Технологические свойства

Уплотняемость - это способность смеси уменьшать свой перво­начальный объем под воздействием внешних сил. Уплотняемость песчано-глинистых смесей зависит от содержания воды и глины и от их соотношения. Оценку уплотняемости производят по разнице объ­емов навески смеси до и после уплотнения, отнесенной к первона­чальному ее объему, и выражают в процентах. Уплотняемость опре­деляют по ГОСТ 23409.13-78.

Текучесть - это способность смеси под воздействием внешних сил заполнять труднодоступные полости в модельной оснастке, обес­печивая равномерное уплотнение формы или стержня. Значение те­кучести тесно связано с величиной прочности смеси во влажном со­стоянии, при этом чем меньше эта величина, тем выше текучесть смеси во влажном состоянии. Для оценки текучести песчано-глинис­тых смесей используют методику (ГОСТ 23409.17-78), основанную на замере твердости торцевых поверхностей уплотненного цилинд­рического образца (рис. 1.6) в точках а и б.

Рис. 1.6. Схема ступенчатой пробы для оценки текучести смеси: 1 - основание гильзы: 2 - образец смеси: 3 - гильза: 4 - прессующий плунжер: 5 - вкладыш

Величину текучести смеси выражают в процентах и подсчитыва­ют по формуле

Т = Нн/Нв*100

где Н_н и Н_в — твердость нижнего и верхнего торца образца, условные единицы.

Рис. 1.7. Схема прибора для оценки прилипаемости смесей: 1 - воронка для дроби: 2 - приемная чаша: 3 - пуансон: 4 - конусная гильза: 5 - образец смеси

Прилипаемостъ - это способность смеси во влажном состоянии прилипать к поверхности модельной оснастки или транспортных средств

(ленточных конвейеров). Повышенная прилипаемость смесей увеличивает шероховатость поверхности формы или стержня, а так­же вызывает необходимость частой чистки поверхности модельной оснастки и транспортных средств. Оценку прилипаемости смеси производят на специальном приборе (рис. 1.7) по величине усилия отрыва, отнесенного к контактной поверхности образца и коническо­го цилиндра.

Расчет прилипаемости смеси производят по формуле

П_Р = P/S.

где Р - усилие отрыва образца, Н; S - контактная поверхность образ­ца, м².

Гигроскопичность характеризует способность формы или стержня впитывать влагу из окружающей среды. Оценка гигроскопичности основана на определении массы влаги, поглощенной сухой смесью. (ГОСТ 23409.10-78). Стандартный образец смеси диаметром и высо­той 50 мм сушат и взвешивают, помещают в эксикатор на фильтро­вальную бумагу, помещенную на влажный песок, и выдерживают в течение 2 ч, после чего снова взвешивают.

Испытание проводят на трех образцах. Гигроскопичность (X) в процентах вычисляют по формуле

X=(М₁-М₂)/М₁*100

где М₁ М₂ - масса образца до и после сушки.

Значение гигроскопичности связано с природой и количеством связующего материала смеси.

Например, водорастворимые связующие материалы (лигносульфонаты, декстрин, патока и др.) придают смеси высокую гигроскопичность. Смеси с водонерастворимыми связующими материалами имеют низкую гигроскопичность.

Живучесть - это продолжительность сохранения смесью своих физико-механических свойств. Значение ее зависит от природы свя­зующего материала смеси, а также от интенсивности уменьшения в ней влаги. Например, смеси с высокомодульным жидким стеклом обладают малой живучестью. Для ее повышения в состав смесей вводят добавку водного раствора едкой щелочи, которая снижает мо­дуль жидкого стекла. За показатель живучести холоднотвердеющих (упрочняющихся без теплового воздействия) смесей обычно приме­няют продолжительность промежутка времени (в минутах), по про­шествии которого значение ее прочности снижается на 30% от мак­симального.

Осыпаемость характеризуется способностью поверхности формы или стержня не разрушаться при транспортировании, сборке и заливке формы. Значение осыпаемости связано с количеством и природой связующего материала, а также с режимом сушки форм и стержней. Для уменьшения осыпаемости песчано-глинистых форм в состав смеси обычно вводят добавки лигносульфонатов. В соответствии с ГОСТ 23409.9-78 оценку осыпаемости смеси производят по величи­не потери массы стандартным образцом, помещенным во вращаю­щийся сетчатый барабан, при этом величину осыпаемости выражают в процентах и рассчитывают по формуле

О=(М₀-М₁)/М₀*100

где М₀ и M1 - масса образца до и после испытания, г.

Податливость - это способность формы или стержня деформи­роваться под воздействием усадки отливок. Степень податливости смеси зависит от природы огнеупорной основы, от количества и при­роды связующего материала, а также от степени уплотнения смеси. Например, сильно уплотненные смеси с большим количеством глины малоподатливы. Для улучшения податливости в состав вводят дре­весные опилки и другие добавки.

Огнеупорность характеризует способность смеси не оплавляться под действием высоких температур. При недостаточной огнеупорно­сти смеси происходит оплавление и спекание отдельных ее компонен­тов с образованием крупных пор, приводящих к формированию повы­шенного пригара на отливках. Значение огнеупорности смеси зависит от минералогического, гранулометрического и химического состава формовочного песка и глины. В соответствии с ГОСТ 4069-69 для оценки огнеупорности из смеси изготавливают образцы в виде трех­гранных пирамидок. Величину огнеупорности смеси определяют по температуре, при которой вершина образца в процессе размягчения и оплавления смеси коснется уровня его основания.

Пригораемостъ - это способность поверхностного слоя формы или стержня противостоять прочному сцеплению с металлом отлив­ки. Степень пригораемости смеси зависит от многих факторов, в том числе от пористости смеси, химической инертности ее огнеупорной основы. Уменьшения пригораемости смеси достигают введением в ее состав противопригарных и высокоогнеупорных материалов (каменный уголь, мазут, маршалит и др.), применением специальных защитных покрытий, наносимых на поверхность форм и стержней.

Выбиеаемость характеризуется способностью стержней удалять­ся из внутренних полостей при выбивке и очистке отливок. Значение выбиваемости зависит главным образом от природы и количества связующего материала в смеси, от интенсивности температурного и силового воздействия металла отливок на стержень. Смеси с неорга­ническими связующими материалами, например, с жидким стеклом, имеют затрудненную выбиваемость вследствие их прочного спека­ния в период затвердевания отливки в форме. Хорошую выбивае­мость имеют смеси с органическими, легковыгорающими и некок- сующимися связующими материалами. Оценку выбиваемости смеси производят по величине работы, затрачиваемой на пробивку специ­альным бойком стержня, залитого сплавом. Работу выбивки опреде­ляют по формуле

А = п G h,

где п - число ударов, необходимое для пробивки стержня;

G - масса падающего груза, кг;

h - высота падения груза, м.

Долговечность характеризует способность смеси, после соответ­ствующей подготовки, повторно использоваться для изготовления форм без введения добавок свежих формовочных материалов. Долговечность смеси зависит от интенсивности температурного воздействия жидкого сплава, от природы огнеупорной основы и связующего материала смеси. Наибольшей долговечностью обладают песчано-глинистые смеси. Оценку долговечности смеси производят по числу циклов ее использования, обеспечивающему сохранение смесью физико-химических свойств и получение качественных отливок.

1.4. Теплофизические свойства

К теплофизическим свойствам относятся теплоемкость, теплопро­водность, температуропроводимость и теплоаккумулирующая способность. Эти характеристики определяют тепловой режим охлаждения отливки в форме. Значения их зависят главным образом от природы огнеупорной основы смесей, а также и от состояния формы (влажная, сухая). Наиболее высокими теплофизическими свойствами обладают цирконовые, дистен-силлиманитовые, хромитовые формовочные пески. Теплофизические характеристики кварцевых песков значительно ниже.

Различные теплофизические свойства смесей позволяют регули­ровать процессы затвердевания отдельных частей отливок. Значение теплоемкости и теплопроводности смесей определяется в специаль­ных теплофизических лабораториях, а температуропроводность и теплоаккумулирующая способность - расчетным путем.

Теплопроводность вещества l определяется как количество теплоты Q, которое подводится за время t через поверхность площадью F, расположенную перпендикулярно к тепловому потоку, отнесенное к температурному градиенту Dt/d (Dt - разность температур; d - толщина образца):

l=Q/(Ft Dt/d)

'

Теплопроводность большинства формовочных смесей с повыше­нием температуры увеличивается, а у смесей с магнезитом и корун­дом, в качестве наполнителя, уменьшается. Получение заданной теп­лопроводности в песчаных формах затруднительно, так как она зави­сит не только от теплопроводности наполнителя, но и от влажности воздуха и газов, находящихся в межзерновых порах.

В сухом песке предположительно теплопередача происходит от зерна к зерну за счет прямых контактов, частично - излучением. Те­плопроводность при повышении температуры на 1000°С (с 95 до 1095°С) изменяется почти на 100% - с 2,63-10^-6 до 4,75-10^-6 Вт/(м*К).

Процесс распространения теплоты во влажном песке, однако, бо­лее сложен, чем в сухом. Теплопередача происходит как за счет теп­лопроводности зерен наполнителя, так и воды (водяного пара), ад­сорбированной зернами песка и находящейся в порах между песчин­ками.

При нагреве влажной формовочной смеси залитым металлом в глубь формы проникает водяной пар (в результате изменения давле­ния), нагретый в порах воздух, а также продукты сгорания органиче­ских составляющих. В холодных слоях формы, удаленных от отливки, происходит конденсация влаги. В результате переноса теплоты водяным паром и улучшения условий теплопередачи между контактирующими зернами песка из-за накопления влаги в местах их контакта общая теплопроводность смеси с повышением влажности также повышается.

На теплопроводность песчано-глинистых форм влияют степень уплотнения формовочной смеси и содержание связующего. Напри­мер, теплопроводность повышается при увеличении степени уплот­нения и количества бентонина в смеси.

Удельная теплоемкость формовочной смеси зависит не только от ее вида, но и от температуры. С повышением температуры она также увеличивается. Значительное влияние на удельную теплоемкость формовочной смеси оказывает содержание в ней влаги. Для более полного представления о теплофизических свойствах форм определяют температуропроводность а (в м²с^-1), характеризующую, на­сколько интенсивно в форме выравниваются температурные перепа­ды:

а = l(с * р),

где с - удельная теплоемкость смеси, Дж/(кг*К);

р - плотность смеси, кг/м³.

Температуропроводность в интервале температур 500-1000°С кварцевого песка составляет 0,00145 м²с^-1, шамота - 0,00178 м²с^-1

При расчете теплопередачи от отливки к форме применяется так­же величина, называемая коэффициентом тепловой аккумуляции

Чем выше теплоаккумуляторная способность формы, тем быстрее охлаждается отливка и меньше опасность образования пригара на поверхности отливки.