ке расплава в форму, что обеспечивает хорошую податливость и выбиваемость форм (особенно важно для стержней). Неорганические связующие не вьпюрают, поэтому затрудняют выбивку форм и стержней.

По характеру затвердевания связующие материалы делят на обратимые, необратимые и занимающие промежуточное положение. Необратимые связующие применяются значительно чаще, чем обратимые, т.е. большинство связующих затвердевает в результате необратимых химических реающий. Однако в этом случае затрудняется регенерация формовочных песков. К связующим, занимающим промежуточное положение, относится глина. Если температура сушю! или нагрева смеси при заливке расплава в форму не превышает температуру, при которой начинается удаление из глины кристаллизационной воды (выше 350 °С), то глина под воздействием воды на последующих операциях (например, при гидровыбивке) снова приходит в исходное состояние и после высушивания приобретает начальные связующие свойства. Если температура нагрева глины превьппает указанный уровень, то начинается процесс шамотизации (обжига глины), который является необратимым.

По прочностным характеристикам связующие материалы подразделяют на три группы в зависимости от удельной прочности (т.е. прочности, МПа, смеси на основе кварцевого песка, отнесенной к 1 % связующего): первая группа - удельная прочность вьппе О,.. 11Па, вторая - 0,3 - 0,5, третья - менее 0,3. Глина относится к третьей группе связующих материалов.

К связующим материалам предъявляются следующие основные требования:

высокая удельная прочность;

способность обеспечивать смеси хорошие технологические свойства (пластичность, фор-муемость, выбиваемость и т.п.);

нейтральность к. наполнителю смеси (формовочному песку);

низкая газотворность;

безвредность;

низкая стоимость и недефихщтность.

Этим требованиям максимально удовлетворяет самое распространенное неорганические связующее - глина, несмотря на низкую удельную про1шость. Однако основной причиной широкого распространения глины как связующего материала явилась ее способность придавать формовочной смеси необходимую сырую прочность, т.е. прочность после уплотнения до отверждения сушкой. Часто (для мелких форм) эта прочность оказывается достаточной, чтобы осуществлять заливку форм без сушки (заливка в сырые формы).

По признаку породообразующего минерала глины подразделяют на каолинитовые, в которых основным минералом является као-

лин (AI2O3 2Si02 2Н2О), и бентонитовые, где породообразующим является монтмориллонит с весьма сложной и переменной химической формулой m [Mg3 (Si40io) (ОН)2] х х р (А1, Fe)2 (SUOio) (ОН)2 ; обьино отношение т\р равно 0,8 ч- 0,9.

Связующие свойства глины определяются ее способностью к набуханию. В каолинито-вых глинах набухание происходит вследствие образования вокруг каждой частицы гидратно-го слоя. Увеличению толщины этого слоя способствует наличие в частице глины ионов натрия и калия. Наоборот, наличие в глине ионов кальция, магния и особенно трехвалентного железа уменьшает толщину гидратного слоя, что приводит к снижению связующей способности глины.

В литейном производстве используют преимущественно низкосортные кислые и полукислые глины, которые характеризуются по-вьппенным содержанием Si02, FeO и Ре20з и пониженным содержанием AI2O3 по сравнению с нормальной глиной. Вследствие этого примерно вдвое уменьшается прочность смесей при замене нормальной глины полукислой и кислой.

Повышение связующих свойств низкосортных глин достигается использованием специальных активаторов, изменяющих строение частиц глины, в частности, за счет замены ионов Са, Mg и Fe ионами Na, а также перевода указанных ионов в нерастворимые соединения. Наилучшими активаторами низкосортных полукислых глин являются пиро-фосфат Na4P207 и гексаметафосфат натрия Na6(P206)3. При их добавке в количестве 0,3 - 0,5 % в виде водного раствора сухая прочность смеси увеличивается в 3 - 4 раза, осыпаемость снижается на порядок. Каолини-товые глины используются при изготовлении форм как по-сырому , так и по-сухому .

В бентонитовых глинах влага проникает также внутрь частиц, что обусловлено слоистой структурой монтмориллонита. Влага раздвигает слои частиц, в результате чего происходит набухание глины. Так же, как для као-линитовых глин, набухание возрастает при повышении содержания в частицах ионов натрия.

В табл. 3.6 приведены параметры набухания бентонитов и каолинитовой глины разных месторождений. Из приведенных данных видно, что бентониты более склонны к набуханию, чем каолинитовая глина. В результате этого требуемая сырая прочность смеси достигается при содержании бентонитовой глины в 2-4 раза меньше, чем каолинитовой. Вместе с тем при удалении влаги из каолинитовой глины происходит уменьшение слоя гидратной оболочки и сближение частиц без их разруше-

3.6. Параметры набухания глин

* Выражается количестаом воды (в мл), поглощенной 1 г глины.

ния, что в конечном счете приводит увеличению прочности смеси. В бентонитовой глине удаление влаги приводит к разрушению частиц и нарушению всей цепочки связи зерно песка - гидратная оболочка - частица глины . Поскольку удаление влаги наиболее интенсивно происходит с поверхности формы, то это приводит к повышенной осьшаемости и большей вероятности возникновения засоров в отливках. Бентонитовые глины широко используют для изготовления сырых форм, особенно на автоматических формовочных линиях, где продолжительность от изготовления до ее заливки составляет не более 2 - 3 ч.

В обозначении марки глины (например, БП2Т1 или KCIT2) первый знак обозначает вид глины по основному минералу (Б - бентонитовые и К - каолинитовые глины); второй -группу глины по пределу прочности смеси во влажном состоянии (П - прочносвязующая, С - сред несвязующая, М - малосвязующая: для бентонитовых глин предел прочности соответственно не менее 0,13; 0,11 и 0,09 МПа и для каолинитовых глин не менее 0,11; 0,08 и 0,05 МПа); третий знак - подгруппу по пределу прочности смеси в сухом состоянии (1 - прочносвязующая, 2 - среднесвязующая, 3 - малосвязующая: для бентонитовых глин соответственно не менее 0,55; 0,35 и 0,3 МПа и для каолинитовых 0,45; 0,3 и 0,2 МПа) и четвертый знак - группу глин по содержанию вредных примесей (Ti - до 6, Т2 - до 12,5 и Тз - до 21 %).

Распространенным связующим материалом является жидкое стекло, представляющее собой водный коллоидный раствор силиката натрия. Состав жидкого стекла характеризуют модулем

М =- 1,032 ,

roNajO

где 1,032 - соотношение молекулярных масс компонентов. Используют как низкомодульное (М = 2,0 -ь 2,2), так и высокомодульное (М = 3,0 3,5) жидкое стекло в зависимости

от технологических условий производства. Низкомодульное жидкое стекло обеспечивает большую сохранность свойств при длительном хранении смеси, т.е. ее живучесть, а высокомодульное - значительное улучшение выбиваемости. Жидкое стекло, как правило, имеет модуль, равный 2,7 - 2,9. Для снижения модуля в жидкое стекло, а чаще в смесь при ее приготовлении вводят рассчитанное количество раствора едкого натр. Повысить модуль жидкого стекла каким-либо простым технологически приемом не представляется возможным. Концентрация жидкого стекла характеризуется плотностью раствора. Обычно используют стекло плотностью 1,48 - 1,52 г/см.

Технологическим преимуществом жидкого стекла является его хорошая сочетаемость с глинистыми материалами. Это позволяет использовать комбинированные формы, в которых облицовочный слой вьшолнен жидкосте-кольной смесью, а наполнительный - песчано-глинистой, иногда даже сырой. Недостатком жидкостекольных стержней являехя затрудненная выбивка их из отливок.

Расширяется применение фосфатных материалов в качестве связующих, преимущественно для стержневых смесей. Применяют также алюмо-, алюмохром- и алюмомагнийфос-фатные материалы для самотвердеющих смесей, для высушиваемых, в том числе затвердевающих в горячих ящиках. Однако окончательная область и технология применения этих связующих материалов пока не установлены [10, 11].

Наиболее интенсивно развиваются технологические процессы изготовления форм и стержней из смесей, содержащих в качестве связующих материалов синтетические смолы. В литейном производстве используют большое число типов и марок синтетических смол, однако в нашей стране широкое распространение полушли лишь четыре основные типа смол (в скобках указаны торговые марки):

фенолоформальдегидные (ОФ-1, ПК-104, СФ-30-42);

фенолоформальдегиднофурановые (ФФ-1Ф, ФФ-1С);

мочевиноформальдегидные (УКС, М19-

62);

мочевиноформальдегиднофурановые (БС-40, КФ-40, КФ-90, фуритол-107).

Смолы первык двух типов используют, преимущественно, для стального литья, так как не содержат азота и безопасны в отношении возникновения в отливках ситовидной пористости. Смолы третьего типа являются наименее термостойкими и могут быть рекомендованы в производстве тонкостенных чугунных отливок и от.глвок из легких сплавов. Четвертый тип смол используется преимущественно для чугунного литья, хотя известно применение смолы КФ-90 для стального литья на Уралмашзаводе, ЗИЛе, а смолы фуритол-107 - на Краматорской группе заводов.

Смолы названных типов представляют собой различные комбинации четырех мономеров - фенола, формальдегида, мочевины (карбамида) и фурана или фурилового спирта. При синтезе из двух или нескольких мономеров в результате протекания реакций поликонденсации возникают высокомолекулярные соединения, являющиеся связующим материалом. Одновременно образуются некоторые побочные низкомолекулярные продукты, не участвующие в формировании прочности. Некоторые характеристики основных смол приведены в табл. 3.7. Подробнее структура смол, их синтез и свойства описаны в [9].

Для отверждения синтетических смол обьгшо используют кислоты, например, орто-фосфорную, бензолсульфокислоту (БСК), па-ратолуолсульфокислоту (ПТСК) и др. Чтобы повысить прочность смесей или снизить содержание смолы, часто используют специальные добавки, главным образом из класса сила-нов (АГМ-9, 112-23 и др.).

Некоторые необратимые и обратимые связующие материалы используют, преимущественно, в стержневых смесях. К необратимым относятся связующие П, ПТ, КО, 4ГУ (на основе растительных масел и их заменителей).

(битума и канифоли), ГТФ (продукты переработки сланцев). Дешевым водорастворимым материалом является технический лигносуль-фонат лет - продукт переработки древесины. Его применяют в комбинированных связующих и как добавку к песчано-глинистым смесям.

Формовочные смеси делятся на единые, облицовочные и наполнительные. Единые смеси применяют при машинной формовке в массовом производстве, а в единичном и мелкосерийном производстве для изготовления крупных форм - облицовочные и наполнительные. Из первых оформляют рабочий (облицовочный) слой форм толщиной 15 -30 мм, вторыми заполняют остальной объем опок. Наполнительные смеси, состоящие в основном из оборотных смесей, значительно дешевле облицовочных.

Для достижения определенных технологических свойств в формовочные и стержневые смеси вводят специальные добавки. Основными технологическими свойствами смесей являются: уплотняемость и текучесть (обеспечение максимально четкого отпечатка модели); прочность - манипулятор пая (при транспортировке и сборке), технологическая (при заливке формы), сырая и сухая; газопроницаемость и газотворность; податливость (при усадке отливки); живучесть (длительность сохранения свойств); выбиваемость; противопригарные свойства, способность к регенерации и др. [14].

К стеряшевым смесям предъявляют более высокие требования, чем к формовочным по большинству технологических свойств. Для повышения противопригарных свойств в смеси для чугунного литья вводят добавки каменноугольной пыли, измельченных кокса и древесного угля, мазута; для стального литья -пылевидный кварц, пирофиллит (минерал из класса силикатов); для отливок из медных сплавов - мазут, тальк. Повьпиение газопроницаемости, податливости и выбиваемости

3.7. Физико-химические характеристики некоторых смол

* Указано содержание лишь наиболее вредных мономеров - фенола и формальдегида.