Формовочные и стержневые смеси

Для того чтобы получить литейную форму, необходимо иметь формовочную и стержневую смеси, модельный комплект и опоки. Самое большое распространение для производства литейных форм получили песчано-глинистые формовочные смеси. Они состоят из огнеупорного наполнителя, в качестве которого применяют кварцевые, цирконовые, оливиновые и другие пески, огнеупорной глины и воды, кроме того в эти смеси вводят специальные добавки, которые улучшают их технологические свойства.

Для приготовления смеси используют специальные машины, называемые бегунами. Представьте себе большую чашу, по дну которой перемещаются с большой скоростью катки. В эту чашу подают песок и водную глиняную эмульсию, которые перемешивают катками до однородного состава. Катки эти называют бегунами, отсюда и название самой машины. Чтобы формовочная смесь не уплотнялась, в смесителе перед катками вместе с ними вращаются скребки. Они поднимают и разрыхляют смесь. В процессе перемешивания зерна песка 1 обволакиваются набухшей глиной 2, как схематично показано на рис. 13. В неуплотненном состоянии (рис. 13, а) зерна песка имеют между собой лишь точечные контакты. Но если смесь уплотнить (рис. 13,6), то зона контакта увеличится и прочность сцепления между зернами значительно возрастет. Как показано на рис. 13, и после уплотнения смеси между зернами сохраняются пустоты 3 или поры, совокупность которых образует в формовочной смеси извилистые каналы, заполненные воздухом. Способность этих каналов пропускать воздух характеризует газопроницаемость формовочной и стержневой смесей. Таким образом, прочность, газопроницаемость и влажность смеси являются основными физическими свойствами. Но есть еще целый ряд технологических свойств, которыми должна обладать формовочная смесь для того, чтобы можно было получить качественную отливку. Это уплотняемость, текучесть, противопригораемость, формуемость и др., которые определяются специальными технологическими пробами. Так, уплотняемость характеризует уменьшение объема образца смеси под нагрузкой, текучесть — способность заполнять узкие и глубокие полости в модели и т. д.

структура формовочной смеси
Рис. 13. Структура формовочной смеси

Научно-техническая революция XX в. характеризуется широким проникновением химии во все сферы производства и быта. В литейном производстве наглядным примером преобразующей роли химии могут служить успехи, достигнутые в развитии формовочных и стержневых смесей. Жидкое стекло как связующая основа давно применялось для изготовления форм и стержней, однако для затвердевания смеси применяли тепловую сушку. Но оказалось, если пропускать через форму в течение 30— 40 с углекислый газ, то смесь на жидком стекле твердеет прямо на глазах и после окончания продувки приобретает необходимую прочность. Секрет тут оказался очень простым. Углекислый газ вступает в химическую реакцию с жидким стеклом по уравнению

В результате этой реакции жидкое стекло разрушается с образованием соды и геля кремниевой кислоты, которая, обладая высокими клеящими свойствами, связывает песчинки между собой. Если вернуться к рис. 13, то зерна песка 1 будут в жидкостекольной смеси до продувки газом CO2 «одеты» в оболочку из жидкого стекла, а после продувки — в оболочку из геля кремниевой кислоты. Эта технология получила название «CO2-процесс» и нашла широкое применение для получения стержней и форм при производстве отливок из чугуна и стали массой от нескольких килограммов до 20 тонн и более.

Но самый настоящий переворот в приготовлении формовочных и стержневых смесей произошел в результате использования поверхностно-активных веществ, или сокращению ПАВ. Что же это за вещества? Всем известно, что капелька ртути имеет форму, близкую к шару. И капля воды также стремится принять шарообразную форму. Это происходит под действием сил поверхностного натяжения, которое является результатом взаимодействия молекул в поверхностном слое жидкости. Если в воду добавить очень малое количество ПАВ, то силы поверхностного натяжения уменьшатся в десятки раз. Для воды таким ПАВ является обычное мыло. Если приготовить мыльный раствор воды и перемешать его, то образуется обильная пена. Это явление известно даже детям, которые так любят выдувать мыльные пузыри, но не всем известно, что причиной тому — особые свойства поверхностно-активных веществ.

Как часто случается в жизни ученых, блестящие идеи и открытия к ним приходят неожиданно, под воздействием привычных, часто встречающихся явлений, но которые вдруг произошли в необычных условиях. Вспомните шутку с И. Ньютоном, которому яблоко, упавшее «на голову», помогло открыть знаменитый закон всемирного тяготения!

На один из заводов в литейный цех завезли обычное жидкое стекло, или, как называют химики, водный раствор силиката натрия. Когда в бегунах начали готовить формовочную смесь на этом жидком стекле, то она постепенно из рыхлой и сыпучей превратилась в густую сметанообразную массу. Эту смесь и жидкое стекло забраковали. Но на это явление обратили внимание ученые. Их заинтересовала причина такого поведения смеси. Внимательное изучение показало, что виновником оказалась бочка из-под мыла, в которой привезли жидкое стекло. Под воздействием ПАВ поверхностное натяжение жидкого стекла уменьшилось в десятки раз. При интенсивном перемешивании смесь захватывала воздух, образуя многочисленные мелкие пузыри в прослойке жидкого стекла между песчинками, и уменьшала внутреннее трение между ними настолько, что сыпучая смесь приобретала свойства жидкости. Со временем пена разрушалась, и смесь снова возвращалась в исходное сыпучее состояние. Но такая смесь не имела необходимой прочности. Нужно было найти способ, чтобы заставить смесь затвердеть после разрушения пены. И опять на помощь пришла химия. Оказалось, что если ввести в жидкостекольные смеси 1—2% материалов, которые содержат двухкальциевый силикат, то прочность их значительно возрастает. Большие количества двухкальциевого силиката содержатся в шлаке от производства феррохрома и низкосортных цементах. Так были разработаны принципиально новые формовочные и стержневые смеси, которые получили название: «жидкие самоотвердевающие», или сокращенно ЖСС. Они нашли широкое применение в нашей стране и за рубежом для производства крупных многотонных отливок из чугуна и стали. Группе ученых и инженеров за разработку ЖСС была присуждена Ленинская премия в области науки и техники.

Но жидкостекольным смесям присущи и существенные недостатки. Они плохо выбиваются из отливок, а затвердевшие пленки жидкого стекла трудно отделяются от зерен кварцевого песка, что затрудняет его регенерацию я повторное использование. Это приводит к чрезмерному расходу кварцевых песков. Здесь на помощь литейщикам опять пришла химия. Многие полимерные материалы и смолы под воздействием катализаторов или температуры полимеризуются и переходят из жидкого в твердое состояние, приобретая при этом высокую прочность. Исходя из этого был разработан большой класс песчано-масляных сыпучих, пластичных и жидких смесей и на их основе — новые технологические процессы для производства форм и стержней, общей особенностью которых являлся принцип отвердевания смеси непосредственно в модельно-опочной оснастке. Так, используя термореактивные смолы в основном фенольного класса, литейщики создали песчано-смоляные смеси, которые необратимо отвердевали при соприкосновении с нагретой до 150—250°С модельной оснасткой. Введение в смесь специальных веществ (катализаторов) позволило сократить процесс отвердения смеси до нескольких десятков секунд. Это дало возможность быстро получить готовую полуформу или стержень непосредственно на модельной плите или в стержневом ящике. Такой процесс получил название: «изготовление форм и стержней в горячей оснастке». В отличие от этого процесса, использование реакционно способных синтетических смол, отвердевающих без нагрева под действием твердых, жидких или газообразных катализаторов, послужило основой для разработки холоднотвердеющих смесей. Технология формовки на основе этих смесей получила название: «изготовление форм и стержней в холодной оснастке».