О SO О 1000 IS00

Tennepamt/pa Рис. 3,5. Зависимость теплопро

песчано-бентонитовой смеси от температуры:

1 - эффективная (суммарная) теплопроводность; 2 - составляющая межзеренного теплообмена излучением; 3 - истинная теплопроводность кварцевых зерен; 4 - составляющая конвективного теплообмена в порах смеси

При выборе песков следует учитывать химическое сродство минерала песка и содержащихся в нем примесей к заливаемому в форму металлу или оксидам, образующимся на поверхности отливки. Химическое взаимодействие отливки с формой приводит к образованию трудноотделимого пригара, требующего больших трудозатрат для удаления.

Пористость песчаной формы, характеризуемая количеством и размером пор, оказывает значительное влияние на качество полученной в этой форме отливки. Чем выше пористость (независимо, количество или размер пор), тем вьппе газопроницаемость формы и тем меньше вероятность образования газовых раковин в отливках. С другой стороны, чем больше размер пор, тем больше вероятность образования трудноотделимого металлизированного пригара. Размер пор пропорционален размеру зерна, поэтому для разрабатываемой технологии должен бьггь выбран песок определенного гранулометрического состава. При этом необходимо учитывать также форму зерен песка - угловатые зерна при равных с округлыми размерах (по ситовому анализу) дают большую пористость смеси (при прочих равных условиях).

Большое влияние на свойства песка оказывают примеси. Так, присутствие в кварцевых песках глины снижает их огнеупорность, а присутствие оксидов щелочных металлов -противопригарные свойства, наличие в хромистых и хромомагнезитовых песках кремнезема резко повьппает опасность образования пригара и т.д. Следовательно, контроль и регулирование содержания вредных примесей в основном песке является одной из главных задач контрольных служб производства.

Кварц является минералообразующим элементом кварцевых песков, в подавляющем большинстве используемых в литейном про-

изводстве. Температура плавления кварца 1713 °С, твердость по шкале Мооса - 7. При нагреве в интервале температур, обычно используемых в литейном производстве (до 1650 °С), кварц претерпевает ряд полиморфных превращений:

а-кварц -> р-кварц при 573 °С;

р-кварц -> р-тридимит при 870 °С;

Р-тридимит -> р-кристобаллит при 1470 °С. При этих превращениях без изменения типа кристаллической решетки происходит заметное изменение параметров последней, в результате чего существенно изменяется плотность диоксида кремния в разных модификациях. Так, при указанных переходах плотность а-кварца, р-кварца, р-тридимита и р-кристобаллита составляет соответственно 2,65; 2,51; 2,26 и 2,27. Поэтому при превращении а-кварц -> р-кварц увеличение объема составляет около 2 %, а при переходе р-кварца в тридимит - до 13 %. Указанные особенности кварца являются причинами частого появления ужимин на отливках, особенно, на отливках с развитыми горизонтальными плоскостями.

Формовочные пески подразделяются на классы и группы. Класс песка определяет его химический состав - содержание кремнезема Si02, глинистой составляющей и вредных примесей (оксидов щелочно - земельных, 700 I

- W0 h

/200 Г

7000

О 10 20 30

Содержание глины

90 У

S 80

7300 IhOO 7500 Температура, г

Рнс. 3.6. Огнеупорность (а) песчано-глинистых смесей и спекаемость (б) песков с разным содержанием глины

щелочных металдов и железа), вызывающих пригар на поверхности отливок. Глина в формовочных песках оказывает заметное влияние на многие технологические. свойства песка, особенно, на огнеупорность и спекаемость (рис. 3.6). Пески, содержащие до 2 % глины, называют кварцевыми. Они подразделяются на обогащенные (содержание глины до 1 %) и кварцевые (до 2 %). В зависимости от содержания вредных примесей обогащенные пески делятся на три класса: 061К (содержание примесей до 0,6 %), 062К (до 1,15 %) и ОбЗК (до 1,6 %), а кварцевые - на четыре класса: 1К (до 1,95 %), 2К (до 2,5 %), ЗК (до 3,5 %) и 4К (не регламентируется). Пески с содержанием глины 2 - 50 % называют глинистыми. По содержанию глинистой составляющей они подразделяются на четыре класса: тощий Т (2 -10 % глины), полужирный П (10 - 20 %), жирный Ж (20 - 30 %) и очень жирный ОЖ (30 - 50 %).

Группа песка определяется гранулометрическим (зерновым) составом, т.е. распределением зерен песка по размерам (табл. 3.5). Для определения гранулометрического состава песок просеивают через набор калиброванных сит с уменьшающимися в направлении рассева (сверху вниз) размерами сторон их ячеек. Основной фракцией песка назьшают его наибольший остаток на трех смежных ситах. Группу песка обозначают номером среднего сита. Если остаток на крайнем верхнем сите больше, чем на крайнем нижнем, то псок относится к категории А, если остаток больше на крайнем нижнем сите - к категории Б. При маркировке песка последовательно ставят его класс, группу и категорию (например, 1К02А, П0315Б).

В формовочных смесях рекомендуют применять пески следующих классов: 1К и 2К - для стальных отливок; ЗК и 4К - для крупных чугунных отливок; Т и П - для отли-

3.5. Группа формовочных песков

вок из цветных сплавов и мелких чугунных отливок и следующих групп: 04-02 - для крупных чугунных отливок; 0315, 02, 016 - для средних и мелких стальных и чугунных отливок; 016, 01 - для отливок из медных и алюминиевых сплавов и 01, 0063 - из магниевых сплавов. Для стержневых смесей, твердеющих в нагреваемой или холодной оснастке в присутствии катализатора, применяют обогащенные пески 061К - ОбЗК.

При производстве стальных отливок широко используют омитовые и хромомагне-зитовые пески. Хромитовые пески получают дроблением природных хромитовых руд. Основу хромитовой руды составляет хромит железа РеО ♦ СГ2О3; в руде содержатся также магнезиохромит MgO СГ2О3, шпинель MgO AI2O3, форстерит 2MgO Si02 и некоторые другие минералы. Хромитовые пески используются преимущественно для приготовления облицовочных смесей, которые предотвращают образование пригара на отливках. За критерий противопригарности хромитовых материалов принято отношение СГ2О3 : РеО; чем оно выше, тем выше противопригарные свойства. Обычно это отношение колеблется в пределах 2-5.

Хромитовые пески обладают низким коэффициентом литейного расширения (около

4 10 **С~); при нагреве не претерпевают полиморфных превращений; огнеупорность песка свьппе 1800 °С; твердость по Моосу 5,5 - 7,5 единиц; плотность 4,0 - 4,8 кг/см. Обычно хромитовый песок имеет рассредоточенный зерновой состав, в песке достаточно высокое содержание пылевидных (размером не менее 0,05 мм) фракций (до 40 %), что резко снижает газопроницаемость смесей и требует специальных мер для обеспечения вьшода газов из полости литейной формы. Рекомендуют хромитовый песок при производстве массивных отливок (более 5 т) цз углеродистых или низкоуглеродистых сталей, хотя его часто используют также при изготовлении более мелких отливок, например для стержней арматурного литья, в целях обеспечения высокого качества поверхности отливок. При производстве чугунных отливок хромитовый песок практически не применяют, так как в этом случае на отливках образуется трудноотделимый химический пригар.

При совместном обжиге и спекании хромитовых руд и магнезита (MgCOs) получают искусственный огнеупорный материал, который в зависимости от содержания MgO назьшают хромомагнезитом (50 - 55 % MgO) или магнезитохромитом (около 70 % MgO).

Для изготовления хромомагнезитовых песков используют бой кирпичей, а также отслужившие срок футеровки печей (преиму-

щественно, сводовая футеровка, как менее загрязненная). Зерновой состав и зависящие от него технологические свойства песка такие же, как и у хромитовых песков. Рекомендуется хромомагнезитовый песок для приготовления облицовочных смесей форм отливок из высоколегированных хромоникелевых сталей. Формы для отливок из высокомарганцовистых сталей (например, 110Г13Л) предпочтительней облицовывать смесями у магнезитохромита.

К природным матг иалам, широко при-меняемьп в литейном производстве, относится группа матер11алов, получаемых пул классификации отходов переработки пегматитовых руд. Это, прежде всего, цирконовые и дистен-силлиманитовые концентраты, а также менее распространенные рутиловые и ставролитовые.

Цирконовые концентраты вьшускают трех разновидностей: зернистый материал (песок с размером частиц 0,1 - 0,16 мм) марки КЦЗ (концентрат цирконовый зернистый), порошкообразный КЦП с преобладающим размером частиц 40 - 60 мкм и тонкодисперсный КЦПТ с размером частиц менее 20 мкм и удельной поверхностью более 5000 CMVr. Цирконовый концентрат содержит около 98 % циркона (2Ю2-8Ю2), около 1,5 % дистен-силлимани-та, остальное - рутил, ильменит и др. Твердость циркона по шкале Мооса 7-8 единиц; плотность 4,68 - 4,70 г/см; температура плавления 2430 - 2450 °С (природные пески имеют несколько меньшую температуру плавления, по некоторым данным - около 2180 °С); коэффициент линейного расширения циркона в 2 раза меньше, чем корунда, и в 3 раза - чем кварца. Циркон обладает высокой теплопроводностью, что при большой плотности материала обеспечивает в 1,5 - 2 раза более высокий коэффищент теплоаккумулирующей способности цирконовых смесей, инертен к большинству оксидов, образующихся на поверхности охлаждающейся отливки. В силу указанных особенностей, цирконовые материалы широко применяют как в виде песков (КЦЗ) для приготовления облицовочных противопригарных смесей, так и в виде порошков (КЦП и КЦПТ) в качестве наполнителя формовочных красок. Циркон применяется в производстве стальных отливок (из любой марки стали), в отдельных случаях с успехом используется при изготовлении крупных чугунных отливок. Материал дефицитен и относительно дорог.

Более дешевым и недефицитным является второй материал этой группы - дистен-силлиманит, представляющей собой смесь двух минералов, одинакового стехиометриче-ского состава (AI2O3 8Юз), но разного структурного строения; дистена (Al2[Si04]0), имеющего триклинную сингонию, и силлиманита (AlIAlSiOsl), обладающего ромбической кристаллической решеткой. Твердость материала

по Моосу 6-7 единиц; плотность 3,4 -3,5 г/см; огнеупорность материала 1800 -1830 °С; при нагреве до 1545 °С дистен-силлиманит разлагается, образуя муллит и кремнезем: 3 (AI2O3 Si02)-> 3 AI2O3 х

X 2 Si02 + Si02.

Дистен-силлиманит при нагреве не претерпевает полиморфных превращений, имеет сравнительно невысокий коэффициент термического расширения (близкий к корунду). Дистен-силлиманитовый концентрат содержит ок-ло 85 % дистена и силлиманита, около 4 % циркона, 7 % ставролита и в меньших количествах турмалина (1,5 %), рутила (0,3 %), ильменита (0,6 %), хромита (0,4 %) и др. Материал обладает лучшими противодефекгными свойствами, чем кварцевый песок, и используется при производстве отливок из углеродистой стали с целью улучшения качества их поверхности либо в зернистом состоянии (КДЗ) для облицовочных смесей, либо в порошкообразном (КДП) для противопригарных красок.

К той же группе относятся рутиловый и ставролитовый концентраты. Рутиловый концентрат состоит из 85 - 86 % рутила (Ti02), около 10 % ильменита (FeO-Ti02), 1 % циркона и других примесей. Рутиловый концентрат является прекрасным противопригарным материалом, особенно, в производстве литья из высоколегированных хромоникелевых сталей.

Ставролитовый концентрат, основу (около 60 %) которого составляет минерал ставролит Fe(OH)2 2AI2O3 Si02, недефицитен, дешев и рекомендуется взамен кварцевых материалов (из зарубежных источников).

Перспективным формовочньпл материалом для стального литья является оливин, богатое месторождение которого имеется в Мурманской области. Это - минерал, безводный силикат 2(MgFe)0 SO2, имеет высокую огнеупорность (1750 - 1830 °С), практически инертен к оксидам металлов, при литье высокомарганцовистых сталей является идеальньп противопригарным формовочным материалом.

Вторым обязательным компонентом формовочных композиций (смесей, паст, красок) является связующий материал, основное назначение которого состоит в обеспечении целостности формы или стержня на всех технологических операциях - от их изготовления до заливки.

Связующие материалы делят на водорастворимые и нерастворимые в воде (растворяются в спирте, ацетоне и других органических растворителях). Первыми могут быть как органические, так и неорганические материалы, вторьпи - только органические. Органические связующие выгорают при залив-