Теоретические основы литья в песчаные формы

Л. Г. Знаменский, О. В. Ивочкина




ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛИТЬЯ В ПЕСЧАНЫЕ ФОРМЫ

Учебное пособие























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.74.041
ББК 34.616
     3-72


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, академик Российской академии естественных наук, профессор Южно-Уральского государственного аграрного университета Ерофеев Валерий Владимирович;
доктор технических наук, заведующий кафедрой литейного производства и упрочняющих технологий Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Сулицин Андрей Владимирович


     Знаменский, Л. Г.
3-72 Теоретические основы литья в песчаные формы : учебное пособие / Л. Г. Знаменский, О. В. Ивочкина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 156 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1201-8

          Даны общие теоретические положения, варианты контрольных заданий и примеры расчетов свойств расплавов, гидравлических и тепловых процессов при заполнении форм металлом и его затвердевании, пригаро-образования на отливках. Приведены методики определения газового режима литейных форм, теоретические основы процессов усадки и трещино-образования отливок.
          Для студентов и магистров металлургических специальностей. Может быть полезно для инженеров и ученых-литейщиков при изучении современных технологических процессов изготовления точных отливок.

                                                        УДК 621.74.041
                                                        ББК34.616










ISBN 978-5-9729-1201-8

   © Знаменский Л. Г., Ивочкина О. В., 2023
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ВВЕДЕНИЕ


    Учебное пособие содержит 7 разделов, включающих общие теоретические положения, варианты контрольных заданий и примеры расчетов свойств расплавов, гидравлических и тепловых процессов при заполнении форм металлом и его затвердевании, пригарообразования на отливках. В пособии также приведены методики определения газового режима литейных форм, теоретические основы процессов усадки и трещинообразования отливок.
    Проведение расчетов по основным разделам курса «Теория литейных процессов» позволит студентам более глубоко усвоить сущность сложных физикохимических процессов, протекающих при формировании отливок, выявить общие закономерности внешне различных явлений.
    Представленные в пособии теоретические сведения, методики расчетов, в том числе имеющих и программное обеспечение на ЭВМ, а также справочные материалы, приведенные в соответствующих приложениях, могут быть использованы при определении оптимальных технологических параметров изготовления отливок.
    Учебное пособие является руководством к практическим занятиям по курсу «Теория литейных процессов». Пособие содержит общие теоретические сведения, типовые задачи, соответствующие варианты заданий и примеры их выполнения. Пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения при подготовке специалистов среднего звена, инженеров, бакалавров и магистров металлургических специальностей.
    Предусматривается в ходе проведения занятий, руководствуясь учебным пособием, задействовать современное оборудование. Это позволит студентам творчески интегрировать основные положения теории литейных процессов, их компьютерного моделирования с практикой технологических расчетов и изготовления высококачественных литейных форм, стержней и отливок.

з

            1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ


1.1. Общие сведения
    1.1.1. Состав и структура форм
    Литейная форма представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость определенной конфигурации, при заливке которой расплавленным металлом формируется такой же конфигурации отливка [1,2].
    Конструкция разовой песчано-глинистой формы для стальной отливки «колесо» представлена на рисунке 1.1.




       6

       5

       4



       3

       2

       1



7

8

9

10


11

12

        Рис. 1.1. Литейная форма: 1 - опока нижняя; 2 - питатель; 3 - зумпф;
       4 - шлакоуловитель; 5 - стояк; 6 - воронка; 7 - прибыли; 8 - стержень;
   9 - опока верхняя; 10 - полость, оформляющая отливку; 11 - формовочная смесь;
12 - болваны нижние


    По своей природе материалы для изготовления форм можно разделить на сплошные, твердые и дисперсные [3].
    Формы из сплошных материалов - многократные, позволяют получить без разрушения большое количество отливок. Типичные представители - металлические сплавы - чугун, сталь, молибденовые сплавы для кокильного, центробежного, литья под давлением. К сплошным материалам можно отнести также блочный графит, который используют при изготовлении форм для отливок из тугоплавких сплавов на основе титана, молибдена, а также радиоактивных металлов - урана, плутония [4, 5].


4

    Для литья мелких художественных изделий из легкоплавких сплавов известно применение резиновых литейных форм.
    Подавляющее большинство отливок в настоящее время изготавливается в разовых формах, материалом которых являются дисперсные системы. Основу данных дисперсных систем образуют зерна огнеупорных соединений. Такие системы называют формовочными материалами. Различают исходные формовочные материалы и приготавливаемые из них формовочные смеси, подразделяемые на собственно формовочные смеси и стержневые смеси [1].
    В составе формовочных смесей выделяют наполнитель - огнеупорную зерновую основу; связующие материалы, обволакивающие поверхность зерен и обеспечивающие превращение дисперсной смеси в монолит, и специальные добавки, обеспечивающие требуемый уровень технологических свойств смеси.
    Формовочную и стержневую смеси, использованные в технологическом процессе получения отливок и освобождающиеся после ее охлаждения, называют отработанной смесью. Основной частью смеси, обычно более 80 %, а иногда и более 90 % ее массы, является наполнитель - твердый компонент, придающий смеси необходимую прочность при сжатии. Наиболее часто в качестве наполнителя применяется кварцевый песок, названный так по главному породообразующему минералу - кварцу (S1O2), имеющему плотность 2,65 • 10³ кг/м³, температуру плавления 1713 °C, твердость по шкале Мооса 5,5...7,0 ед. Наполнителями могут быть и другие материалы, естественные или синтетические, например, оливин (MgFe)2SiO4, шамот (пЛЬОз • mSiO2), муллит (ЗЛЬОз • 2S1O2), циркон (ZrO2 • SiO2), магнезит (MgO), электрокорунд (ЛЬОз). Форма и размер зернового состава оказывают важное влияние на технологические свойства формовочной смеси [2].
    Второй главной составляющей формовочных смесей является связующее. Оно придает смеси способность принимать форму, соответствующую модели, и уплотняться при формовке. В жидком состоянии связующее покрывает поверхность зерен наполнителя пленкой, которая далее при уплотнении создает вокруг точек контакта между зернами манжеты, и, наконец, переходит в твердое состояние, превратив сыпучую или жидкоподвижную смесь в монолитную среду [8].
    Основными классификационными признаками связующих материалов являются их химическая природа, способность растворяться в воде или смачиваться водой, способность сообщить смесям прочность, а также характер затвердевания - обратимый или необратимый.
    К классу «А» относят органические связующие, не растворимые и не смачиваемые водой (гидрофобные или неводные), к классу «Б» - органические гидрофильные (водные) связующие, к классу «В» - неорганические водные.

5

    Водные связующие проявляют свои свойства после растворения их в воде. Неводные связующие с водой не взаимодействуют и используются в виде растворов в органических растворителях - спиртах, ацетоне, бензине и др.
    Наиболее широко применяются в литейном производстве связующие класса «В» - глина, жидкое стекло.
    Литейными формовочными глинами называются горные породы, состоящие из тонкодисперсных частиц водных алюмосиликатов, содержащие более 50 % глинистой составляющей (частиц размером зерен менее 22 мкм). К качественным характеристикам формовочных глин относятся состав и строение породообразующего минерала (химико-минералогическая характеристика), дисперсность (физическая характеристика) и ионообменный состав (химическая характеристика). Отличительной особенностью глин является способность набухать в воде, причем, чем больше глина способна удерживать воды, тем выше ее связующие и пластические свойства.
    В литейном производстве используются каолиновые и бентонитовые глины. Основным минералом каолиновых глин является каолинит, представляющий водный алюмосиликат AI2O3 • 2S1O2 • 2Н2О с температурой плавления 1750...1787 °C. Кристаллическая решетка каолинита имеет пакетное строение, каждый пакет состоит из двух слоев, связанных сильной ионной связью. Каолинит обладает малой способностью к набуханию, так как адсорбция воды осуществляется только на внешних поверхностях пакетов.
    Основным породообразующим минералом бентонитовых глин является монтмориллонит AI2O3 • 4SiO2 • ПН2О. По своей кристаллической структуре он относится к высокодисперсным минералам с изменяющейся разбухающей решеткой, способной поглощать воду. Это обеспечивается большим расстоянием и слабыми силами Ван-дер-Ваальса между ионами. Монтмориллонит в воде способен увеличивать свой объем в 10...12 раз.
    Качество глин тем выше, т. е. выше термохимическая устойчивость и меньше склонность отливок к образованию пригара, чем меньше в них содержится примесей - оксидов щелочных, щелочноземельных металлов, оксидов железа и сульфида серы.
    Ионообменный состав формовочных глин характеризуется емкостью обменных катионов, их качественным и количественным составом. Чем выше емкость обменных катионов, тем легче материал поддается химической активации под действием введенных в смесь химических добавок. Активация сопровождается повышением прочности формовочных смесей [6, 7].
    Жидкое стекло как связующее применяют в жидкостекольных смесях. Оно представляет собой водный раствор силикатов натрия Na2O • nSiO2 • тН2О или калия K2O • nSiO2 • тЧО. Особенностью жидкого стекла является склонность

6

быстро затвердевать при продувке углекислым газом, введении специальных отвердителей (шлака феррохромового производства - 2СаО • S1O2) или тепловой обработке. Основной характеристикой жидкого стекла является силикатный модуль:
М = K-[SiO2]/[Na2O],                      (1.1)

где [SiO2] и [Na2O] - содержание диоксида кремния и оксида натрия в жидком стекле, %;
    K - коэффициент, показывающий отношение молекулярной массы оксида натрия к молекулярной массе диоксида кремния:

K = Mr(Na₂O) Mr(SiO₂)

= 1,032.

(1.2)

    Чем больше модуль жидкого стекла, тем быстрее затвердевает формовочная смесь, выше прочность в сыром состоянии и ниже в сухом. Недостатком жидкого стекла как связующего является затрудненная выбиваемость отливок из форм.
    В отличие от неорганических, органические связующие выгорают при заливке расплава в литейную форму, что обеспечивает хорошую податливость и выбиваемость.
    K органическим неводным связующим (класс «А») относятся: затвердевающие необратимо - растворы растительных масел, а также маслянистых продуктов нефтепереработки в органических растворителях; затвердевающие обратимо - канифоли, битумы, пеки.
    K органическим водным (класс «Б») затвердевающим необратимо относятся синтетические смолы: фенолальдегидные, аминоальдегидные (мочевино-формальдегидные, фурановые).
    Затвердевание смол может осуществляться за счет действия тепла, за счет одновременного действия тепла и катализатора, за счет катализатора (холодное затвердевание).
    K связующим класса «Б», затвердевающим обратимо, относятся коллоидные растворы органических веществ и эмульсий в водной среде (лигносульфонаты, декстрин, патока).
    Приготовление формовочной смеси заключается в подготовке и перемешивании всех ее компонентов. При этом смесь может готовиться как полностью из свежих компонентов, так и частично из бывшей в употреблении смеси, которая предварительно подвергается регенерации. Регенерация (восстановление) отработанной смеси заключается в отделении пленок связующего от зерновой оснвы. Существует механический, гидравлический и термический способы регенерации.

7

    Для приготовления формовочных и стержневых смесей применяют литейные смесители каткового, лопастного и шнекового типов.
    Песчано-глинистые формы изготавливают, уплотняя смесь вокруг модели. В зависимости от размера форм и стержней, состава смесей, требований к качеству отливок и ряда других факторов, используют различные способы уплотнения формовочных смесей: прессование, встряхивание, воздушно-импульсное уплотнение, пескодувное, пескострельное, уплотнение пескометом и др. Существуют также жидкоподвижные самотвердеющие смеси, которые не требуют

специального уплотнения.
    Сырые формы могут быть залиты жидким металлом сразу после изготовления, сухие формы и стержни получают при тепловой обработке (сушке), в результате которой они повышают прочность, и только после этого подают на заливку. Химически отверждаемые формы и стержни приобретают комплекс требуемых служебных свойств после протекания в них химических реакций от

верждения.
    В литейном производстве преимущественно применяются сырые песчаноглинистые смеси, структура которых показана на рисунке 1.2.

Рис. 1.2. Схемаструктуры формовочной смеси: 1 - зерна кварцевого песка; 2 - вода, связанная кварцем; 3 - частицы глины; 4 - вода, связанная глиной;
5 - свободная вода;
6 - воздух

    Отдельные кварцевые зерна (со связанной водой) покрыты оболочками из глинистых частиц, которые также связывают определенное количество воды. В зазорах между зернами капиллярными силами удерживается свободная вода, а в свободном пространстве находится воздух. Свободное пространство между зернами зависит от величины отдельных зерен и тесноты их контакта при данной степени уплотнения смеси.
    Для теоретического изучения свободных пространств между зернами песка рассматривают так называемую идеальную песчаную форму. Это форма, состоящая из идеальных шарообразных зерен радиусом R одинаковой величины с

8

нулевой пластичностью. Изменения взаимного расположения зерен можно достичь за счет различной степени уплотнения.
    При наименьшей степени уплотнения между четырьмя контактирующими шарообразными зернами имеется пространство, в которое можно вписать шар радиуса п = 0,41R. В этом случае свободное пространство между зернами занимает 47,6 % общего объема.
    Расположение зерен формовочного песка при наименьшей степени уплотнения представлено на рисунке 1.3.


Рис. 1.3. Расположение зерен формовочного песка при наименьшей степени уплотнения

    При наибольшей степени уплотнения взаимное положение зерен характеризуется наиболее плотной упаковкой, когда во всех плоскостях, проходящих через центры взаимно касающихся шарообразных зерен, имеются поры, в которые можно вписать шары радиусом гг = 0,154R. Свободное пространство между зернами при таком их расположении составляет 25,9 % от общего объема формы.
    Расположение зерен формовочного песка при наибольшей степени уплотнения показано на рисунке 1.4.


Рис. 1.4. Расположение зерен формовочного песка при наибольшей степени уплотнения

9

    По своей физической структуре смеси и литейные формы являются капиллярно-пористыми телами. Их основными характеристиками выступают пористость, эффективный диаметр (радиус) пор и проницаемость.
    Пористость литейной формы П есть отношение объема пустот Vn к полному объему пористого тела V, т. е.:
П = Vⁿ.                             (1.3)
V
    Все встречающиеся в формах поры целесообразно разделить на три вида: открытые, тупиковые и закрытые.
    Открытая пористость По сообщается с поверхностью тела и участвует в фильтрации жидкости или газа при наличии градиента давления на пористом теле.
    Закрытые поры Пз не сообщаются с поверхностью и поэтому не участвуют в фильтрации жидкости или газа.
    Тупиковые поры Пт соединяются только с одной поверхностью формы и также не участвуют в процессах фильтрации, хотя и заполняются жидкостью и газом.
    Таким образом, общая пористость тела слагается из трех видов пористости:
П = По + Пз + Пт.                       (1.4)
    Для оценки проницаемости литейных форм наибольший интерес представляет величина открытой пористости, определяющая их фильтрационные способности.
    Определение открытой и тупиковой пористости (По + Пт) производят по методике, основанной на взвешивании сухого и насыщенного смачивающей жидкостью (водой, спиртом и др.) пористого образца. Тогда:
По + Пт = G“ ~ Gc ,                     (1.5)
vPt
где Gh и Gc - соответственно вес насыщенного и сухого образца, кг;
    V - объем образца, м³; рж - плотность жидкости, кг/м³.
    Объем простого пористого образца V находят расчетом по результатам обмера геометрических размеров тела.
    Объем пористых тел сложной конфигурации обычно определяют путем их погружения в несмачиваемую жидкость, например, ртуть.
    Общую пористость формы можно определить формуле:
П = 1 —£-,                          (1.6)
рм
где рм - действительная физическая плотность компактного материала, кг/м³;
    р - плотность литейной формы, кг/м³.

10