ФОРМОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Морфологический состав. Формовочные материалы являются продуктом разрушения горных пород под действием различных атмосферных явлений природы: тепловой энергии солнца, движения воздуха, воды. Перепады температуры в прогреваемой солнцем горной породе в различное время года создают в ней внутренние напряжения, вызывающие растрескивание, размельчение на более мелкие частицы. Измельченные частицы породы ветром и водами рек переносятся на значительные расстояния от места образования. По пути движения они осаждаются на дне водоемов, поверхности земли, образуя эллювиальные и аллювиальные отложения - залежи. В первом случае пески имеют остроугольную форму, во втором - округлую.

Залежи песков - не редкое явление, многие заводы с литейным производством работают на местных песках. Известный, например, своим художественным литьем Каслинский завод на Урале располагает местными, прекрасными для этого вида литья формовочными песками, обеспечивающими получение отливок с высоким качеством поверхности.

Зерновой состав характеризуется размером и формой зерен формовочного материала, соотношением между количеством зерен различных размеров. Зерновой состав влияет на свойства формовочных песков, определяющих качество приготовляемых из них формовочных смесей, литейных форм и отливок. Так, пески с крупными зернами, имеющими округлую форму и гладкую поверхность, обладают большей газопроницаемостью, чем пески с мелкими зернами, имеющими остроугольную форму и шероховатую поверхность.

Размер зерен песка влияет на качество поверхности отливки. Мелкие зерна обеспечивают более чистую поверхность отливки, чем крупные. Это очень важно в производстве художественного литья, где чистота поверхности и точность соответствия ее поверхности модели имеют первостепенное значение при оценке качества отливки.

Химический состав. В состав формовочных материалов входят различные минералы, которые, взаимодействуя с заливаемым в литейную форму металлом, создают в ней условия, влияющие на качество получаемой отливки. Зная химический состав формовочного материала, наличие в нем вредных и полезных примесей, можно оценить возможность его применения для приготовления формовочных смесей со свойствами, обеспечивающими получение отливок хорошего качества.

Качество формовочного материала улучшают на обогатительных фабриках. Там материал освобождают от вредных примесей путем промывки. С уменьшением количества вредных примесей (полевого шпата, извести и др.) в формовочном материале улучшается его химический состав, увеличивается вероятность получения отливки без пригара, газовых раковин, с гладкой поверхностью.

Технологические свойства формовочных материалов (прочность, газопроницаемость, пластичность, огнеупорность и др.) зависят от требований, предъявляемых к литейной форме. Например, формовочная смесь литейной формы для художественной отливки должна обладать хорошей пластичностью в целях обеспечения получения сложной поверхности.

Огнеупорная основа

Кварц

В качестве огнеупорной основы наибольшее распространение получили кварцевые пески. По происхождению они относятся к осадочным горным породам, которые получаются в результате разрушения изверженных или первичных горных пород (гранита, диабаза, базальта и др.). Важнейшей их характеристикой является время отложения и кратность переноса. Наиболее округлые и равные по величине зерна имеют пески, которые в течение длительного времени подвергались многократным переносам и повторным отложениям. Основой кварцевых песков является кремнезем или диоксид кремния Si0₂. Минерал кварц имеет плотность 2,65 г/см³, твердость 7 (по шкале Мооса), температуру плавления 1713° С. При нагреве кварц претерпевает несколько аллотропических превращений, которые сопровождаются изменением объема.

При заливке металла в форму зерна кварцевого песка нагреваются до различной температуры и претерпевают объемные изменения. В результате зерна частично растрескиваются и разрушаются.

Плавленый кварц (кварцевое стекло) является аморфным материалом. При нагревании он не претерпевает аллотропических превращений и в интервале от 20 до 1000 °С имеет очень низкий коэффициент линейного расширения, равный 0,5 × 10^-6. После размола его применяют для изготовления керамических форм, чтобы предупредить их растрескивание, например, при литье по выплавляемым моделям.

Формовочный песок состоит из зерновой части и глинистой составляющей. В соответствии с ГОСТ 2138-91 к зерновой части относятся зерна размером более 22 мкм, к глинистой составляющей - менее 22 мкм.

В формовочных песках помимо кварца присутствуют и другие минералы: полевые шпаты, слюды, гидраты оксидов железа и т. д. К числу основных требований, предъявляемых к литейной форме, особенно к формам для крупных стальных отливок, относится высокая газопроницаемость и минимальное химическое взаимодействие с жидким металлом. Эти требования соблюдаются, если огнеупорная основа (кварцевый песок) содержит минимальное количество пылевидной фракции и минеральных примесей, которые при взаимодействии с расплавом могут образовывать легкоплавкие соединения.

В целях повышения качества формовочных песков их обогащают путем водной обработки, потоки воды удаляют пылевидную фракцию, инородные оксиды.

Классификация формовочных песков по составу в соответствии с ГОСТ 1238-91 представлена в табл., из которой следует, что наиболее качественными являются обогащенные пески.

Таблица

Классификация формовочных песков по составу

Фракционный состав песка определяют путем просеивания через 11 сит с размерами ячеек от 2,5 до 0,005 мм. Остаток песка, расположенный на трех смежных ситах, называют основной фракцией песка. Ее содержание не должно быть менее 70% (табл.).

Таблица

Классификация формовочных песков по размеру зерен

Наиболее крупные пески (групп 04 и 0315) применяют для приготовления стержневых смесей. Пески группы 02 входят в состав формовочных смесей для стальных отливок, группы 016 - для чугунных отливок. Пески групп 0063 и 005 используют для приготовления противопригарных красок.

В зависимости от распределения на ситах основной зерновой фракции пески разделяют на категории А и Б. Если остаток на верхнем из трех смежных сит больше, чем на нижнем, пески относят к категории А, если он меньше - к категории Б.

В маркировке песка на первом месте стоит обозначение класса, на втором - зерновой группы, на третьем - категории. Например, маркировка об1К02А означает: обогащенный кварцевый песок класса об1К зерновой группы 0,2 категории А.