проведении текущего контроля формовочных смесей в литейных цехах — это наблюдение за фактическим исполнением действующих норм по регламентированным свойствам смесей.
Стандартные методы испытания формовочных материалов и смесей широко распространены на практике и достаточно полно отражены в специальной литературе. Однако они касаются в ос новном контроля исходных материалов (песков, глин, связу ющих, пылевидного кварца, графита и т. п.) и в небольшой степени свойств формовочных смесей. Испытание и контроль многих важнейших технологических свойств смесей не регла
ментированы стандартами и |
недостаточно широко применяются |
в производстве. Отсутствие |
в литейных цехах систематического |
контроля важнейших технологических свойств смесей (не охва ченных стандартами) частично объясняет тот факт, что более 50% всего брака отливок из черных металлов прямо или кос венно связано с формовочными материалами.
Для повышения качества литья и сокращения материальных и трудовых затрат на его производство требуется обратить вни мание на технологический контроль формовочных материалов, в том числе и с помощью нестандартных методов. Это тем более необходимо в связи с существующей тенденцией автоматизации смесеприготовительных и формовочных процессов и все возра стающим объемом выпуска литья в стране.
Опыт показывает, что роль технологического контроля при внедрении новых прогрессивных процессов не уменьшается, а резко возрастает. Непрерывно увеличивается число методов испытания различных свойств смесей, однако они часто не находят
применения в производстве |
или из-за недостаточной информации |
о них, или из-за отсутствия |
серийного выпуска соответствующих |
приборов. |
|
В предлагаемой книге авторы подробно описывают некоторые используемые в литейном производстве нестандартные методы испытаний пластично-вязких формовочных смесей. При созда нии книги возникла необходимость описать также часть стандарт ных методов испытаний, с тем чтобы достичь цельности изло жения и высказать некоторые критические замечания.
Значительное место в книге занимает анализ причин появле ния различных дефектов отливок и связи их со свойствами фор мовочных и стержневых смесей.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
СВОЙСТВА ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НОРМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Г л а в а I
ВЛАЖНОСТЬ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ
РОЛЬ ВЛАГИ В СМЕСИ И ЕЕ СВЯЗЬ С ФОРМОВОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ
Большинство формовочных смесей в исходном рабочем состоя нии содержит воду в количестве, необходимом для придания им определенных технологических свойств: прочности, пластичности, живучести и т. п. Прочностные свойства многих связующих органического (сульфитная барда, декстрин, патока и др.) и неор ганического (глина, жидкое стекло, цемент и др.) происхождения проявляются только в присутствии воды, причем вода в одних случаях растворяет связующие, в других образует с ними кол-, лоидные системы, а в третьих случаях как бы сама растворяется в связующем, вызывая набухание последних. Вода способствует равномерному распределению компонентов смеси, увеличивает прочность сцепления (адгезию) связующего с поверхностью зерен песка. Кроме того, вода, имеющая сравнительно высокое по верхностное натяжение, сама в известной степени является свя зующим.
На основе |
многочисленных исследований связи |
влажности |
со свойствами |
смесей и с образованием в отливках |
различных |
дефектов можно сделать следующие выводы. |
|
1. Влажность не одинаково влияет на различные свойства смесей. С повышением влажности одни свойства смеси до опре деленного значения улучшаются, другие ухудшаются [10]. Это вызывает соответствующие трудности при составлении рецептур смесей и необходимость принятия компромиссного решения, порою ухудшающего некоторые свойства. Диапазон изменения влажности формовочных смесей, уплотняемых обычными мето дами (вручную, встряхиванием, прессованием, пескометом), нахо дится в пределах 2—8%, а стержневых — в пределах 0—4%.
2. Для каждого конкретного состава смеси существует опти мальная величина влажности, при которой достигается наилуч шее сочетание основных свойств смеси. В большинстве случаев оптимальная влажность определяется экспериментально. Она зависит от типа формовочного песка, содержания глинистых веществ и их качества, наличия различных примесей и добавок.
Наиболее важными факторами являются удельная поверхность зерновой массы смеси и влагоемкость глинистых составляющих [11, 135].
3.Современные технологические процессы и особенно авто матические и механизированные смесеприготовительные и фор мовочные линии предъявляют жесткие требования к величине отклонения влажности смесей, составляющее 0,2—0,5%. В случае большего отклонения влажности смесь теряет свои оптимальные технологические свойства, что нарушает работу установок и способствует образованию дефектов в отливках.
4.С отклонением влажности смеси от оптимального значения связано появление следующих распространенных дефектов отли вок: песчаных засоров и раковин, ужимин, пористости, поверх ностных и объемных газовых раковин, искажений размеров
отливки (в результате повышенной деформации смеси), дефектов
поверхности и т . д . |
137, 105, 114, 178, |
192 и др . ] . |
|
|||
5. Существующие |
методы определения и |
контроля |
влаж |
|||
ности |
формовочных |
и |
стержневых |
смесей |
можно |
разбить |
на две |
группы: 1) прямые |
методы непосредственного |
физиче |
ского или химического определения влажности; 2) косвенные
методы, основанные или |
на |
измерении |
свойств |
формовоч |
||
ных смесей, |
зависящих |
от |
влажности, |
или |
на |
измерении |
интенсивности |
протекания |
в смеси каких-либо |
процессов, зави |
сящих от влажности, при воздействии какого-либо внешнего фактора.
Вода, входящая в состав формовочных смесей, не является
просто механически примешанным компонентом. |
|
|
Влажные формовочные и стержневые материалы |
принадлежат |
|
к классу структурно-сложных коллоидных |
капиллярно-пористых |
|
веществ. Существуют три формы связи |
воды с |
минеральными |
и органическими веществами смеси: химическая, физико-химиче ская и физико-механическая. Каждая форма связи характери зуется несколькими основными признаками [86].
Наиболее прочной связью воды с минералами является хими ческая связь, характеризуемая точными количественными соот ношениями; она нарушается лишь при нагреве минералов до высоких температур. Химическая связь воды с минералами воз никает в результате протекания химической реакции или при образовании кристаллогидратов.
Физико-химическая связь жидкости с коллоидными веще ствами в стадии ее установления аналогична растворению двух жидкостей с разными молекулярными весами. С точки зрения термодинамики процесс набухания коллоидного вещества (на пример, глины) в первой стадии аналогичен процессу образования твердого раствора; при этом происходит адсорбция молекул жидкости молекулами внешней и внутренней поверхностей мицелл коллоидного тела с выделением некоторого количества теп лоты.
Гидратационная вода, будучи адсорбционно связанной, обла дает свойствами, отличными от свойств обычной воды: не раство ряет электролиты и другие вещества, ее плотность значительно больше единицы, а температура замерзания ниже 0° С, кроме того, она обладает свойствами упругого твердого тела. Толщина адсорбированного слоя воды составляет несколько сотен моле кулярных диаметров; адсорбционные свойства воды ослабляются по мере удаления от поверхностного молекулярного слоя. Одно временно с выделением тепла адсорбция сопровождается также некоторым сжатием (контракцией) системы коллоидное тело— жидкость; объем набухшего тела меньше суммы объемов погло щенной жидкости и адсорбента.
Вторая стадия набухания коллоидных тел происходит без выделения тепла и сжатия системы. Вода, поглощенная во второй стадии, называется осмотической. Свойства этой воды не отли чаются от свойств обычной жидкости. Такими же свойствами обладает так называемая иммобилизованная жидкость, которая находится внутри ячеек при образовании коллоидного тела.
Физико-механическая связь обусловливается действием капил лярных сил и сил смачивания. Первые зависят от поверхностного натяжения жидкости и капиллярного давления, а вторые опре деляются в основном природой и состоянием поверхности кон тактирующих материалов. Соотношение между капиллярной и поверхностно-связанной водой не одинаково у глин различных месторождений и изменяется в пределах примерно 0,3—2,0 [1].
Мелкозернистые пески могут содержать 14—16% капилляр ной воды.
В некоторых случаях формовочные материалы (краски, пасты, разведенная глина огнеупорные покрытия при литье по выплав ляемым моделям и др.) могут содержать гравитационную (меха нически захватываемую) влагу, последняя может произвольно удаляться под действием силы тяжести. В обычных формовочных смесях гравитационная вода отсутствует.
Формовочные смеси содержат влагу, удерживаемую различ ными формами связи. Однако существующие методы контроля влажности не позволяют дифференцировать ее по формам связи. В подавляющем большинстве случаев под понятием «влажность» формовочной смеси подразумевают содержание в ней воды, удер живаемой физико-химической и физико-механической связями.
ПРЯМЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ
Прямые методы контроля влажности формовочных смесей основаны на непосредственном разделении материала на сухое вещество и воду, например сушкой или химической реакцией.
Наиболее распространенным и простым методом является метод определения потери веса образца при его воздушно-тепло вой сушке. Образец необходимо выдерживать до достижения