Художественные отливки по степени сложности, массе и материалу, из которого они изготовлены, весьма разнообразны. Так, в производстве одного лишь Каслинского завода на Урале можно встретить отливки массой от нескольких граммов до нескольких тонн, по размерам от сантиметра до нескольких метров, по толщине стенки от миллиметра до десятков миллиметров. Естественно, что требования, предъявляемые к литейным формам таких разнообразных отливок, также не одинаковы. Например, прочность стенки формы статуи массой 5 т не может быть равна прочности стенки формы ажурной коробочки или браслета для часов. Следовательно, формовочные смеси для литейных форм выбираются для каждой отливки.

Облицовочная смесь соприкасается с моделью и с отливкой. Облицовочная смесь, воспроизводящая отпечаток поверхности модели, первая принимает на себя температурные воздействия заливаемого в форму металла и должна обладать хорошей прочностью, пластичностью, огнеупорностью и газопроницаемостью. Поэтому она содержит, как правило, больше свежих формовочных материалов и, как наиболее дорогая, используется в форме в небольших количествах (слоем 20–30 мм на поверхности модели).

Наполнительная смесь состоит в основном из оборотной смеси с небольшим количеством свежих материалов.

Формовочные смеси при машинной формовке архитектурного литья вследствие особенностей технологического процесса формовки используются одновременно в качестве облицовочной и наполнительной смеси и называются едиными смесями .

Естественные, или природные, смеси представляют собой глинистые пески марок П0063 и Ж005 с содержанием глины от 12 до 30 %. Природные формовочные смеси широко применяются в производстве тонкостенных ажурных и кабинетных чугунных и цветных отливок для форм, заливаемых в сыром виде и после сушки. Эти смеси обладают хорошей пластичностью, сырой и сухой прочностью.

Искусственные , или синтетические, смеси наиболее распространенные в производстве художественных и архитектурных отливок. Они представляют собой смесь песка и глины или нескольких песков с большим или меньшим содержанием глины и отработанной смеси. Пески и оборотную смесь смешивают в таких пропорциях, чтобы в результате образовалась формовочная смесь, обладающая необходимыми свойствами.

Формовочные смеси для форм чугунных отливок. Состав формовочных смесей (табл. 72) зависит от сложности конфигурации и поверхности отливок, толщины их стенок и состояния литейной формы перед заливкой.

Таблица 72

Состав и свойства формовочных смесей для форм чугунных художественных и архитектурных отливок

Отливки	Особые требования к отливкам	Состояние формы перед заливкой	Смесь	Свойства смеси
Предел прочности при сжатии, МПа	Газопроницаемость, усл.ед.	Влажность, %	Глина	Свежие добавки	Оборотная смесь
Тонкостенные ажурные (шкатулки, вазы, тарелки и др.)	Повышенная чистота поверхности	Сырая	Единая	0,03–0,035	80–90	3–4	12–20	10–12	Остальное
Кабинетные (настольные бюсты, статуэтки и др.)	Чистота и мягкость поверхности (отливки отжигаются)	Сухая	Облицовочная	0,085–0,09	19–21	9–10	25–30	60–70	30–40
Наполнительная	0,055–0,06	20–25	6–8		–
Статуарные (статуи и памятники)	Чистота поверхности	Сухая	Облицовочная	0,08–0,09	20–25	5–6
Наполнительная	0,068–0,07	26–30	6–7	2,4	12,5	87,2
Архитектурные (решетки, колонны, балясины, барельефы и др.)	Чистота поверхности	Сырая	Облицовочная, мазут	0,02–0,025	30–50	4–6	12–15
Наполнительная, бентонитовая эмульсия	0,02–0,03	66–70	4–6	10–12

Смеси для форм ажурных отливок, имеющих сложную поверхность, тонкую стенку и большое число просветов, образующих ажур, должны обеспечивать получение в форме четкого отпечатка сложной поверхности модели и прочность мельчайших болванчиков, даю­щих просветы в отливке. Кроме того, чугун при заливке в форму по срав­нению с цветными сплавами имеет более высокую температуру. Поэтому формовочные смеси для форм, заливаемых чугуном, должны обладать доста­точной огнеупорностью.

Повышение температуры заливки чугуна приводит к более интенсивному газовыделению при прогреве формы – формовочные смеси должны иметь хорошую газопроницаемость. Таким образом, формовочные смеси для форм, заливаемых чугуном, при достаточной прочности должны быть газо­проницаемыми и огнеупорными.

Формовочные смеси для форм отливок из цветных сплавов. Латунь, бронза и алюминиевые сплавы, применяемые в производстве художественного литья, по сравнению с чугу­ном имеют более низкую температуру заливки и большую жидкотекучесть. Поэтому при изготовлении литейных форм представляется возможным применять мелкозернистые формовочные смеси, дающие чистую и гладкую поверхность отливки.

Формовочные смеси для форм, заливаемых по-сырому , применяют при изготовлении литейных форм для тонко­стенных и ажурных отливок (барельефы, ажурные тарелки, вазы, детали статуэток и т.д.).

Для получения в форме хорошего отпечатка, сложной поверх­ности модели и прочности небольших болванчиков, образующих просветы в отливке, формовочные смеси таких форм должны иметь хорошую газопро­ницаемость, пластичность и быть достаточно прочными. Поэтому при приготовлении смесей применяют мелкозернистые пески с повышенным содержанием глины (природные глинистые и обогащенные с добавками глины в качестве самостоятельного компонента смеси).

Смеси для форм, заливаемых по-сырому, используют и при изготовлении форм для архитектурных отливок. В этом случае большая масса отливки и размеры форм требуют применения в формовочных смесях более крупных песков и повышающих огнеупорность смеси добавок.

Формовочная смесь для форм, заливаемых после сушки . Литейные формы статуй и бюстов значительно сложнее обычных отливок. Для их изготовления применяют, как правило, сложную кусковую формовку. При этом формовщик, разбирая форму для удаления модели, имеет дело не с полуформами, скрепленными стенками опоки, а с частями формы в виде спрессованных кусков формовочной смеси. Естественно, что такие формы должны быть изготовлены из более проч­ных формовочных смесей.

Смеси для кусковой формовки должны выдерживать давление не менее 0,09 МПа на поверхности формы. Газопроницаемость таких смесей в сыром виде вследствие содержания в них большого количества глины низкая (20–25 усл.ед.). Поэтому литейные формы, изготовленные из этих смесей, нельзя заливать в сыром виде, так как повышенное количество пара и газа не будет свободно выходить из формы через ее стенки. Газопроницаемость форм, изготовляемых из жирных формовочных смесей, улучшают путем их сушки. В процессе сушки в результате испарения влаги и выгорания добавок увеличивается пористость формы. Газопроницаемость смеси в форме после сушки повышается до 60–70 усл.ед.

В качестве наполнителя смеси используют одну отработанную смесь. Освежают ее с учетом наличия в ней значительного количества неперегоревших кусков форм, набиваемых из жирной облицовочной смеси.

Специальные формовочные смеси. В производстве художественного литья часты случаи, когда сложность отливки требует применения особых способов изготовления литейной формы, использования специальных формовочных смесей.

Жидкая формовочная смесь применяется при формовке скульптурных отливок для нанесения облицовочного слоя на поверхность восковой модели и изготовления в форме стержня. На поверхность модели жидкую смесь наносят путем оплескивания модели. При изготовлении стержня смесь заливают в полость гипсовой формы. В состав жидкой смеси входят кварцевые пески, пылевидный кварц, цемент и вода. Суспензию на этилсиликатном связующем применяют для нанесения на поверхность выплавляемой модели слоя, который после ее выплавления образует неразъемную керамическую форму – оболочку для отливки.

Связующим суспензии является гидролизованный раствор этилсиликата, наполнителем – пылевидный кварц (маршаллит) марки КП1, КП2, прокаленный при температуре 850–900 °С, с удельной поверхностью не менее 5 м 2 /г.

Песчано-смоляные смеси применяют в производстве отливок, получаемых в оболочковых формах. В состав смеси в качестве наполнителя входит кварцевый песок с зернами размером менее 0,2 мм. В качестве связующего используют термореактивную смолу. В целях экономии дорогостоящих смол оболочки полуформ изготовляют двухслойными. В этих случаях песчано-смоляные смеси делят на облицовочные и наполнительные. Облицовочные приготовляют с большим содержанием смол, наполнительные – с меньшим.

Стержневые смеси в процессе заливки формы находятся в более тяжелых условиях, чем формовочные, поэтому они должны быть более прочными, газопроницаемыми, податливыми, огнеупорными, менее гигроскопичными, с хорошей выбиваемостью из отливки (табл. 73).

Основными материалами для приготовления стержневых смесей, как и для формовочных, является песок и глина. Однако большое количество гли­ны, необходимое для повышения прочности, ухудшает газопроницаемость, податливость, выбиваемость смеси, увеличивает ее пригар к стенкам отливки. Для улучшения качества стержневой смеси в ее состав вместо глины вводят крепители. К ним относятся различного рода масла, декстрин, жидкое стекло и другие специальные материалы.

Таблица 73

Стержневые смеси для чугунных художественных и архитектурных отливок

Отливки

Свойста смеси

Содержание компонентов в смеси, мас. %

Газопроницаемость, усл.ед.

Влажность, %

Предел прочности, МПа

Сухие составляющие

Жидкие композиции

при сжатии

при растяжении

Оборотная смесь

песок

Глина

ЛСТ

Декстрин

Жидкое стекло

2К 2 О 2 016

Ж 2 01

1Т 1 О 1 016

1К 1 О 1 01

3К 3 О 3 02

Кабинетные (настольные бюсты, статуэтки и группы)

3–4

0,018–0,03

0,2

–

–

–

–

–

–

–

6–7

0,02–0,03

0,2

–

–

–

–

–

–

–

–

Архитектурные (колонны, тумбы, вазы декоративные и др.)

5–6

0,03–0,035

0,07–0,15

–

–

–

–

–

–

3–4

0,015–0,03

0,3–0,5

–

–

–

–

–

5–7

Песчано-глинистые смеси имеют достаточную прочность в сыром виде, их применяют для стержней простых форм художественных отливок, изготовляемых по-сырому. Песчано-масляные смеси применяют для стержней кусковых форм, заливаемых после сушки.

В технологическом процессе изготовления стержней значительную часть времени занимает их сушка. Трудоемкость и продолжительность процесса сушки стержней устраняются совершенно или сокращаются до ми­нимума при использовании в стержневых смесях в качестве связующего жидкого стекла (5–7 %). Стержни из таких смесей твердеют на воздухе без обработки, после продувки углекислым газом СО 2 . Используют их в пластичном и жидком состояниях. Более эффективны самотвердеющие смеси (ЖСС, ПСС).

Для улучшения податливости и газопроницаемости в стержневые песчано-глинистые смеси для крупных стержней статуарных отливок добавляют рубленую солому, древесные опилки, торф.

Для небольших стержней статуэток иногда вместо специальной стержневой смеси используют облицовочную смесь для кусковой формовки.

Смеси для ювелирного литья

Для литья ювелирных изделий сложной конфигурации из сплавов меди (Т пл до 1 100 °С) широкое распространение получил так называемый энтион-процесс с применением кристобалито-гипсовых форм. Используют как импортные формовочные материалы («К-90», «Сатинкаст», «Суперкаст» – табл. 74, «Инвестрайт» – табл. 75), так и отечественную формовочную массу «Ювелирная». Импортные формовочные смеси имеют высокую химическую чистоту компонентов: 70–75 % смеси β-кристобалита и β-кварца; 25–30 % высокопрочного α-гипса СаSO 4 ·1/2Н 2 О. Крупность порошков кристобалита и гипса в этих смесях не превышает 100 мкм.

Таблица 74

Химический состав формовочных масс для ювелирного литья

Продолжение табл. 74

Таблица 75

Состав и свойства смеси «Инвестрайт»

В импортных формовочных массах используется кристобалитсодержащее сырье месторождения Сан-Кристобаль (Мексика) или искусственный продукт обжига при температуре 1 150–1 200 °С аморфного кремнезема, полученного разложением природ­ных минералов в щелочной среде.

Главными особенностями современного процесса являются следующие технологические операции:

1. Применение вакуума и вибрации при изготовлении водных суспен­зий и монолитов литейных форм для удаления из них газовых пузырьков, адсорбируемых частицами гипса и поверхностью восковых моделей.

2. Использование технологических добавок, замедляющих схватывание гипса и удлиняющих период текучести формовочных суспензий:

а) в смеси «К-90» – около 2 % Н 3 ВО 3 ·10Н 2 О или 0,5 % Na 2 B 4 O 7 ;

б) в смеси «Суперкаст» – около 3 % Na 2 SiO 3 и H 3 BO 3 ·10H 2 O;

в) в смеси «Сатинкаст» – около 1 % Na 2 SiO 3 и H 3 BO 3 ·10H 2 O.

3. Применение в качестве компенсаторов усадки гипса кристобалита, превращение которого происходит в интервале температур 250–300 °С сопровождается значительным эффектом объемного расширения. К достоинствам импортных формовочных смесей можно отнести технологичность операций формовки, выбивки и очистки отливок. К недостаткам – высокое содержание гипса, имеющего склонность к разложению при температуре 650 °С и выше.

Смесь «К-90» содержит 25 % гипса, 35 % кварца, 40 % кристобалита. Борную кислоту, асбест и силикат натрия используют так же, как упрочняющие добавки. Однако при точном литье по восковым моделям при введении в формовочный материал Na 2 SiO 3 ·9H 2 O + H 3 BO 3 наблюдается снижение чистоты поверхности.

В нашей стране ВНИИювелирпромом разработана формовочная масса «Ювелирная», состоящая из динаса и гипса. В качестве огнеупорного на­полнителя используют динасовый порошок из динаса сорта ЭД, имеющий по сравнению с другими сортами наименьшее и лимитированное содержание СаО, Fe 2 O, наибольшее количество SiO 2 – 96 %. У формовочных смесей из порошка динаса ЭД фракций 0,08 мм, менее 0,08 мм и порошка, не просеянного по фракциям, близкие значения текучести и периода затвердевания (табл. 76).

Таблица 76

Технологические параметры формовочных смесей

из динасового порошка различной дисперсности

П р и м е ч а н и е. Минералогический состав динаса: a-кварц + a-кристобалит + g-тридимит.

Технические данные формовочной смеси «Ювелирная» следующие: 80–88 % динаса, 20–12 % гипса, затворитель – вода с ортофосфорной кислотой (до 5 мл на 1 л воды). Количество затворителя на 1 кг порошко­вой части – 380 мл: текучесть по Суттарду – 140 мм; затвердевание, нача­ло (конец) в 14 мин, конец в 24 мин; осыпаемость – 0,27 %.

Для точного литья цветных металлов в формовочных смесях в ка­честве связующего применяют высокопрочный гипс. При гидротермальной обработке гипсового камня насыщенным водяным паром в закрытых аппа­ратах (автоклавах) образуется α-полугидрат (высокопрочный гипс), а в открытых сосудах – β-полугидрат (строительный гипс). При смешивании по­рошкообразного гипса с водой образуется дигидрат CaSO 4 ·2H 2 O – твердое камневидное вещество. Химическая реакция разложения гипса (двуводного сульфата кальция) теоретически протекает при температуре 107 °С:

CaSO 4 · 2H 2 O = CaSO 4 · 0,5H 2 O + 1,5H 2 O

В интервале температур 170–200 °С происходит дальнейшая потеря гипсом кристаллизационной воды, образуется так называемый растворимый ангидрит CaSO 4 , активно соединяющийся с водой. При температуре 200–400 °С наблюдается почти полное удаление из гипса кристаллизационной воды. Образуется смесь нерастворимого и растворимого ангидрита. При температуре выше 450 °С гипс переходит в намертво обожженный гипс-ангидрит CaSO 4 . При температурах 750–800 °С образуется эстрих-гипс.

После смешивания порошкообразного гипса с водой и образования камневидного тела прочность гипса достигает максимума при высушивании его до постоянной массы. Замедление схватывания гипса может быть до­стигнуто введением гашеной извести (1–2 %), а также борной кислоты (1,0–2,5 %) и других соединений.

В отечественной формовочной смеси «Ювелирная» в качестве огне­упорного наполнителя используется динасовый порошок, полученный уралитовым помолом динасовых кирпичей сорта ЭД. Электродинас имеет ограничение по содержанию СаО и Al 2 O 3 , наименьшее содержание соединений железа и наибольшее SiO 2 (96 %).

ТИПОВЫЕ СОСТАВЫ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ

Формовочные смеси для форм стальных отливок

Основными требованиями, предъявляемыми к этим смесям, являются прочность и высокая термохимическая устойчивость, что особенно важно при производстве крупных отливок. Некоторые составы формовочных смесей из высокоогнеупорных материалов для крупных стальных отливок приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Составы формовочных смесей для крупных стальных отливок

	Состав смеси, %		Влажность, %	Газопрони-цаемость	Предел прочности при сжатии по-сырому, кПа
	Связующие материалы	огнеупорные материалы
Крупные, массой более 5000 кг; толщина стенки	стекло 7,5	Хромомагнезитовый
Особо крупные и тяжелые, массой более 5000 кг		Хромистый железняк
Из легирован- ной стали	крепитель	Цирконовый песок 100

Для повышения прочности и термохимической устойчивости формы крупных стальных отливок подвергают сушке. Однако эта операция удлиняет технологический цикл, поэтому широко используют поверхностную подсушку форм и быстротвердеющие смеси. Применение быстротвердеющих и самотвердеющих смесей в производстве крупного стального литья – одно из основных направлений развития и совершенствования технологии изготовления форм.

Хромомагнезитовые формовочные смеси на жидком стекле (таблица 1, строка 1) обладают высокой термохимической устойчивостью и применяются для изготовления форм крупных отливок из нержавеющих и жаропрочных сталей. Хромомагнезитовые смеси на жидком стекле имеют несколько меньшую податливость, чем аналогичные смеси на лигносульфонате техническом (ЛСТ). Поэтому стержни и выступающие части формы, препятствующие усадке отливки, изготовляют из смеси на ЛСТ.

Недостатком хромомагнезитовых смесей является низкая газопроницаемость, вследствие чего толщина облицовочного слоя не должна превышать 10 – 15 мм, чтобы исключить образование в отливках газовых раковин.

Хромомагнезитовые смеси приготовляют из отходов хромомагнезитового кирпича, содержащего 15 – 20% С r 2 O 3 и не менее 42% MgO . После дробления и разлома в бегунах хромомагнезитовый порошок просеивают через сито со стороной ячейки 0,8 – 1,5 мм. Для приготовления смесей для крупных отливок остаток на двух последних ситах и тазике должен быть 30-35%. Для мелких и средних отливок рекомендуется более мелкий помол (остаток на тех же ситах 35-40%).

Смеси на основе хромистого железняка (таблица 1, строка 2)применяют для форм отливок массой до 160 т с толщиной стенки не более 70 мм из углеродистых и специальных сталей. Хромистый железняк дробится и просеивается через сито с ячейками 1,0 – 1,5 мм. Просеянный хромистый железняк должен содержать не более 30 – 40% пылевидной фракции. Из полученного песка в бегунах готовится формовочная смесь влажностью 6 – 7%. Дополнительные связующие материалы можно не вводить, т.к. после сушки образуется плотная корка. Если прочность недостаточна, то в состав смеси вводят 0,75 – 3,0% ЛСТ. Толщина облицовочного слоя смеси зависит от толщины стенки, массы, конфигурации отливки и выбирается в пределах 25 – 150 мм.

Использование облицовочных смесей связанно с рядом производственных неудобств – большим расходом хромистого железняка, отслаиванием облицовочного слоя формы, при формовке в почве и на встряхивающих машинах облицовочная смесь перемешивается с наполнительной. Поэтому часто формы облицовывают пастами из хромистого железняка. Для отливок массой 1,5 – 2 т толщина слоя пасты должна быть 1,5 мм, а для отливок массой 30 т и более толщина слоя 2 – 4 мм. В качестве связующего в составе пасты используют патоку (10-12%) и декстрин (0,1 – 2,0%). На формы крупных и толстостенных отливок пасту наносят в два слоя.

Цирконовые формовочные смеси (таблица 1, строка 3)позволяют получать высокую чистоту поверхности отливок, но вследствие дороговизны песка применяются редко, только при изготовлении особо ответственных отливок.

Быстротвердеющие жидкостекольные песчано-глинистые смеси занимают доминирующие положение в производстве отливок, как из углеродистых, так и из легированных сталей. Переход с песчано-глинистых на жидкостекольные смеси сокращает производственный цикл, способствует увеличению роста выпуска отливок на одного рабочего и обеспечивает получение отливок высокого качества. Однако при этом увеличивается расход свежих материалов. На практике часто для форм стальных отливок применяют облицовочные быстротвердеющие смеси, составы которых приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Составы облицовочных быстротвердеющих смесей с жидким стеклом для форм стальных отливок

	Состав смеси в вес, %
	Отработанная	Песок К02,	порошко-образная	Общее глино-
назначения
	Влажность, %		Газопрони-цаемость	Предел прочности, кПа/м 2
				на сжатие (по-сырому)		на разрыв (по-сухому)
назначения

Песчано-глинистые формовочные смеси применяют для изготовления отливок из углеродистой стали малой и средней массы (таблица 3).

Таблица 3 – Составы песчано-глинистых формовочных смесей для форм стальных отливок

	Характеристика отливки	Состав смеси, % вес.						Влажность, %	Газопроницае-мость	Предел прочности при сжатии во влажном состоянии,
		Отработанная	Кварцевый		Общее глино-содержание
формовки по-сырому	Масса до 100 кг, толщина стенки до 25 мм
	Масса 100-500 кг, толщина стенки до 25 мм
	Масса до 500 кг, толщина стенки до 50 мм
	Масса до 5000кг, толщина стенки до 50 мм
	Склонна к горячим трещинам; толщина стенки до 80 мм
для формовки по-сырому	Масса до 100 кг
* В смесь вводят до 8% (объем.) древесных опилок.

Тонкостенные отливки массой до 500 кг получают во влажных формах, ответственные и более тяжелые отливки – в сухих формах. Для крупных отливок, массой более 5000 кг, и средних отливок со стенкой толщиной более 50 мм облицовочную смесь приготовляют только из свежих материалов и в качестве противопригарного материала вводят до 30% маршалита.

Для стальных отливок формовочные смеси готовят из крупнозернистого кварцевого песка, чтобы увеличить огнеупорность смеси. После сушки формы красят маршалитовой краской.

Качество стальных отливок улучшится при использовании бентонитовых смесей, влажностью 4 – 5% с небольшими добавками органических связующих (ЛСТ, древесного пека, ГТФ и др.) (таблица 4).

Таблица 4 - Типовые составы песчано-бентонитовых смесей, применяемых для формовки по-сырому при изготовлении стальных отливок

Смесь и способ формовки		Состав формовочной смеси, %				Влажность, %	Газопроницаемость	прочности при сжатии, кПа
		Оборотная смесь	Кварцевый песок	Бентонит
Единая для автоматических пескодувно-прессовых линий формовки типа Дисаматик					0,05-0,10 крахма-листые
Единая для автоматической формовки прессованием	Мелкие и средние				0,05-0,10 крахма-листые 0,01-0,03 ПАВ
Единая для машинной формовки встряхиванием с подпрессовкой	Мелкие и средние				0,04-0,08 крахма-листые
Облицовочная для машинной формовки встряхиванием с подпрессовкой					0,01-0,03 ПАВ

Во влажных формах с бентонитовой облицовочной смесью можно получать ответственные отливки массой до 1000 кг со стенками толщиной 20 мм и более. При введении в облицовочную смесь жидкого стекла во влажных формах можно изготавливать отливки массой более 2000 кг.

Жидкие самотвердеющие (ЖСС) и быстротвердеющие смеси открывают большие возможности для механизации процессов формовки, улучшения санитарно-гигиенических условий труда, повышения точности отливок и снижения трудоемкости изготовления формы.

Формовочные смеси для чугунных отливок (таблица 5)

В массовом производстве с высокомеханизированным смесеприготовительным отделением рекомендуется использовать единые формовочные смеси. В формах из единой смеси изготовляют детали автомобилей, тракторов, детали станкостроения и автодорожного машиностроения, к которым предъявляют повышенные требования по качеству и чистоте поверхности.

Таблица 5 - Составы песчано-глинистых формовочных смесей для форм чугунных отливок

Состав смеси в вес. %

Влажность, %

Газопроницаемость

Предел прочности на сжатие во влажном состоянии, кПа

Формовка

Масса, кг

Толщина стенки, мм

Зерновой

Облицовочная

Обработанная смесь

Свежие материалы

Каменный.уголь

Древесные опилки

Отработанная смесь

Свежие материалы

Каменно-угольная пыль

По-сырому

По-сухому

Кирпичные формы и стержни

На разрыв в сухом состоянии

Единая смесь приготовляется из отработанной смеси с добавлением свежих материалов (кварцевого песка и огнеупорной глины). Замена огнеупорной глины бентонитом (таблица 6) резко улучшает качество отливок. в состав единой смеси в качестве упрочняющих и противопригарных добавок вводят каменноугольную пыль (0,5 – 1,5%), древесный пек (до 1 %), ЛСТ (до 2%) и др.

К атегория:

Производство точных отливок

Получение точных отливок из алюминиевых, магниевых и медных сплавов по постоянной модели

В гипсовых формах изготовляют отливки только определенной массы. Особо сложные отливки получают в оболочковых керамических формах. Согласно сообщениям некоторых специализированных фирм (Canadion-Marconi, Sterling Metals Limited, Munetto) керамические формы более выгодны для отливок, имеющих очень большую разностенность.

Преимущества гипсовых форм для литья алюминиевых сплавов приводятся в работах.

Гипсовые формовочные смеси. Связующим в этих смесях является гипс, качеству которого придается большое значение. Для гипсовых форм пригоден только такой гипс, который при затвердевании не дает усадку. Гипсовые формовочные смеси имеют следующий ориентировочный состав, %: 30-100 гипса, 5-40 асбеста, 19-30 талька, 5-80 кварцевой муки, 0-10 гончарной глины, 33 молотого кирпича, 0-50 кварцевого песка, 70 кристобалита, 0-1,5 извести, 0-5 портландцемента, 0,25- 3,0 бромистого аммония.

Гипсовые формовочные смеси замешивают на воде до сметано-образного состояния в следующих соотношениях компонентов: 0,35 ч. воды на 1 ч. смеси. Отдельные присадки в гипсовые смеси влияют на их свойства следующим образом: молотый асбест повышает пористость; если асбест используют в волокнистой форме, то улучшаются механические свойства формы. Молотый асбест должен иметь соответствующую зернистость. Кварцевая мука снижает объемные изменения гипсовой смеси во время затвердевания, прокаливания и охлаждения формы. Тальк и кварцевый песок, как инертные наполнители, компенсируют объемные изменения. Известь и цемент стабилизируют объемные изменения формы. Бромистый аммоний при обжиге форм разлагается на газообразные вещества и способствует повышению газопроницаемости форм.

Помимо указанных присадок вводят также много других, применяемых значительно реже: борную кислоту в количестве от 1 до 2% и буру 0,35-0,5%, способствующих быстрому отверждению смеси. Жидкое стекло повышает прочность и сопротивление форм против истирания. Альгинат натрия в количестве 0,1-0,5%, карбонат натрия (0,1-0,5%), формалин регулируют скорость отверждения. Алюминат кальция в количестве 2,5-12% и окись цинка замедляют отверждение и придают формам большую прочность. В качестве присадки для повышения прочности форм используют также добавки окислов алюминия, железа и т. п.

Гипсовые формы должны иметь следующие основные свойства: достаточную прочность и сопротивление истиранию; достаточную газопроницаемость; возможно наименьшие объемные изменения.

Перечисленные свойства обеспечиваются составом смеси и способом ее приготовления. Наибольшее влияние на свойства смеси (помимо ее состава) оказывает вязкость гипсовой массы, определяемой соотношением сухих компонентов и воды. В результате исследований авторов оказалось, что количество воды на 1 кг формовочной смеси не должно превышать 0,8 л, иначе формы будут иметь низкую прочность, высокую газопроницаемость и при сушке большую усадку; наилучшим является соотношение 0,45- 0,55 л воды на 1 кг смеси. При меньших количествах воды гипсовая смесь очень густая и заливать ею сложные модели трудно; в такую смесь замешивается много воздушных пузырьков. Если соотношение приближается к 0,8 л воды на 1 кг смеси, то отверждение смеси резко замедляется и она даже через 48 ч остается мягкой. Это относится к гипсовой смеси, состоящей из 50% гипса «Rocasso», 30% асбестовой крошки и 20% кварцевой муки.

На свойства гипсовых форм еще влияют температура и время перемешивания формовочной смеси. Для указанной гипсовой смеси лучше всего применять воду с температурой 50-52 °С; при этой температуре формы имеют максимальную прочность, сопротивление истиранию, газопроницаемость и постоянство объема. Время перемешивания гипсовой смеси не должно превышать 3 мин. Более быстрое или более длительное перемешивание приводит к усадке гипсовых форм.

Несмотря на то, что гипсовые формы имеют в составе смеси вещества для повышения газопроницаемости, все же ее величина недостаточна, и поэтому получаются отливки с дефектами, например неслитинами.

Газопроницаемость можно повысить тремя способами:

1) присадкой в формовочную смесь таких веществ, которые после отверждения и нагрева формы газифицируются и удаляются из нее и за счет этого повышают газопроницаемость. Чаще всего для этих целей используют хлорид или бромид аммония;

2) нагревом в автоклаве (способ Antioch). При нагреве во влажной атмосфере при температуре 90° С гипс (дигидрат кальция) переходит в полугидрат , так как при этой температуре дигидрат является неустойчивой формой сульфата кальция. Вода, выделившаяся при разложении дигидрата кальция, растворяет полугидраты до насыщения. Так как растворимость полугидратов с увеличением температуры снижается, то в автоклаве поддерживается низкое давление (от 0,07 до 0,2 МПа). После выдержки (6 ч) формы в автоклаве ее охлаждают во влажной атмосфере. Поверхность формы охлаждается быстрее, чем внутренняя ее часть, поэтому в наружных слоях формы выделяются мелкие кристаллы дигидрата, а во внутренних частях формы - крупные. В такой форме с мелкозернистым поверхностным слоем и пористой внутренней частью газопроницаемость существенно выше;

3) вспениванием смеси (способ Gypsum Hydroperm). Сущность способа в том, что в гипсовые смеси добавляют вспениватель. В смесь вводят вещества, например, карбонат и разбавленную кислоту или перекись водорода и аммиачную воду. Между ними при перемешивании смеси идут реакции с выделением большого объема газа. Можно вводить в гипсовую смесь органические пенообразователи, которые при перемешивании захватывают воздух и хорошо его стабилизируют во всем объеме. Отвердевшая гипсовая форма насыщена мелкими газовоздушными пузырьками, что увеличивает газопроницаемость формы; условно назовем этот способ механическим вспениванием. Для каждого из этих способов существует своя технология.

В первом случае газопроницаемость повышается только после нагрева до температуры, при которой из формы практически удалена вся вода (и свободная, и связанная). При нагреве в автоклаве и при механическом вспенивании формовочной массы пористость образуется в тот момент, когда в форме имеется вся вода, как химически связанная, так и свободная.

Формы, у которых газопроницаемость повышают по первому способу, содержат в исходной гипсовой смеси вещества, которые образуют пористость тотчас после затвердевания массы. Это необходимо для того, чтобы облегчить отвод водяных паров при последующей термообработке. Механически удаляется вода при температуре 85-96 °С. Сушить форму следует осторожно, так как пористость весьма невелика и при образовании больших объемов водяного пара может произойти ее повреждение. Минимальное время нагрева до указанной температуры составляет 8 ч. Затем следует нагрев до 200-220 °С, при котором удаляется большая часть связанной воды. Скорость нагрева 50 °С/ч. При этой температуре формы выдерживают до 12 ч. Затем следует нагрев до 380 °С с той же скоростью, чтобы разложить аммониевые соли. Выдержка при этой температуре 5 ч. Далее формы охлаждают при 100 °С их извлекают из печи и подготовляют к заливке.

При изготовлении гипсовых форм, подлежащих нагреву в автоклаве или вспениванием, ‘в смесь не вводят присадки, повышающие газопроницаемость, такие, как асбест, стеклянная вата. Они в данном случае излишни. Более того, при их использовании увеличивается шероховатость поверхности форм. В период тепловой обработки гипсовой формы она становится достаточно газопроницаемой для удаления влаги. Именно в этот период удаляется свободная и дигидратная вода. Полугидратная вода удаляется во время заливки металла в форму. Образующиеся пары благодаря высокой газопроницаемости формы удаляются через стенки без какого-либо повреждения формы.

Таким образом, тепловая обработка форм при нагреве в автоклаве или при вспенивании очень проста, и сами формы не так чувствительны к скорости нагрева. Тепловую обработку форм проводят при низких температурах, находящихся между эндотермическими пиками, обусловленными потерей дигидратной и полу-гидратной воды. При нормальных условиях эта температура находится в пределах 180-225 °С. В диапазоне этих температур формы (в зависимости от их величины) выдерживают 10- 18 ч. После охлаждения формы подготовляют к заливке.

Сравнительные испытания всех трех описанных способов, проведенные предприятием ZPS г. Готвальдов (ЧССР ), показали, что

газопроницаемость форм была в пределах 48-52 J. N. Р. Одинаковыми были также качество поверхности отливок и плотность металла непосредственно под литейной коркой.

Вспенивание форм требует точного выдерживания технологических параметров: давления, температуры и времени пребывания в автоклаве.

Для повышения газопроницаемости за счет разложения аммониевых солей необходима медленная и осторожная тепловая обработка форм. Объемную стабильность таких форм можно повысить присадкой 1% сульфата алюминия A12 3. Обработку гипсовых форм в автоклаве применяют в серийном производстве, а механическое вспенивание-в единичном.

Если необходимо иметь только определенную часть отливки с особо качественной поверхностью и жесткими допусками на размер, используют комбинированную форму. В песчаную форму вставляют или гипсовый стержень, или часть гипсовой формы.

Максимальная масса отливок из алюминиевых сплавов, которые можно получать в гипсовых формах, составляет 10-160 кг. Минимальная толщина стенки 1,5 мм, в особых случаях 0,55 - 1,0 мм.

Шероховатость поверхности в пределах от 60 до 80 RMS . Теплопроводность гипсовых форм относится к теплопроводности обычных песчаных форм как 0,65: 1,0, что необходимо учитывать, в частности, при литье свинцовистых бронз. Содержание свинца в таких бронзах должно быть не более 2,5%, а содержание углерода максимум 7%; при более высоком содержании свинца при охлаждении происходит его ликвация.

Определения литья в землю
Определим, какими терминами называют литейную технологию заливки металла в формы на основе песка. Аналогичными считаются формулировки:
- Литье в песчаные формы, смеси;
- Литье в песчано-глинистые формы, смеси;
- Литье в землю.
Все эти термины обозначают одну и туже технологию литья. Применение далее любого из названий, будем считать аналогами.

Литейная продукция

Литье в песчаные формы – метод литья металлов и сплавов, при котором расплавленный металл заливается в форму сделанную из плотно утрамбованного песка. Для связи песчинок между собой, песок смешивают с глиной, водой и другими связующими материалами.
Более 70% всех металлических отливок производится с помощью процесса литья в песчаные формы.
Основные этапы

Есть шесть шагов в этом процессе:
-Поместить модель в опоку с песком, чтобы создать форму.
-В необходимых местах присоединяются литниковая система и выпоры.
-Удалить из опоки модель и соединить полуформы.
-Заполнить полость формы расплавленным металлом.
-Выдержать застывающий металл в опоках согласно технологии.
-Выбить отливку и освободить от литников и выпоров.

Литейные модели

По чертежам и литейным технологиям, разработанных технологом или конструктором, опытный модельщик изготавливает модель детали из дерева, металла или пластмассы или пенополистирола. Металл в процессе охлаждения даёт усадку, и кристаллизация может быть неоднородной из-за неравномерного охлаждения. Таким образом, модель должна быть чуть больше, чем готовая отливка, с применением, так называемого, коэффициента усадки металла. Различные усадочные коэффициенты используются для различных металлов. Модели в процессе формовки оставляют в песке полости-отпечатки в форме, в которые помещают стержень из песка. Такие стержни иногда усиливается проволочной арматурой, которые используются для создания полостей, которые не могут быть сформированы основной моделью, например, внутренние проходы клапанов или места охлаждения в блоках двигателей.
Литниковая система для входа металла в полости формы представляют собой направляющую и включает воронку, литники, которые поддерживают хороший напор жидкого металла, для более равномерного заполнения полости формы. Газ и пар, образующихся при литье выходят через проницаемые пески или через стояки, которые изготавливаются либо в самой модели, или в виде отдельных частей.

Опоки для формовочных материалов
Для формовки используют две или несколько опок. Опоки изготавливаются в виде ящиков, которые могут быть соединены друг с другом и скреплены между собой. Модель утапливается в нижней части опоки вплоть до её самого широкого поперечного сечения. Затем монтируется верхняя часть модели. К нижней части опоки зажимами прикрепляется верхняя и туда добавляется и утрамбовывается формовочная смесь таким образом чтобы она полностью закрывала модель. В необходимых местах устанавливаются литники и выпора. Затем опока половинится и из неё вынимается модель, деревянные литники и выпора.

Охлаждение металла
Для управления кристаллизацией структуры металла, в форму можно поставить металлические пластины, холодильники. Соответственно быстрое локальное охлаждения образует более детальную структуру металла в этих местах. В черной отливке эффект аналогичен закалке металла в кузнице. В других металлах, холодильники могут быть использованы для управления направленной кристаллизации отливки. При управлении способом охлаждения литья можно предотвратить внутренние пустоты или пористость внутри литья.

Производство
Для получения полостей в отливке, например, для охлаждающей жидкости в блоке двигателя и головок цилиндров используются стержни. Обычно стержни для литья ставятся в форму после удаления модели. После сушки опоку с формой устанавливают на литейный плац для заполнения расплавленным металлом, обычно сталь, бронза, латунь, алюминий, магний и цинк. После заполнения жидким металлом опоки не трогают до охлаждения отливки. После выбивки отливки, стержни удаляются из литья. Металл литников и прибылей любым способом должен быть отделен от отливки. Различные термические обработки могут быть использованы для снятия напряжений от первоначального охлаждения и добавить твёрдости в случае закалки в воде или масле. Поверхность литья может быть дополнительно упрочена дробеструйной обработкой, которая добавляет устойчивости к растрескиванию, растягивает и разглаживает шероховатую поверхность.

Разработка технологии
Чтобы было возможным удалить модель не нарушая целостности формовочной смеси все части модели должны быть предварительно рассчитаны технологом и иметь знаковые части для установки стержней. Небольшой уклон должен использоваться на поверхностях, перпендикулярных линии разъема, для того, чтобы была возможность удалить модель из формы. Это требование также распространяется на стержни, так как они должны быть удалены из полостей, которые они образуют. Выпора и стояки должны быть расположены так, чтобы обеспечить оптимальный поток металла в форму и газов из неё для того, чтобы избежать недолива литья.

Способы литья в землю
Различают два способа литья в песчаные формы, первый с использованием «сырого» песка, так называемые сырые формы, а второй метод - жидкостекольный.
Сырые формы
Мокрый песок, используются, чтобы сделать форму в опоке. Название произошло от того, что мокрым песком пользуются в процессе формования. "Сырой песок" – это смесь:
-кремнеземистый песок (SiO2), или хромистые пески (FeCr2O), или циркониевый песок (ZrSiO4), от 75 до 85%, и другие составляющие, включая графит, глину от 5 до 11%, воды от 2 до 4%, других неорганических элементов от 3 до 5%, антрацит до 1%.
Есть много формовочных смесей с глиной, но все они различны по пластичным свойствам смеси, качеству поверхности, а также возможностью применения в литье расплавленного металла в отношении пропускной способности для выхода газов. Графит, как правило, содержится в соотношении не более 5%, он частично сгорает при соприкосновении с расплавленным металлом с образованием и выделением органических газов. Сырые смеси как правило для литья цветных металлов не используются, так как сырые формы приводят к сильному окислению, особенно медного и бронзового литья. Сырые песчаные формы для литья алюминия не используют. Для алюминиевого литья используют более качественные формовочные смеси. Выбор песка для формовки зависит от температуры заливки металла. Температура заливки меди, стали и чугуна выше других металлов, поэтому, глина от воздействия высокой температуры далее не регенерируется. Для заливки чугуна и стали на основе железа как правило, работают с кварцевым песком – он относительно недорог по сравнению с другими песками. Так как глина выгорает, в новую порцию песчаной смеси добавляют новую порцию глины и некоторую часть старого песка. Кремний является нежелательным в песке, т.к. зерна кварцевого песка имеют тенденцию взрываться при воздействии высокой температуры во время заливки формы. Эти частицы находятся во взвешенном состоянии в воздухе, что может привести к силикозу у рабочих. В литейном цехе имеется активная вентиляция для сбора пыли. Мелкие древесные опилки (древесная мука) добавляется, чтобы создать место, при ее выгорании, для зерен песка, когда они расширяются без деформации формы.

Технология ЖСС (жидко-стекольная смесь)

Эта технология состоит в следующем:
в состав формовочной смеси входит прокаленный песок без глины, затем его в специальной емкости перемешивают с жидким стеклом и перемешанной массой заливают модель. Залитую форму накалывают для последующего подвода углекислоты. Опоку накрывают колпаком и подают газ СО2. После чего залитый формовочный состав ЖСС приобретает твердость.
В обоих методах, песчаная смесь остается вокруг модельной оснастки, образуя полости формы для заливки металла. Формовка жидкостекольными смесями позволяет получить две полуформы, которые после затвердевания собирают. Модель удаляется, образуя полость формы. Эту полость заливают жидким металлом. После того, как металл остыл отливки очищают от формовочного состава. Форма из ЖСС полностью разрушается при извлечении отливки.
Точность литья напрямую связана с типом формовочной смеси и формовки. Сырые формы создают на поверхности отливки повышенную шероховатость. Поэтому литье в землю можно сразу отличить от литья по ЖСС и ХТС. Литье в формы из мелкого песка значительно чище и менее шероховато. Технология ЖСС позволяет изготавливать отливки с гладкой поверхности, особенно при использовании пластиковых моделей. В отдельных случаях, например при литье корпусных деталей, можно обойтись даже без механической обработки на больших поверхностях – это позволяет отливать крупногабаритные чугунные блоки цилиндров. Остатки пригоревшей к отливке формовочной смеси удаляются дробеструйной обработкой.
С 1950 года, частично автоматизированные литейные процессы литья были переработаны для полностью автоматизированных производственных линий.

Холодно твердеющая смесь (литье в ХТС)
Использование органических и неорганических связующих, которые укрепляют формы для литья химически связывают песок. Этот тип формовки получил свое название от того, что он не требует просушки, как другие виды песчаной формовки. Литье в ХТС является более точным, чем литье в землю. Размеры форм ХТС меньше, чем при литье в песчаные смеси, но дороже. Таким образом, ХТС используется реже, в тех случаях, когда требуется более качественное литье. Наше предприятие готово поставлять вам отливки по ХТС.

Формовка ХТС
Формы из холодно твердеющей смеси, требуют быстрой формовки, в отличие от песчано-глинистых смесей, т.к. они содержат быстро твердеющие жидкие смолы, ускорители затвердевания и катализаторы. Вместо трамбовки смеси (как при литье в землю), формовочную смесь ХТС заливают в опоку и дожидаются, когда смола затвердеет. Обычно затвердевание происходит при комнатной температуре в течение 20 минут. Литье в ХТС значительно улучшает качество необработанных поверхностей стальной отливки по сравнению с другими технологиями литья в песчаных формах. Обычно для изготовления модельной оснастки по ХТС используют дерево, металл или пластик МДФ. Чаще других формовка холодно твердеющими смесями применяется при литье меди, литье алюминия, углеродистой стали, жаропрочной и нержавеющей стали, а также легированного чугуна, так как значительно снижает вероятность образования литейного брака.