Состав литейной разовой формы и физико-химические взаимодействия с ней жидких сплавов

Литейная форма представляет собой систему элементов образующих рабочую полость определенной конфигурации. При заливке которой расправленным металлом формируется такой же конфигурации отливка.

По своей природе материалы для изготовления форм можно разделить на сплошные, твердые и дисперсные.

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.

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. Различают исходные формовочные материалы и приготавливаемые из них формовочные смеси, подразделяемые на собственно формовочные смеси и стержневые смеси. В составе формовочных смесей выделяют наполнитель (огнеупорную зерновую основу), связующие материалы (обволакивающие поверхность зерен и обеспечивающие превращёние дисперсной смеси в монолит) и специальные добавки (обеспечивающие требуемый уровень технологических свойств смеси).

Формовочную и стержневую смеси использованные в технологическом процессе получения отливок и освобождаюiф4еся после ее охлаждения называют отработанной смесью. Основной частью смеси обычно более 80 % ее массы является наполнитель – твердый компонент, придающий смеси необходимую прочность при сжатии. Наиболее часто в качестве наполнителя применяется кварцевый песок, названный по главному породообразующему минералу – кварцу (SiO₂), имеющему плотность 2,65 г/см³, температуру плавления 1713 °С, твердость по шкале Мооса 6,5-7. Другими наполнителями могут быть естественные или синтетические материалы: оливин, шамот, муллит, магнезит, электрокорунд. Форма и размер зернового состава оказывают существенное влияние на технологические свойства формовочной смеси.

Связующие придают смеси способность принимать форму, соответствующую модели и уплотняться при формовке. В жидком состоянии связующие материалы покрывают поверхность зерен наполнителя пленкой, которая при уплотнении создает вокруг точек контакта между зернами манжеты и, наконец, переходит в твердое состояние, превратив сыпучую или жидкоподвижную смесь в монолитную среду.

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, нерастворимые и несмачиваемые водой (гидрофобные или неводные); к классу «Б» –органические гидрофильные (водные) связующие, к классу «В» – неорганические водные.

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 бёлее 50 % глинистой составляющей (частиц размером зерен менее 22 мкм). К качественным характеристикам формовочных глин относятся: состав и строение породообразующего минерала, дисперсность. Отличительной особенностью глин является способность набухать в воде: 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 Аl₂О₃*2SiO₂*Н₂О с температурой плавления 1750-1787 °С..

Основным породообразующим минералом бентонитовых глин является монтмориллонит Аl₂О₃*4SiO₂*nН₂О. По своей кристаллической структуре он относится к высокодисперсным минералам с меняющейся 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, чем выше термохимическая устойчивость и меньше склонность отливок к образованию пригара, чем меньше в них содержится примесей – оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, оксидов железа и сульфида серы.

Жидкое стекло как связующие применяют в жидкостекольных смесях. Оно представляет собой водный раствор силикатов натрия Na₂О*nSiO₂*mН₂О или калия К₂О*nSiO₂*mН₂О. Особенностью жидкого стекла является склонность быстро затвердевать при продувке углекислым газом, введении специальных отвердителей (шлака феррохромового производства) или тепловой обработке. Основной характеристикой жидкого стекла является силикатный модуль. 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.

К органическим неводным связующим относятся: затвердевающие необратимо – растворы растительных масел, а также маслянистых продуктов нефтеперерабатывающих в органических растворителях; затвердевающие обратимо канифоли, битумы, пеки.

К органическим водным затвердевающим необратимо относятся синтетические смолы. Затвердевание смолы может осуществляться за счет действия тепла, за счет одновременного действия тепла и катализатора, за счет катализатора.

К связующим, затвердевающим обратимо, относятся коллоидные растворы органических веществ и эмульсий в водной среде (лигносульфонаты, декстрин, патока).

Проникновение расплава можно ограничить снижением температуры заливаемого металла и тщательным его раскислением. Полностью предупредить протекание химических процессов можно лишь изменением вида формовочного материала.

Взаимодействие формы с отливкой можно разделить на следующие этапы

1. Взаимодействие формы с жидким металлом.

Продолжительность этого этапа – от долей до двух-трех секунд. На этом этапе металл при своем движении может разрушать и размывать форму, проникать в поры песчаной формы и образовывать механический пригар. Из прогревающегося поверхностного слоя формы выделяются газы, которые, проникая в расплавленный металл, всплывают в верхнюю часть отливки и обычно не образуют газовых раковин.

2. Взаимодействие формы с коркой металла, образующейся в начальной стадии затвердевания. Продолжительность этапа – от нескольких до десятков секунд. Металл на этом этапе образует корку, в которой имеются участки жидкости. Происходит снятие теплоты перегрева. Тепловой поток распространяется в глубь стенки формы. Начинается окисление металла и взаимодействие его окислов с материалом формы. Газы из формы могут воздействовать на корку, искажать ее поверхность и проникать в отливку, прорывая корку.

3. Взаимодействие формы с затвердевающей отливкой. Продолжительность этапа от нескольких минут до десятков часов в зависимости от толщины стенки отливки. Затвердевание последовательно распространяется в глубь отливки. Тепловой поток нагревает стенки формы. Происходит химическое взаимодействие окислов металла и материала формы с образованием химического пригара и обезуглероженного слоя в отливке.

Возникает интенсивное механическое взаимодействие отливки и формы.

4. Взаимодействие формы с твердой отливкой. Продолжительность этапа – от часов до суток. Отливка и форма на этом этапе охлаждаются как единое целое.