Лабораторная работа 2 Приготовление формовочных смесей и определение их свойств.

Цель работы: Ознакомиться с приборами и методами определения свойств формовочных и стержневых смесей.

Краткие теоретические сведения

Формовочная смесь представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из огнеупорного зернистого наполнителя, связующего и различных добавок, придающих смеси требуемые свойства.

Свойства формовочных смесей разделяют на три группы: общие, характеризующие смесь как дисперсную систему; технологические, проявляющиеся при переработке смесей и формовке; рабочие, возникающие при взаимодействии смеси с металлом во время заливки и остывания отливки.

Общие требования к методам испытания формовочных смесей установ­лены ГОСТ 23409.0-0-78.

Общие свойства. Влажность (ГОСТ 23409,5-78) определяет уровень общих и рабочих свойств смеси. При недостаточном содержании влаги снижают­ся прочностные свойства смеси и увеличивается ее осыпаемость. Повышение вла­ги приводит к снижению прочности и увеличению газотворности смеси. Рекомендуемая влажность смесей при формовке по-сырому составляет 3-4 % (прессование), 4,5-6 % (ручная формовка и встряхивание).

Насыпная плотность (ГОСТ 23409-13-78). Повышение плотности смеси способствует выравниванию плотности по всему объему формы. Значения плотности для песчано-глинистой (ПГ) смеси при уплотнении следующие: 900-1000кг/м³ (прессование), 650-950 кг/ м³ (ручная формовка, встряхивание).

Концентрация водородных ионов - рН смеси (ГОСТ 23409.22-78) влияет на взаимодействие смеси с жидким металлом, заливаемым в полость литейной формы. Снижение рН песчано-глинистых смесей (менее 7-8) уменьшает активность бентонитовой глины и сни­жает прочность смеси.

Технологические свойства. Уплотняемость(ГОСТ23409.13-78). Повышение уплотняемости вызывает вздутие сырых форм, а ее снижение вызывает повышение осыпаемости форм. Рекомендуемая уплотняемость песчано-глинистых смесей при формовке по-сырому - 35-45 % (автоматические линии), 40-45 % (машинная и ручная формовка).

Формуемость(ГОСТ 23409.15-78) характеризует вязкость (сыпучесть) смесей в неуплотненном состоянии. Оптимальнаяформуемость - 70-80 %. Фор­муемость зависит от влажности смеси.

Предел прочности на сжатие во влажном состоянии зависит от содержания активной глины, влажности, зернового состава и степени уплотнения (ГОСТ 23409.7-78). Предел прочности на сжатие во влажном состоянии наполнительной песчано-глинистой смеси составляет 0,025-0,040 МПа, единой для машинной и ручной формовки - 0,05-0,08 МПа, единой для автоматических линий -0,15-0,6 МПа.

Предел прочности на сжатие и растяжение смесей в отвержденном состоянии (ГОСТ 23409.7-78) определяют для смесей, отверждаемых тепловой сушкой, смесей для СО₂ -процесса, горячей оснастки и холоднотвердеющих смесей. Низкая прочность повышает осыпаемость и разрушение форм и стержней, что приводит к засорам и переливам в отливках и литейных формах.

Рабочие свойства. Газопроницаемость (ГОСТ 23409.6-78). Низкая газопроницаемость вызывает появление вскипов, газовых раковин; слишком высокая - ухудшает качество литой поверхности вследствие проникновения рас­плава в поры формы.

В литейных цехах контроль качества смесей сводится к определению ос­новных характеристик: влажности, газопроницаемости, пределу прочности при сжатии во влажном и сухом состояниях; пределу прочности при растяжении. При разработке новых составов смесей устанавливают газотворную способность смесей, осыпаемость, формуемость, текучесть, выбиваемость, прилипаемость, живучесть.

Определение влажности. Метод основан на определении потери массы навески смеси после высушивания при 105-110 °С до постоянной массы.

Содержание влаги в смесях находят нормальным и ускоренным методами.

Нормальный метод. Навеску (50 ± 0,01)·10^-3 кг исследуемой смеси помещают в предварительно высушенные и взвешенные фарфоровые чашки и переносят в сушильную печь. Температура в печи должна быть 105-110 °С, По истечении 1,8·10³ с чашку с навеской вынимают из печи и взвешивают, затем опять поме­шают в печь. Каждое последующее взвешивание производят после высушивания в течение 0,9·10³с до постоянной массы. После этого чашки с навеской помеща­ют в эксикатор, где охлаждают до комнатной температуры. Охлажденную навеску взвешивают. Влажность смеси определяют по формуле (2.1):

(2.1)

где и - масса чашки с навеской до высушивания и после него, кг.

Ускоренный метод. Для ускоренного определения влаги в формовочных смесях используют прибор модели 062М (рисунок 2.1). Навески смеси массой10·10^-3 кг каждая взвешивают с точностью до ±0,1·10^-3 кг в фарфоровых чашках. Чашки с навесками устанавливают на столик 1 прибора под лампу 2 на расстоянии 40-50·10^-3 м от нее. Для удобства их установки кожух 3 поворачивают на 90°, а затем возвращают в исходное положение. Прибор включают и вы­сушивают смесь до постоянной массы. Средняя продолжительность высушивания составляет 1,8·10² с. После высушивания навеску охлаждают до комнатной температуры и снова взвешивают.

сушки.

Рисунок 2.1 - Прибор для ускоренного определения

влажности смеси тип 062М: 1 - столик; 2 - лампа; 3- кожух

Влажность смеси определяют по формуле (2.2):

(2.2)

где - масса навески песка до сушки, - масса навески песка после Одновременно сушат три образца. Расхождение между результатами параллельных определений влажности как нормальным, так и ускоренным методами не должны быть более 0,1 % при массовой доле влаги до 1 %; 0,15 % при массовой доле влаги от 1 до 5 % и 0,18 % при массовой доле влаги свыше 5 %. Если эти различия превышают указанные значения, то определение повторяют.

Определение газопроницаемости. Для этого также используют нормальный и ускоренный метод.

Нормальный метод.

Через стандартный образец диаметром и высотой 50·10^-3 м пропускают 2·10^-3 м³ воздуха комнатной температуры, при этом фиксируют давление воздуха перед образцом и время прохождения всего объема воздуха .

Газопроницаемость определяют по формуле (2.3):

(2.3)

где - объем воздуха, прошедшего через образец, м³; - высота образца, м; - площадь поперечного сечения образца, м²; - давление воздуха перед образцом, Па; - время прохождения через образец данного объема воздуха, с.

Газопроницаемость измеряется в условных единицах. Газопроницаемость смеси определяют на специальном приборе типа 042М (рис. 2.2). Трехходовой воздушный кран 10 прибора ставят в положение "Открыто" и осторожно поднимают колокол 3 до тех пор, пока отметка X, имеющаяся на колоколе, не совпадает с верхней кромкой бака 5, после этого кран прибора переключают на положение "Закрыто".

Из исследуемой смеси изготовляют стандартный образец на лабораторном копре тип 2МОЗО в неразъемной металлической гильзе. При опреде­лении газопроницаемости смеси во влажном состоянии сразу же после изготовления образца гильзу с ним вставляют в чашку 9 затвора и поворотом гайки плотно закрепляют в приборе. При определении газопроницаемости смеси в сухом состоянии образец после изготовления высушивают или отверждают в условиях, соответствующих требованиям к конкретным связующим материалам и смесям, затем охлаждают на воздухе. После охлаждения образец помещают в специальную гильзу и устанавливают на приборе.

Кран 10 (рис. 2.2) ставят в положение "Испытание", колокол 3 начинает опускаться. При совпадении отметки 0 на колоколе с краем бака 5 включают секундомер, при прохождении отметки 1000 по манометру 12 фиксируют давление воздуха под испытуемым образцом, при прохождении отметки 2000 оста­навливают секундомер и фиксируют время ( ), в течение которого через образец прошло 2·10^-3 м³ воздуха. Трехходовой кран ставят в положении "Закрыто".

Зная и , по формуле находят газопроницаемость смеси. За газопрони­цаемость принимают среднее арифметическое результатов испытания трех об­разцов. Если результат одного испытания отличается от среднего арифметиче­ского более чем на 10 %, испытание повторяют на трех новых образцах.

Рисунок 2.2 - Прибор для определения газопроницаемости тип 042М: 1- ручка; 2 - грузы; 3- колокол; 4 - стержень; 5 - бак; 6 - направляющая трубка;

7 - исследуемый образец; 8 - ниппель; 9- чашка затвора; 10 - трехходовой кран; 11-воздухопровод; 12-водяной манометр; 13 -станина

Рисунок 2.3 - Бегуны тип 02113: 1-катки; 2-плужки; 3-окно для выгрузки смеси

Ускоренный метод. В воздухопровод прибора (рис.2.2) вставляют до­полнительное сопротивление в виде ниппеля. В комплекте прибора имеется два ниппеля с калиброванными отверстиями диаметром 0,5 и 1,5·10^-3 м, которые поддерживают определенный минутный расход воздуха для каждого образца, в этом случае отпадает необходимость фиксировать время прохождения воздуха через образец. Для испытания смеси газопроницаемостью более 49 единиц при­меняют ниппель с отверстием диаметром 1,5·10^-3 м, а для смеси газопрони­цаемостью до 49 единиц - ниппель с отверстием 0,5·10^-3 м. Ниппели устраняют необходимость пропускания через образец 2·10^-3 м воздуха и позволяют определять газопроницаемость смеси по показаниям водяного манометра с помощью таблицы 2.1.

Таблица 2.1 - Газопроницаемость песчано-глинистых смесей

Па	мм вод.ст.	0,5·10^-3	1,5·10^-3 м	Па	мм вод.ст.	0,5·10^-3 м	1,5·10^-3м
1	2	3	4	5	6	7	8
98,0 107,8 117,6 127,4 137,2 147,0 156,8 166,6 176,4 186,2 196,0 205,8 215,6 225,4	1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3	- - - - - - - - - - 49,0 47,0 44,0 42,0	950 850 780 710 650 610 550 525 492 467 440 417 398 373	490,0 499,8 599,6 519,4 529,2 539,0 548,8 558,6 568,4 578,2 588,0 597,8 667,6 617,4	5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 54 5,6 5,7 5,8 5,9 6,0 6,1 6,2 6,3	14,7 14,3 13,8 13,4 13,0 12,6 12,2 11,8 11,4 11,0 10,7 10,3 10,0 9,7	138 134 128 126 122 119 115 112 108 105 102 99 96 93
235,2	2,4	40,0	358	627,2	6,4	9,4	90
245,0	2,5	38,0	341	636,0	6,5	9,0	88
2543	2,6	36,0	326	646,8	6,6	8,8	85
264,6	2,7	34,0	313	656,6	6,7	8,5	82
274,4	2,8	33,0	300	666,4	6,8	8,2	80
284,2	2,9	31,0	287	676,2	6,9	7,9	77
294,0	3,0	30,0	275	686,0	7,0	7,7	75
303,8	3,1	29,0	264	695,8	7,1	7,5	73
313,6	3,2	28,0	253	705,6	7,2	7,3	70
323,4	3,3	27,0	243	715,4	7,3	7,0	67
333,2	3,4	25,8	235	725,2	7,4	6,7	65
343,0	3,5	•24,2	226	735,0	7,5	64	63
362,6	3,7	22,7	212	754,6	7,7	6,0	59
372,4	3,8	21,8	205	764,4	7,8	5,8	56
382,2	3,9	21,0	198	774,2	7,9	5,6	54
392,0	4,0	20,0	196	784,0	8,0	5,3	52
401,8	4,1	19,5	185	793,8	8,1	5,1	50
411.6	4,2	19,0	178	803,6	8,2	4,9	-
421,4	4,3	18,5	173	813,4	8,3	4,7	-
431,2	4,4	17.8	167	823,2	8,4	4,4	-
44!,0	4,5	17,3	164	843,8	8,6	4,0	-
450,8	4,6	16,7	156	852,6	8,7	3,7
460,6	4,7	16,2	151	862,4	8,8	3,5
470,4	4,8	15,7	146	872,2	8,9	3,3
480,2	4,9	15,2	142	882,0	9,0	3,1

Определение прочности смеси при сжатии во влажном состоянии. Налабораторных бегунах тип 02113 (рис.2.3) приготовляют формовочную смесьследующего состава: сухой кварцевый песок 1КО₁0315 – 92-94 % (1,85 кг); бентонитовая глина БМ2Т₂ – 6-8 % (0,15 кг); вода – 3,5-4,5% (0,07 кг).

Сухой песок и глину загружают в лабораторные бегуны и перемешивают в течении 1,2·10² с. Затем добавляют отмеренное мензуркой количество воды и продолжают перемешивание еще 4,8·10² с. Для определения прочности смеси при сжатии во влажном состоянии используют образцы, прошедшие испытание на газопроницаемость.

Образец устанавливают на площадку 6 рычажного прибора тип 051 (рисунок 2.5), предварительно проверив, чтобы указатель 4 каретки 2 стоял на делении 0 шкалы рычага 5. Затем с помощью винта 7 и верхней площадки 8 зажимают образец. Вращением рукоятки 3 винта 1 перемещают каретку 2 до тех пор, пока под дей­ствием сжимающей нагрузки образец не разрушится; при этом указатель 4 зафик­сирует на рычаге 5 разрушающее усилие в кгс/мм². Величину разрушающего усилия необходимо перевести в МПа (1 кгс/мм² = 9,8∙10⁶ Па).

Рисунок 2.5 - Прибор для определения предела прочности

смеси при сжатии во влажном состоянии тип 051: 1 - винт, 2 - каретка, 3 - рукоятка, 4 - указатель, 5 - шкала рычага, 6 - площадка,

7 - винт, 8 - верхняя площадка

Допускается определение предела прочности на испытательных машинах моделей 04116А и приборе LRu.

Испытание проводят на трех образцах; значение предела прочности при­нимают как среднее арифметическое трех определений.

Оборудование, инструмент, материалы

Лабораторные бегуны тип 02113, лабораторный копер тип 2МОЗО, тех­нические весы ВЛТЭ-500, разновесы (ГОСТ 7328-61), сушильный шкаф СНОЛ-3,5.3,5/ЗМ, прибор для ускоренного определения влажности тип 062М, прибор для определения газопроницаемости тип 042М, секундомер (СДСпр-1-2-000), ме­таллическая гильза с поддоном (внутренний диаметр (50 ± 0,2)∙10^-3 м, высота 120∙10^-3 м), выталкиватель, прибор для определения предела прочности смеси при сжатии во влажном состоянии тип 051, совок, мерный цилиндр ГОСТ1770-74, щипцы, кварцевый песок (1КО₁0315), бентонитовая глина (БМ2Т₂).

Порядок проведения работы (Работа рассчитана на 6 ч.).

1. Приготовить смесь предназначенную для формовки по-сырому и по-сухому.

2. Определить влажность смеси.

3. Определить газопроницаемость смеси.

4. Определить предел прочности при сжатии смеси во влажном состоянии.

5. Полученные результаты наблюдений занести в сводную таблицу данных.

6. По полученным данным сделать вывод.

Сводная таблица данных

Смесь	Влажность, %			Газопроницаемость			Прочность во влаж­ном состоянии, МПа
	1	2	3	1	2	3
по-сырому
по-сухому

Содержание отчета

1. Составы смесей и режимы их приготовления.

2. Режимы сушки смесей.

3. Описание методов определения влажности смесей, газопроницаемости во влажном и высушенном состояниях, предела прочности при сжатии во влажном состоянии.

4. Схемы приборов.

5. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Виды формовочных смесей?

2. Отличие обычных формовочных и стержневых смесей от сме­сей, используемых для изготовления форм и стержней по холодной и нагревае­мой оснастке?

3. Преимущества и недостатки песчано-глинистых смесей?

4. Требования, предъявляемые к формовочным пескам, используемым для приготовления песчано-глинистых смесей?

5. Основные свойства формовочных и стержневых смесей?

6. Почему смеси должны обладать низкой гигроскопичностью и газотворностыо?

7. Какие дефекты могут образоваться в отливках, если для изготовления форм будут использованы смеси с низкой поверхностной прочностью?

8. Преимущества применения смесей с хорошей выбиваемостью?