Формовочные материалы

Оглавление 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
Л. И. Мамина, Б. А. Кулаков 
 
 
 
ФОРМОВОЧНЫЕ 
МАТЕРИАЛЫ 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного 
пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 150100 «Металлургия», 
специальность 150104 «Литейное производство черных 
и цветных металлов», 26.11.2009 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2011 

Оглавление 

2 

УДК 621.742(075.8) 
ББК 34.612я73 
         М222 
 
 
 
 
 
 
Рецензенты: Е. Л. Фурман, д-р техн. наук, проф.; Р. К. Мысик, д-р 
техн. наук, проф.; В. Г. Бабкин, д-р техн. наук, проф.  
 
 
 
 
 
Мамина, Л. И.  
М222            Формовочные материалы : учеб. пособие / Л. И. Мамина, 
Б. А. Кулаков. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т,  2011. – 344 с. 
           ISВN 978-5-7638-2436-0 
 
В пособии рассмотрены исходные материалы для приготовления формовочных и стержневых смесей, а также покрытий различного назначения. Даны 
рекомендации по выбору наполнителей, связующих и специальных добавок с 
учетом совместимости компонентов и рода металла. Описано оборудование для 
приготовления смесей и покрытий, изложены методы контроля их свойств. 
Представлены новые процессы формообразования, обеспечивающие высокое 
качество литых изделий. Приведены необходимые сведения по организации 
труда и технике безопасности на участках подготовки исходных материалов, 
приготовления смесей и покрытий.  
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 150100 
«Металлургия», специальность 150104 «Литейное производство черных и цветных металлов». Может быть использовано студентами других специальностей, 
изучающих дисциплины, связанные с технологией и оборудованием литейного 
производства. 
 
 
 
УДК 621.742(075.8) 
ББК 34.612я73 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2436-0                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                              университет, 2011  

Оглавление 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………. 
5

Глава  1. ФОРМОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  
                И СПОСОБЫ ИХ АКТИВАЦИИ………………………. 
8
1.1. Огнеупорные наполнители………………………… 
8
1.2. Связующие материалы и композиции…………….. 
31
1.3. Специальные добавки………………………………. 
64
1.4. Механоактивация материалов  
       и механосинтез композиций……………………….. 
85
1.5. Способы получения наноструктурированных  
       материалов композиций……………………………. 
107
       Контрольные вопросы и задания…………………… 
111

Глава  2.  ИСПЫТАНИЯ ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ….. 
113
2.1. Методы оценки геометрических параметров…….. 
114
2.2. Методы оценки энергетических параметров……… 
124
2.3. Комплекс методов испытаний……………………… 
136
       Контрольные вопросы и задания…………………… 
142

Глава  3. ТИПЫ, СВОЙСТВА СМЕСЕЙ  
                И ИХ ПРИГОТОВЛЕНИЕ……………………………… 
144
3.1. Классификация смесей……………………………… 
144
3.2. Свойства смесей…………………………………….. 
148
3.3. Приготовление смесей………………………………. 
160
       Контрольные вопросы и задания…………………… 
168

Глава  4. СОСТАВЫ ФОРМОВОЧНЫХ  
                И СТЕРЖНЕВЫХ СМЕСЕЙ…………………………… 
169
4.1. Песчано-глинистые смеси………………………….. 
170
4.2. Жидкостекольные смеси……………………………. 
182
4.3. Смоляные смеси…………………………………….. 
197
4.4. Смеси на лигносульфонатах……………………….. 
227
4.5. Кристаллогидратные смеси………………………… 
231
4.6. Смеси теплового твердения………………………… 
240
       Контрольные вопросы и задания…………………… 
244

Оглавление 

4 

 
Глава  5. СМЕСИ ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВИДОВ ЛИТЬЯ……. 
245
5.1. Смеси для художественного литья………………… 
245
5.2. Смеси для ювелирного литья………………………. 
252
5.3. Модельные составы для литья  
       по выплавляемым моделям…………………………. 
255
5.4. Плакированные смеси для оболочкового литья…... 
262
       Контрольные вопросы………………………………. 
264

Глава  6. ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ……………… 
265
6.1. Классификация покрытий………………………….. 
266
6.2. Свойства противопригарных покрытий…………… 
269
6.3. Приготовление красок………………………………. 
278
      Контрольные вопросы……………………………….. 
280

Глава  7. СОСТАВЫ ПРОТИВОПРИГАРНЫХ ПОКРЫТИЙ…... 
281
7.1. Водные противопригарные покрытия……………… 
281
7.2. Быстросохнущие противопригарные покрытия…... 
289
7.3. Химически твердеющие покрытия………………… 
295
7.4. Термопрочные и проникающие покрытия………… 
296
7.5. Натирочные составы, припылы,  
       упрочняющие растворы…………………………….. 
301
       Контрольные вопросы и задания…………………. 
304

Глава  8. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВОВ, СВОЙСТВ  
               СМЕСЕЙ И ПОКРЫТИЙ………………………………... 
305
8.1. Дефекты отливок, зависящие от качества формы 
305
8.2. Свойства типовых формовочных смесей и красок 
307
8.3. Механоактивация смесей и красок………………… 
315
8.4. Наноструктурирование формовочных  
       материалов и смесей………………………………… 
328
       Контрольные вопросы и задания…………………… 
333

Глава  9. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ……... 
334
9.1. Работа с газотворными  
       и пылевидными материалами………………………. 
336
9.2. Особенности техники безопасности  
       при изготовлении смесей…………………………… 
338
       Контрольные вопросы и задания…………………. 
339

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………….. 
340

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………. 
341

Введение 
 

5 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Самостоятельное развитие литейного ремесла начинается в IV–
III тыс. до н.э. со времени использования бронзы. Начинают совершенствоваться различные технические приемы литья: использование 
закрытых многогнездовых форм, применение глиняных стержней, использование выплавляемых моделей и др. 
За длительную историю литейного производства рождались и 
развивались одни способы изготовления отливок, отмирали другие, 
вновь возрождались давно забытые. Но литье в песчано-глинистые 
смеси, появившееся многие столетия тому назад, остается наиболее 
распространенным способом литья и в наше время благодаря своей 
простоте и универсальности. Более 80 % всего объема литья изготавливается в разовых формах, свойства которых определяют качество 
отливок. 
Достижения фундаментальных наук – коллоидной и физической 
химии, химии полимеров, термодинамики и теории тепло- и массообмена – позволили создать совершенно новые формовочные и стержневые смеси, новые технологические процессы изготовления форм      
и стержней. 
Крупными достижениями в указанном направлении были создание в начале 1950-х гг. СО2-процесса для химического отверждения 
жидкостекольных смесей; открытие в 1960-х гг. Б. А. Носковым,            
И. В. Рыжиковым и другими учеными способа получения жидкотекучих, наливных формовочных смесей, способ отверждения которых 
разработали литейщики Челябинского политехнического института 
под руководством П. В. Черногорова. Жидкие самотвердеющие смеси 
применяются широко и у нас в стране, и за рубежом. С их появлением 
оказалось возможным радикальное решение проблем ликвидации тяжелого ручного труда, перевода на поток изготовления стержней, 
резкого снижения трудоемкости и сокращения цикла изготовления 
форм, выбиваемости стержней и т.д. Уже в 1975 г. с применением холоднотвердеющих смесей было изготовлено в мире около 14 млн т 
стального, чугунного и цветного литья. В последующие 20 лет изго

Введение 

6 

товление стержней и форм, затвердевающих на воздухе, остается ведущим направлением в этой области литейной технологии. 
Широкая номенклатура отливок по массе, сплаву, сложности и 
многообразие требований к качеству литых изделий обусловливают 
применение на практике различных по составу и свойствам смесей и 
красок. 
Основными проблемами на всех предприятиях являются: повышение технического уровня и качества продукции за счет увеличения 
производительности труда и внедрения передовых технологий, радикального улучшения использования природного сырья и энергии; 
создание безотходных технологических процессов и утилизация накопленных отходов. Известно, что более 50 % брака литых изделий, 
получаемых в разовых формах, прямо или косвенно связано с качеством формовочных материалов и составов на их основе. 
С усовершенствованием техпроцессов изготовления отливок, 
широким внедрением механизированных и автоматизированных линий возрастают, соответственно, и требования к качеству используемого сырья. 
Ежегодно добываются и используются миллионы тонн природного минерального сырья в качестве формовочных материалов. Запасы природного сырья истощаются, многие материалы становятся все 
более дефицитными или не обладают необходимым качеством. Кроме 
того, наиболее дефицитные материалы перевозятся на тысячи километров (кварцевые пески, огнеупорные глины, бентониты, графит, 
циркон и др.), что часто влечет за собой снижение качества материалов и ставит предприятия в зависимость от поставщиков. Подготовка 
формовочных материалов осуществляется в основном тремя процессами: обогащением, измельчением и смешиванием. На отдельных 
предприятиях применяются различные способы дополнительного активирования материалов (ультразвуком, добавками реагентов, электромагнитными полями, термообработкой, механообработкой в энергонапряженных мельницах-активаторах). 
Существенным резервом экономии и эффективности использования природного сырья считается широкое использование вторичных материальных ресурсов. Крупными отраслями, увеличивающими 
масштабы выхода различных отходов, являются горные, обогатительные и металлургические предприятия, отходы которых широко используются строительной промышленностью. Известно использова

Введение 
 

7 

ние таких отходов и в литейном производстве в качестве формовочных материалов. 
В последние годы ведутся интенсивные разработки методов 
оценки материалов на молекулярно-атомарном уровне, которые позволят задавать параметры процессов и, соответственно,  требуемую 
степень структурных и химических превращений в материалах, 
влияющих на активность материалов и свойства составов на их основе. 
Для каждого материала практикой определены условия его использования в зависимости от массы и сложности отливки, типа сплава, технологии литья, условий производства с учетом региона, где оно 
располагается, сырьевой базы в этом регионе, экологических требований и пр. 

Г л а в а  1. Формовочные материалы и способы их активации 

8 

 
Г л а в а   1 

 
ФОРМОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
И СПОСОБЫ ИХ АКТИВАЦИИ 
 
 
Формовочные материалы применяются главным образом при 
литье в разовые и полупостоянные литейные формы. Исходные формовочные материалы служат для приготовления формовочных и 
стержневых смесей, вспомогательных составов (например, противопригарных покрытий). 
Материалы подразделяют на наполнители (например, кварцевый 
песок, хромит и т.д.), связующие (глина, смолы, жидкое стекло и т.д.) 
и вспомогательные материалы, улучшающие качество смесей и отливок (например, графит, древесная стружка и т.д.). 
 
 
1.1. Огнеупорные наполнители 
 
На первых этапах развития литейного производства в качестве 
наполнителей применялись кварцевые пески и пылевидный кварц 
(маршаллит). В связи с ростом требований к качеству отливок стали 
использовать другие природные, а также искусственные материалы. 
Наполнители должны обладать относительно высокой огнеупорностью, термической стойкостью, инертностью к расплавленному металлу, механической прочностью, низким коэффициентом термического расширения, однородным зерновым составом и минимальной 
стоимостью. Основные физико-химические свойства огнеупорных 
материалов приведены в табл. 1. 
 
Кварцевые материалы 

Кварцевый песок в природном и обогащенном состояниях, 
различных марок по химическому и зерновому составу является самым распространенным наполнителем формовочных и стержневых 
смесей.  

1.1. Огнеупорные наполнители 
 

9 

Таблица 1 

Минералогический состав и физико-химические свойства огнеупорных наполнителей 

Минерал 
Минералогический состав, 
% 

Свойства 

Примечание 

Плотность, 
×103, 
кг/м3 

Твердость (по 
Моосу), 
ед. 

Огнеупорность, ºС 

Коэффициент 
термического 
расширения, 
10–6, ºС–1 

Коэффициент теплопроводности, м.ч.ºС

рН 

Насыпная 
масса, 
г/см3 

Окислы 

Кварц SiO2: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

природный SiO2 – 90–100 
2,65 
7–8 
1 550–1 713 
43 
6,5 
6–8 
1,48 
Смеси, краски 
плавленый SiO2 – 98–100 
2,2 
7–8 
1 700–1 730 
0,5 
< 6,5 
7,5 
– 

Корунд (песок и порошок) Al2O3 
– 
3,9 
9 
2 050 
8 
20–25 
6,5–7
– 

Краски и облицовочные смеси для стали, 
суспензии для литья 
по выплавляемым 
моделям (ЛВМ) 

Рутил (песок и порошок) TiO2 

TiO2 – 90–91 
(титановорудный концентрат)

4,2 

– 

1 600–1 800 
– 
– 

7–8 
2,3 
Облицовочные смеси и краски 

Хромит (песок и порошок) Cr2O4 

Cr2O3 – 45–50 
Fe2O3 – 10–16 
(хромитовый 
рудный концентрат) 

6 
8–10
2,13 

Обливочные противопригарные смеси 
для крупных стальных отливок 

Магнезит 
металлургический (песок и порошок) MgO 

– 
3,6 
7 
2 800 
11,4 
2–3 
9–13
– 

Смеси для отливок 
из стали 110Г13Л, 
для ЛВМ, вакуумного литья 

Г л а в а  1. Формовочные материалы и способы их активации 

10 

 
Продолжение табл. 1 
 

Минерал 
Минералогический состав, 
% 

Свойства 

Примечание 

Плотность,  
103, 
кг/м3 

Твердость (по 
Моосу), 
ед. 

Огнеупорность, ºС 

Коэффициент 
термического 
расширения, 
10–6, ºС–1 

Коэффициент теплопроводности, м.ч.ºС

рН 

Насыпная 
масса, 
г/см3 

Сложные окислы 

Хромомагнезит и магнезитохромит (песок и 
порошок) 
Cr2O3 и 
MgO 

MgO – 52–55 
Сr2O3 – 25–30 
(продукты 
спекания магнезита и хромитовой руды) 

3,9 
– 
2 000–2 200 
– 
6 
7–10
2,0 
Смеси и краски для 
крупного стального 
литья 

Силикаты 

Оливин (песок) 
(MgFe)SiO4

MgO – 50–52 
SiO2 – 35–38 
3,0–3,5
– 
1 750–1 850 
– 
– 
9,8 
1,7 
Смеси для стали 

Циркон 
(ZrSiO4): 
песок 

ZrO2 – 51–55 
SiO2 – остальное 
(силикат циркония) 

 
 
4,6 

 
 
7,5 
2 100–2 300 

 
 
 
3,5–5,5 

 

2,0 
Облицовочные смеси и краски для 
крупных отливок 

 
5,5 
 
6,5 
порошок 
2 600 
2,6 

Дистенсиллиманит 
(песок и порошок) 
Al2O3·SiO2 

Al2O3 – 59–60 
SiO2 – 37–38 
(алюмосиликат) 

3,2–3,5
7 
1 800–1 850 
– 
– 
6–7 
1,8 
Облицовочные смеси и краски 

1.1. Огнеупорные наполнители 
 

11 

Окончание табл. 1 
 

Минерал 
Минералогический состав, 
% 

Свойства 

Примечание 

Плотность,  
×103, 
кг/м3 

Твердость (по 
Моосу), 
ед. 

Огнеупорность, ºС 

Коэффициент 
термического 
расширения, 
10–6, ºС–1 

Коэффициент теплопроводности, м.ч.ºС

рН 

Насыпная 
масса, 
г/см3 

Кианит (песок и порошок) 
Al2(SiO4)·O 

Al2O3 – 54–55 
SiO2 – 40–41 
(дистен) 
3,5–3,7
4,5–7,0 
1 850 
– 
– 
5,7 
– 
Облицовочные смеси и краски для 
стального литья 

Шамот 
(мергели) 
(песок) 
Al2O3, SiO2 

SiO2 – 50–65 
Al2O3–TiO2  > 30
3,16 
– 
1 700–1 800 
4,5–6,0 
4,7 
7,8 
– 

Смеси для крупных 
стальных марганцовистых и чугунных 
отливок 

Пирофиллит 
(порошок) 
Al2(Si4O10) × 
×(OH)2 

SiO2 – 63–79 
Al2O3 – 18–28 
2,6–2,9
1–2 
1 540–1 610 
– 
– 
6 
– 

Краски для чугунного литья 
Шунгит 
(Mg, Fe) × 
× Al2O3 × 
× SiO2·H2O 

SiO2 – 46–50 
Al2O3 – 13–18 
FeO – 8–14   
MgO – 3,5 

2,5–2,7
– 
– 
– 
– 
– 
– 

Тальк 
3MgO·4SiO2× 
×H2O 
– 
2,7–2,8
1 
1 200 
– 
– 
8,8 
– 
Краски для чугунного и цветного литья 

Форстерит 
Mg2SiO4 
– 
3,2 
7 
1 850–1 910 
– 
11 
11 
– 
Смеси для отливок 
из марганцовистой 
стали 

 П р и м е ч а н и е. рН < 6 –  кислые, 6–8 – нейтральные, > 8 – основные.