ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Сущность литейного производства состоит в получении отливок — литых металлических изделий путем заливки расплавленного металла или сплава в литейную форму.

Первые литые изделия получали еще в III—II тысячелетиях до н. э. сначала из бронзы, позже из чугуна. Значительное развитие литье из чугуна получило примерно с XIII—XIV вв. Стальные отливки начали получать в XIX в., литые детали из алюминиевых и магниевых сплавов — несколько десятков лет назад. В настоящее время в литейном производстве применяют множество самых различных сплавов.

Значение литейного производства исключительно велико. Нет ни одной отрасли машиностроения и приборостроения, где не применяли бы литые детали. В машиностроении масса литых деталей составляет около 50 % массы машин и механизмов, в танкостроении — около 80%, в тракторостроении—около 60 %, Это объясняется рядом преимуществ литейного производства по сравнению с другими способами получения заготовок или готовых изделий. Литьем получают детали как простой, так и очень сложной формы с внутренними полостями, которые нельзя или очень трудно получить другими способами. Во многих случаях это наиболее простой и дешевый способ получения изделий. Масса деталей колеблется от нескольких граммов до нескольких сот тонн.

Некоторые специальные способы литья позволяют получать отливки с высокой чистотой поверхности и точностью по размерам, что резко сокращает или исключает совсем их последующую механическую обработку. Кроме «традиционных» литейных сплавов: чугуна, стали, бронзы, литье все шире применяют для изготовления изделий из нержавеющих и жаропрочных сталей, магнитных и других сплавов с особыми физическими свойствами.

Наша страна уже много . лет занимает первое место в мире по производству отливок, а стального литья производит больше, чем все промышленно развитые страны вместе взятые.

Широкому развитию литейного производства, особенно за последнее десятилетие, способствует совершенствование старых и появление новых способов литья, непрерывно повышающийся уровень механизации и автоматизации технологических процессов, специализация и централизация производства.

1. Основные способы получения отливок

Литейная форма — это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка.

Первые формы для литья делали из камня или глины. Примерно с конца XVIII в. литейные формы начали изготавливать из специально приготовленной увлажненной смеси песка и глины. В настоящее время существует более ста различных способов изготовления литейных форм и получения отливок. Около 80 % от всей массы чугунных и стальных отливок получают в песчано-глинистых формах. Этим способом получают как мелкие, так и очень крупные отливки, литые детали простой и сложной формы не только из чугуна и стали, но также из различных цветных сплавов.

Прогрессивные способы получения отливок в формах, изготовленных из специальных смесей, например, самотвердеющих жидких, пластичных, имеют существенные технико-экономические преимущества по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы.

В литейном производстве широко применяют специальные способы литья: в металлические формы (кокили), центробежное литье, литье под давлением, литье по выплавляемым моделям и др. Такими способами можно получать отливки высокой точности. с минимальными допусками по размерам, с высокой чистотой поверхности. Это сокращает или совсем исключает механическую обработку на металлорежущих станках, дает экономию металла, особенно важную при использовании дорогостоящих и дефицитных сплавов, снижает трудоемкость и стоимость детали. Наряду с этим каждый специальный способ литья имеет свои специфические особенности, ограничивающие область его применения. Так, литье по выплавляемым моделям применимо лишь для относительно небольших изделий, центробежное литье — для получения труб и других изделий, имеющих форму тел вращения.

2. Развитие отечественного литейного производства

Свидетельством высокого искусства русских литейщиков-умельцев является «Царь-пушка» — чугунная отливка массой около 39 т, изготовленная Андреем Чоховым в 1585 г. Михаил Маторин в 1735 г. отлил уникальный бронзовый «Царь-колокол» массой около 200 т.

Мировую известность получило чугунное художественное литье Каслинского завода (Урал), основанного в XVIII в. Событием в истории литейного производства стала отливка шабота массой 620 т (для кузнечного молота) в 1873 г. на заводе в Мотовилихе (Пермь).

Развитию научных основ литейного производства во многом способствовали работы Д. К. Чернова, П. П. Аносова и других ученых.

Дореволюционная Россия по производству литья (0,5 млн. т в 1913 г.) занимала четвертое место в мире. Технический уровень производства был низким. Преобладал ручной труд.

В годы довоенных пятилеток была проведена коренная реконструкция литейного производства.

По объему литейного производства в 1936—1937 гг. наша Родина заняла второе место в мире (уступая США). В послевоенные годы наше литейное производство достигло нового высокого технического уровня, а по объему с 1967 г. занимает первое место в мире.

Большое значение для развития и совершенствования литейного производства имели решения о создании специализированных литейных цехов и заводов-центролнтов. Централизация и специализация в литейном производстве дают возможность наиболее полно использовать достижения научно-технического прогресса. Так, например, если затраты труда на 1 т литья в единичном и мелкосерийном производстве условно принять за 100 %, то в крупносерийном производстве они составляют примерно 60 %, в массовом высокомеханизированной производстве 35—40 %.

Если принять среднюю себестоимость продукции литейных цехов с выпуском более 50 тыс. т в год за единицу, то в цехах с выпуском менее 1 тыс. т она составляет 3,7.

Одной из главных задач литейного производства является ускорение роста производительности труда на основе нового высокопроизводительного оборудования, комплексной автоматизации и механизации. В настоящее время в литейном производстве работают около ста автоматических линий. В повышении эффективности литейного производства важнейшим направлением является улучшение качества, надежности, точности и чистоты поверхности отливок с максимальным их приближением к готовым деталям, снижение на 15—20 % массы литых деталей путем внедрения новых прогрессивных технологических процессов получения отливок и улучшение качества литейных сплавов.

Глава II. ЛИТЬЕ В ПЕСЧАНЫЕ ФОРМЫ

1. Литейная технологическая оснастка

Для изготовления отливок применяют большое число различных приспособлений, которые называют литейной оснасткой.

В комплект литейной технологической оснастки для изготовления форм из формовочных смесей входят модели, модельные плиты, стержневые ящики и др.

Модели — приспособления, при помощи которых в формовочной смеси получают отпечатки полости, соответствующие наружной конфигурации отливок. Отверстия и полости внутри отливок, а также иные сложные контуры образуют при помощи стержней, устанавливаемых в формы при их сборке.

Размеры модели делают больше, чем соответствующие размеры отливки, на величину линейной усадки сплава, которая для углеродистой стали составляет 1,8—2 %, а для чугуна 0,8—1,2 %. Если отливки подвергают механической обработке, то в соответствующих размерах модели учитывают размер припусков — слоя металла, удаляемого при механической обработке. Припуск зависит от размеров отливки, вида сплава. Так, для мелкого чугунного литья он составляет 0,7—5 мм на сторону. Модели делают из «к древесины, металлических сплавов и пластмасс.

Деревянные модели изготавливают из плотной, хорошо просушенной древесины — сосны, бука, ясеня и др. Для предотвращения коробления модель делают не из целого куска древесины, а склеивают из отдельных частей (брусочков) с тем, чтобы направление волокон было разным. Во избежание деформирования модели во влажных формовочных смесях и для лучшей вытяжки из формы их окрашивают; для чугунных отливок принят красный цвет, для стальных — синий.

Преимущество деревянных моделей — их дешевизна, простота изготовления; при больших размерах — небольшая масса; основной недостаток — недолговечность.

Металлические модели по сравнению с деревянными имеют значительно большую долговечность, высокую точность и чистую рабочую поверхность. Такие модели чаще всего делают из алюминиевых сплавов. Эти сплавы имеют малую плотность, не окисляются, хорошо обрабатываются резанием. Для уменьшения массы металлические модели обычно делают пустотелыми с ребрами жесткости внутри.

Для получения в форме отпечатков знаковых частей стержней, которыми стержень крепится в форме, модель имеет знаки — выступающие части. Чтобы при извлечении модели форма не разрушалась, вертикальные стенки модели делают с уклонами.

Сопряжение стенок в отливках должно быть плавным, без острых углов. Это также учитывается в моделях. Скругление внутренних углов называется галтелью, наружных — закруглением.

Модели из пластмасс устойчивы к действию влаги при эксплуатации и хранении, не подвергаются короблению, имеют небольшую массу. Перспективным является применение моделей из вспененного полистирола, газифицирующегося при заливке металла в форму. Применение таких, неудаляемых из формы моделей упрощает формовку, способствует улучшению качества литья.

Для машинной формовки широко применяют модельные комплекты: металлические модельные плиты и быстросменную модельную оснастку — координатные подмодельные плиты и подмодельные плиты со сменными вкладышами (рис. 190).

Металлические модельные плиты с одной или несколькими моделями используют в массовом производстве. Такие плиты могут быть односторонними для раздельной формовки верхней и нижней полуформ, а также двусторонними, когда части моделей размещены на обеих сторонах плиты, Машинная формовка с применением металлических плит обеспечивает высокое качество отливок.

Координатные подмодельные плиты применяют, когда по условиям производства необходима частая смена моделей. Металлическая плита имеет большое число отверстий, Они обозначены по горизонталям буквами, по вертикалям — цифрами и, таким образом, каждое из них имеет свой шифр, например, А5, Б8 и т. д. Модель быстро и точно устанавливают на плите по направляющим штифтам и затем укрепляют на плите при помощи болтов.

Подмодельные плиты со сменными вкладышами (рис. 190, б) состоят из металлической рамки и сменных металлических или деревянных вкладышей (иногда координатных) с прикрепленными к ним моделями. Конструкция плит предусматривает быструю смену и надежное крепление вкладышей.

Стержневые ящики для изготовления стержней должны обеспечивать равномерное уплотнение смеси и быстрое извлечение стержня. Как и модели, стержневые ящики имеют литейные уклоны, при назначении их размеров учитывают размер усадки сплава и, если требуется, также и припуска на механическую обработку. Стержневые ящики делают из тех же материалов, что и модели. По конструкции стержневые ящики могут быть неразъемными (вытряхными) и разъемными (рис. 191). Ящики для изготовления стержней из смесей горячего затвердевания имеют электрические или газовые нагреватели.

Опоки — прочные металлические рамы различной формы, предназначенные для изготовления литейных полуформ из формовочных смесей (рис. 192). Опоки изготовляют из серого чугуна, стали, алюминиевых сплавов. Они могут быть цельнолитыми, сварными или сборными из отдельных литых частей. Стенки опок часто делают с отверстиями для уменьшения их массы, удаления газов из формы при заливке и для лучшего сцепления формовочной земли с опокой. Для удержания уплотненной земли делают внутренние ребра. Соединяют опоки штырями и центрирующими отверстиями в приливах. Для скрепления опок применяют скобы или другие приспособления.

Для подвода расплавленного металла в полость литейной формы, ее заполнения и питания отливки при затвердевании используют литниковую систему.

2. Формовочные смеси

Для приготовления формовочных и стержневых смесей используют как природные, так и искусственные материалы.

В литейном производстве наиболее распространено получение литых деталей в разовых формах, изготовленных из песчано-глинистых и других смесей.

Разовая форма пригодна для получения только одной отливки. При выемке (выбивке) готовой детали форму разрушают. На рис. 193 приведена литейная форма для получения втулки. Форма состоит из двух полуформ, полученных набивкой (уплотнением) формовочной смеси в металлические рамки — опоки 5, 6. Для изготовления верхней и нижней полуформ используют разъемную модель 2. Отверстие в отливке получают с помощью стержня 4, отдельно изготовленного из стержневой смеси. При сборке формы стержень устанавливают в углубления (гнезда), образованные в форме знаками модели 3.

Металл заливают через литниковую систему. Воздух и выделяющиеся газы удаляются через выпор 8. Готовую отливку 9 извлекают из формы, отрезают литники, очищают поверхность от остатков формовочных материалов и направляют на механическую обработку.

3. Свойства формовочных смесей

Для получения отливок высокого качества формовочные и стержневые смеси, из которых делают разовые литейные формы, должны обладать определенными механическими, технологическими и физическими свойствами.

Основные механические свойства смесей: прочность, поверхностная прочность, пластичность, податливость.

Прочность — способность смеси обеспечивать сохранность формы (стержня) без разрушения при ее изготовлении и пользовании. Формы (стержни) не должны разрушаться от толчков при сборке и транспортировке, выдерживать давление заливаемого металла. Стандартными характеристиками являются: для сырых смесей - предел прочности при сжатии ơ_сж, для сухих форм (после сушки) — предел прочности при растяжении ơ_р. Для песчано-глинистых смесей ơ_сж = 30÷70 кПа, ơ_р = 80÷2QQ кПа.

Поверхностная прочность (осыпаемость) — сопротивление истирающему действию струи металла при его заливке. При недостаточной поверхностной прочности наблюдают осыпаемость, т. е. отделение частиц формовочной смеси, попадающих в отливку.

Пластичность — способность смеси воспринимать очертания модели (стержневого ящика) и сохранять полученную форму.

Податливость — способность смеси сокращаться в объеме под действием усадки сплава. При недостаточной податливости в отливке возникают напряжения, которые могут привести к образованию трещин.

Технологические свойства смесей характеризуют их текучестью, термохимической устойчивостью, негигроскопичностью, выбиваемостью и долговечностью.

Текучесть — способность смеси обтекать модели при формовке, заполнять полость стержневого ящика. Перемещение частиц формовочных смесей должно происходить при возможно минимальном усилии в процессе формовки и обеспечивать одинаковое уплотнение во всех частях формы (стержня) без рыхлых мест и пустот.

Термохимическая устойчивость или непригораемость — способность смеси выдерживать высокую температуру заливаемого сплава без оплавления или химического с ним взаимодействия. Пленки пригара ухудшают качество поверхности и затрудняют последующую обработку отливки. При оплавлении формовочной смеси резко снижается ее газопроницаемость.

Негигроскопичность — способность смеси после сушки не поглощать влагу из воздуха в течение длительного времени.

Выбиваемость — способность легко удаляться из форм и полостей отливок при их выбивке после охлаждения. Хорошую выбиваемость имеют смеси, в которых связующие вещества теряют прочность при нагреве после заливки сплава.

Долговечность — способность смесей сохранять свои свойства при многократном использовании.

Технологические свойства не могут быть выражены количественно, их оценивают по экспериментальным данным.

Газопроницаемость — способность пропускать газы через стенки формы вследствие пористости — одно из важнейших свойств формовочных, смесей. В расплавленном металле всегда содержатся растворенные газы, выделяющиеся при его охлаждении и затвердевании. Большое количество водяных паров и газов выделяется также из самих формовочных материалов при их нагревании. При недостаточной газопроницаемости в теле отливки могут образовываться газовые пузыри — раковины. Для оценки формовочных смесей пользуются коэффициентом газопроницаемости К, который определяют экспериментально. Для песчано-глинистых смесей К — 30÷120 единиц.

Теплофизические свойства — теплопроводность, удельная теплоемкость — существенно влияют на скорость кристаллизации металла и его последующего охлаждения и тем самым на структуру и свойства отливок.

Свойства песчано-глинистых смесей являются функцией многих параметров. Так, прочность и пластичность их увеличиваются с повышением содержания глины, зависят также от размеров и формы зерен песка, влажности и других факторов. Составы формовочных и стержневых смесей с требуемыми свойствами выбирают в зависимости от литейного сплава, массы и конфигурации отливок и других условий.

4. Песок и глина

Песок — основной исходный материал для всех формовочных и стержневых смесей. Наиболее часто применяют кварцевый песок, в основном состоящий из кремнезема SiOa, обладающего высокой огнеупорностью (t_пл = 1713 °С), прочностью, твердостью, термохимической устойчивостью. Невыгодная особенность кварца состоит в том, что при нагреве до 575°С в нем происходит аллотропическое превращение, связанное с изменением объема. Это приводит к растрескиванию зерен песка и обогащению формовочной смеси пылевидными частицами. Смесь для повторного использования необходимо обогащать добавками свежего песка.

В литейном производстве используют чистые пески с минимальным содержанием Fe₂O₃, Na₂O и других вредных примесей, снижающих огнеупорность. В природных кварцевых песках всегда содержится глина.

Мелкозернистые пески используют для мелкого литья, что обеспечивает получение гладкой поверхности отливок. Для крупных отливок применяют крупнозернистые пески, обеспечивающие более высокую газопроницаемость формовочных смесей.

Реже для формовочных смесей взамен кварцевого песка применяют цирконовый песок ZrO₂-SiO₂ с t_пл = 2000^oC, хромит (хромистый железняк) Fe₂O∙Сг₂O₃ с t_пл = 1850°С и некоторые другие материалы. Они превосходят кварцевый песок по термохимической устойчивости, теплопроводности, но они более дороги; их используют в особо ответственных случаях, например, для получения крупных стальных отливок с чистой поверхностью.

Глина — второй основной исходный материал в песчано-глинистых формовочных смесях. Она является связующим веществом, обеспечивающим их прочность и пластичность.

Глины представляют собой измельченные горные породы, имеющие после увлажнения высокую пластичность. В большинстве формовочных глин основным материалом является каолинит Al₂O₃∙2SiО₂∙ H₂О.

Вредными примесями считаются слюда, полевой шпат и другие минералы, снижающие связующую способность и термохимическую устойчивость.

В присутствии влаги на поверхности глинистых частиц образуются гидрат-ные оболочки из молекул воды, которые обеспечивают сцепление частиц и вместе с тем легкое скольжение между ними. Чем больше глина удерживает на поверхности воды, тем выше ее связующая способность, а также и пластичность формовочной смеси. При нагревании (сушке) по мере удаления влаги прочность смеси возрастает, В зависимости от связующей способности во влажном состоянии глины подразделяют на три сорта: прочносвязующие, среднесвязующие и малосвязующие. В высушенном состоянии глины подразделяются на такие же три класса.

В литейном производстве, кроме каолинитовых глин, применяют бентонитовые глины Аl₂O₃∙4SiO₂∙Н₂O+nН₂O, в которых молекулы воды удерживаются не только на поверхности, но и внутри глинистых частиц. Поэтому эти глины обладают в два-три раза более высокой связующей способностью, чем каолинитовые глины.

Связующее вводят в формовочные и стержневые смеси для связывания песчинок и придания прочности во влажном или сухом состоянии формовочным и стержневым смесям.

В основе классификации связующих заложены два процесса! 1) природа материала (органические и неорганические, водорастворимые и нерастворимые в воде); 2) характер затвердевания (необратимый, промежуточный и обратимый).

Обычно связующие вводят в формовочные и стержневые смеси в небольших количествах (1,5—3%).

5. Песчано-глннистые смеси

Песчано-глинистые смеси по характеру использования делят на облицовочные, наполнительные и единые.

Облицовочная смесь — более качественная, с высокой прочностью, газопроницаемостью и другими свойствами. Для ее получения берут большее количество свежих материалов (песка, глины). При формовке такую смесь наносят на модель, создавая в литейной форме поверхностный слой толщиной 40—-100 мм, подвергаемый наибольшему воздействию расплава при заливке. Остальной объем формы изготавливают из наполнительной смеси — менее качественной, в основном состоящей из оборотной смеси (смеси, бывшей в употреблении). Оборотные смеси используют для уменьшения расхода свежего песка и глины.

Единые формовочные смеси применяют в массовом производстве, при машинной формовке для заполнения всего объема формы. Эти смеси, как и облицовочные, непосредственно соприкасаются с расплавленным металлом и должны обладать высокими свойствами.

По состоянию литейной формы при ее сборке и перед заливкой металлом различают два вида формовки, по-сырому и по-сухому ив соответствии с этим — отливку в сырые и в сухие формы.

Сырые формы применяют для получения мелких и средних отливок, в особенности в серийном и массовом производствах.

Эти формы изготовляют из формовочных смесей, содержащих до 10—12 % глины с хорошей связующей способностью во влажном состоянии; влажность смеси 4—5 %. Преимуществами формовки по-сырому являются: хорошая пластичность и податливость смеси, легкая выбиваемость, меньшая стоимость изготовления форм. Главные недостатки — повышенная влажность и невысокая прочность стенок формы, а также большой расход формовочных смесей, который зависит от массы, размеров, сложности отливок, вида литейного сплава и т. д.

Сухие формы применяют для крупных и толстостенных отливок, для получения отливок повышенного качества. Сухими считают формы, подвергаемые тепловой сушке. Их изготовляют из формовочных смесей, содержащих до 15 % глины. После сушки такие формы имеют высокую прочность. При формовке влажность смеси составляет 6—8 %.

Добавки для улучшения свойств формовочных смесей. Простые песчано-глинистые смеси обладают рядом недостатков. Связующее вещество — глина — оказывает на некоторые свойства смеси прямо противоположное влияние. Для обеспечения прочности и пластичности в смесях должно быть повышенное содержание глины, но это приводит к уменьшению газопроницаемости и непригораемости, в сухих формах ухудшаются податливость и выбиваемость. Поэтому для улучшения свойств песчано-глинистых смесей в их состав вводят добавки,

В сырые формовочные смеси для чугунного литья с целью уменьшения пригара добавляют каменноугольную пыль. При заливке чугуна частицы угля газифицируются и затем сгорают. Образующиеся восстановительные газы препятствуют окислению сплава, уменьшают опасность пригара. В смесях для стального литья в качестве противопригарной добавки используют пылевидный кварц (маршалит). Для повышения податливости и газопроницаемости сухих форм для чугунных отливок в смеси добавляют древесные опилки; при их сгорании образуются капиллярные каналы и поры. В сухие формовочные смеси для стального литья часто вводят как связующее сульфитно-спиртовую барду и другие вещества — коллоидные растворы органических веществ. Такие добавки повышают не только прочность; в результате их выгорания увеличиваются также газопроницаемость и податливость смесей. Влияние других добавок, например, жидкого стекла, цемента, изложено при рассмотрении специальных формовочных смесей.

Состав формовочных смесей выбирают в зависимости от литейного сплава с учетом его температуры плавления, усадки и других свойств, а также массы, размеров и конфигурации отливки.

Сушку форм осуществляют в камерных печах (сушилах) при температуре 300-—350°С; ее продолжительность (ориентировочно 1 ч на 25 мм толщины сечения стенок) нередко составляет 4—6 ч, для крупных форм до 24 ч и более.

Прогрессивным способом является сушка горячим воздухом, подаваемым в полость формы. Иногда применяют поверхностную сушку на глубину 10—40 мм переносными сушилами или установками с инфракрасными лучами.

6. Стержневые смеси

При заливке формы стержни в большинстве случаев находятся в тяжелых условиях, испытывая значительное термическое и механическое воздействие расплавленного литейного сплава. Поэтому к стержневым смесям предъявляют более высокие требования по прочности и другим свойствам, чем к формовочным. В зависимости от конфигурации, толщины сечения, размещения в форме стержни делят на пять классов.

В соответствии с требованиями разработана многочисленная рецептура стержневых смесей. Для стержней I класса наполнителем является свежий песок с минимальным содержанием глинистых веществ. В качестве связующих используют, например, раствор растительных масел и канифоли в уайт-спирите с добавками сульфитно-спиртовой барды или другие аналогичные связующие вещества. Для стержней менее ответственного назначения применяют смесь песка и глины (3—5 %) с добавками сульфитно-спиртовой барды, древесного пека и т. п. Стержни IV, V классов можно изготавливать из смесей, содержащих, кроме свежего песка, 20—60 % оборотной смеси, до 10 % глины и добавки древесного пека.

Требуемая прочность и другие свойства стержневых смесей обеспечиваются сушкой стержней в конвейерных печах (сушилах), инфракрасными лучами и т. д. В соответствии с природой связующего температура сушки составляет 160—250 °С (иногда до 300—350 °С). Продолжительность сушки зависит от размеров сечения и других условий и колеблется в широких пределах от 40— 60 мин до нескольких часов. Сушка стержней имеет те же технико-экономические недостатки, что и сушка форм. Поэтому для их изготовления очень широко применяют самотвердеющие специальные смеси.

7. Специальные формовочные смеси

Использование специальных формовочных смесей для изготовления форм и стержней позволяет наиболее эффективно применять современные средства механизации и автоматизации, исключить ручной труд, существенно повысить производительность труда и улучшить качество отливок.

Как правило, в специальных формовочных смесях основным компонентом является кварцевый песок с минимальным содержанием глинистых веществ. В качестве связующих используют синтетические смолы, жидкое стекло; в смеси вводят катализаторы.

Наиболее часто применяют карбамидные, карбамиднофенольные, карбамиднофураковые, фенольные и фенолофурановые смеси, а также жидкое стекло, цемент, сульфитио-сннртовую барду, сульфитно-дрожжевую бражку и другие вещества. Катализаторы и другие добавки выбирают для каждой формовочной смеси в соответствии с требуемыми свойствами. В современном литейном производстве применяют более 40 видов синтетических смол и других связующих веществ с соответствующими различными катализаторами. Для изготовления форм и стержней используют много смесей с различными свойствами, например, сыпучие, пластичные, жидкие самотвердеющие на воздухе смеси; существует несколько десятков технологических вариантов изготовления форм н стержней. Для наиболее эффективного использования нужно иметь не одну смесь на базе универсального связующего, а несколько различных смесей, применяя их с учетом типа производства, вида сплава, конфигурации, массы отливок.

Одним из основных требований к специальным формовочным смесям является отсутствие или минимальное количество токсичных выделений из смол (связующих, катализаторов) в условиях производства.

По условиям отверждения специальные смеси можно условно разделить на отверждаемые при продувке СО₂ и другими способами обработки; горячего отверждения; самоотверждающиеся на воздухе — холоднотвердеющие (ХТС) и жидкие (ЖСС).

Смеси, отверждаемые при продувке углекислым газом. В литейном производстве используют быстротвердеющие жидкосте-кольные формовочные смеси, обычно содержащие 95—97 % песка, 3—5 % глины, 3—7 % жидкого стекла (сверх 100 %); влажность смеси 3,5—4,5 %. Добавки жидкого стекла значительно сокращают продолжительность затвердевания, что позволило отказаться от длительной сушки форм и стержней, заменив ее быстро-протекающими процессами химического отверждения.

Основная характеристика жидкого стекла — его модуль М = 1,032 (% SiO₂/%Na₂O), где 1,032 отношение молекулярных масс SiO₂ и Na₂O.

Затвердевания смеси можно достигнуть выдержкой на воздухе при цеховой температуре; сушкой горячим воздухом или продувкой углекислым газом (СO₂-процесс).

При продувке углекислым газом формовочная смесь затвердевает по реакции Na₂O - 2SiO₂ + СO₂ — Na₂СO₃ + 2SiO₂, в результате которой образуется быстрозатвердевающий гель SiO₂, который при удалении избытка воды затвердевает, «цементируя» частицы песка и обеспечивая прочность формовочной смеси. Так, смесь, содержащая 3—5 % жидкого стекла с М = 2,4÷2,6, имеет в сыром состоянии ơ_сж — 15÷ЗО кПа, затвердевает за 15—30 с, приобретая ơ_в = 300÷500 кПа. В производственных условиях продолжительность затвердевания зависит от размеров сечения форм и стержней и может составлять 5—15 мин и более.

Достоинствами СO₂-процесса являются длительная живучесть смесей, их быстрое отверждение, отсутствие токсичных выделений; его недостатками являются большая гигроскопичность и плохая выбиваемость смесей.

Применяя специальные добавки, при сниженном количестве жидкого стекла смесь переводят в сыпучее состояние, почти не требующее уплотнения при изготовлении форм и стержней.Технологическая схема, заключающаяся в приготовлении смеси на установке непрерывного действия, уплотнении путем вибрации (10—15 с) и продувке СO₂ (20—30 с), обеспечивает получение высококачественных форм с отличной выбиваемостью.

В настоящее время СO₂-процесс на заводах все чаще заменяется ПСС-процессом.

Пластичные самотвердеющие смеси (ПСС). Эти смеси на основе жидкого стекла разработаны на заводе «Станколит». Приготовляют их по двухстадийной технологии. В центральном смесеприготовительном отделении приготовляют базовую смесь, состоящую из 92 % песка, 5 % глины, 3 % молотого угля, 5,5 % жидкого стекла; влажность смеси 3,5 %. Смесь имеет высокую пластичность; во влажном состоянии ơ_сж = 14,7 кПа. На участок формовки смесь поступает в бункере, из которого она подается в лопастной смеситель в количестве, необходимом для изготовления формы. Одновременно в смеситель вводят 2—5 % феррохромового шлака, служащего отвердителем. После перемешивания в течение 45— 60 с готовая смесь подается в опоку, распределяется на поверхности модели как облицовочная. Затем в опоку подается наполнительная смесь, и форма уплотняется встряхиванием. Жидкое стекло и феррохромовый шлак взаимодействуют во всем объеме смеси, в результате чего она затвердевает. После изготовления формы из такой смеси из нее можно сразу удалять модель, через 30 мин форму можно окрашивать, а через 4—6 ч заливать металлом. Это важно при изготовлении форм на машинах в условиях серийного производства.

Смеси горячего отверждения для стержней принципиально не отличаются от используемых смесей для сухих стержней и форм, также упрочняемых при нагреве, продолжительность которого иногда составляет несколько часов. Рассматриваемые стержневые смеси отверждаются за 1—2 мин (в перспективе меньше 30 с) при нагреве смеси до 250—280 °С в горячих стержневых ящиках с электрическими или газовыми нагревателями. Такой способ дает возможность эффективно использовать высокопроизводительные пескострельные и другие машины, автоматизировать процесс, исключив из него сушку стержней в печах. Поэтому эти смеси нашли широкое применение в цехах массового производства. Наполнителем в смесях является кварцевый песок. В качестве связующих обычно используют карбомиднофурановые и другие смолы с добавками соответствующих катализаторов, обеспечивающих быстрое отверждение стержня при невысоком нагреве.

Например, смесь, содержащая песок (100 %), карбомиднофурановую смолу (3—4 %) и добавки катализаторов, отверждается при 250—270 °С в течение 1—2 мин (ơ_р = 1,54-2,5 МПа). Некоторые смеси горячего отверждения имеют повышенную текучесть, что облегчает уплотнение при изготовлении стержня,

Общим недостатком всех этих смесей является необходимость в дорогостоящей металлической оснастке — стержневых ящиках с нагревателями. При охлаждении извлеченных из ящиков горячих стержней может происходить их коробление. Широко применяемые карбамиднофурановые смолы содержат дорогой фуриловый спирт. Более перспективным в настоящее время считают изготовление стержней из самотвердеющих смесей.

Жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) для изготовления форм и стержней разработаны в нашей стране и нашли очень широкое применение в литейном производстве. В отличие от других формовочных смесей формы и стержни из ЖСС изготавливают не методами уплотнения, а путем заливки. Смесь затвердевает через 30—40 мин.

Жидкие самотвердеющие смеси имеют различный состав. Основным наполнителем в смесях является кварцевый песок (95— 97 %). В качестве связующих и веществ, обеспечивающих затвердевание смеси на воздухе, обычно используют жидкое стекло, феррохромовый шлак, иногда цемент с добавками соответствующих катализаторов. Для перевода смеси в жидкоподвижное состояние применяют пенообразователи) контакт Петрова с мылонафтом, ДОРАС (детергент советский рафинированный акрилсульфонат), КЧНР (контакт черный нейтрализованный рафинированный) и другие вещества, обеспечивающие образование и устойчивость пены в течение 5—15 мин.

Технология изготовления ЖСС в процессе интенсивного перемешивания обычной жидкостекольной смеси, или смеси на некоторых других органических связующих, добавляют специальные пенообразователи, образуется пена. Пузырьки пены разделяют) зерна песка, облегчают скольжение зерен, уменьшают силы трения, что и придает смеси свойство текучести, так что ЖСС на самом деле не жидкие, а псевдоожиженные. Состав ЖСС различен.

Так, облицовочная ЖСС состоит из песка (95,5 %), феррохромового шлака (3,5 %), угля молотого (1,0 %), сверх 100 % добавляют жидкое стекло (~6,0 %), пенообразователь ДС-РАС (0,1— 0,2 %), воду (около 2,0 %). Плотность смеси составляет 1,3 г/см8. Прочность смеси ơ_сж — 200÷400 кПа через 1 ч, 400—700 кПа через 24 ч.

Смесь начинает отверждаться сразу же после введения феррохромового шлака; при приготовлении смеси его загружают в смеситель в последнюю очередь. Смесь должна быть залита в формы (стержневые ящики) в течение 1,5—2 мин после приготовления. Извлекают модели (стержни из ящика) через 40 мин.

Цементные жидкоподвижные смеси содержат кварцевый песок — 92%; цемент — 8%; воду — 10%; катализатор — 2 % (3,4—сверх 100 %). Время затвердевания смеси до извлечения модели 40—50 мин. Через 3 ч форму окрашивают противопригарной краской, через 4—6 ч заливают сталь.

Применение ЖСС исключает формовку, применение формовочных машин значительно упрощает технологию изготовления форм и стержней, снижает трудоемкость, повышает качество отливок и производит