Теоретические основы литейного производства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

621.74(07) 3-724

Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Учебное пособие








Челябинск
2017

Министерство образования и науки Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра пирометаллургических и литейных технологий





  621.74(07) 3-724







Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина




ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ


ЛИТЕИНОГО ПРОИЗВОДСТВА


Учебное пособие

















Челябинск Издательский центр ЮУрГУ 2017

  УДК 621.74(075.8) + 621.74.01(075.8) 3-724




Одобрено учебно-методической комиссией физико-металлургического факультета


Рецензенты: К.Н. Вдовин, Р.К. Мысик






            Знаменский, Л.Г.


  3-724 Теоретические основы литейного производства: учебное пособие / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2017. - 86 с.

             Пособие содержит общие теоретические сведения, типовые задачи для расчетов параметров литейных процессов при формировании отливки, соответствующие варианты заданий и примеры их выполнения, а также лабораторный практикум. Пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения и может использоваться при подготовке бакалавров по направлению «Металлургия» (22.03.02).


                                     УДК 621.74(075.8) + 621.74.01(075.8)








                                    © Издательский центр ЮУрГУ, 2017

                ВВЕДЕНИЕ





    Учебное пособие содержит 3 раздела, включающих общие теоретические положения, варианты контрольных заданий и примеры расчетов свойств литейных форм и расплавов, гидравлических процессов при заполнении форм металлом. В пособии также приведены методики определения свойств литейных форм, как пористых сред. Каждый из разделов содержит лабораторный практикум.
    Проведение расчетов позволит студентам более глубоко усвоить сущность сложных физико-химических процессов, протекающих при формировании отливок, выявить общие закономерности внешне различных явлений. Представленные в пособии теоретические сведения, методики расчетов, в том числе имеющих и программное обеспечение на ЭВМ, а также справочные материалы, приведенные в соответствующих приложениях, могут быть использованы при определении оптимальных технологических параметров изготовления отливок.
    Пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения при подготовке бакалавров по направлению «Металлургия» (22.03.02).
    Предусматривается в ходе проведения занятий, руководствуясь учебным пособием, задействовать современное оборудование, приобретенное в рамках реализации национального проекта «Образование» и программы развития Южно-Уральского государственного университета, как национального исследовательского университета. Это позволит студентам творчески интегрировать основные положения теории литейных процессов, их компьютерного моделирования с практикой технологических расчетов и изготовления высококачественных литейных форм, стержней и отливок.

3

                1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ




1.1. Общие сведения


            1.1.1. Состав и структура форм


   Литейная форма представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость определенной конфигурации, при заливке которой расплавленным металлом формируется такой же конфигурации отливка [1,2].
   Конструкция разовой песчано-глинистой формы для стальной отливки «колесо» представлена на рис. 1.1.


Рис. 1.1. Литейная форма: 1 - опока нижняя; 2 - питатель; 3 - зумпф; 4 - шлакоуловитель; 5 - стояк; 6 - воронка; 7 -прибыли; 8 - стержень; 9 - опока верхняя; 10 - полость, оформляющая отливку;
11 - формовочная смесь; 12 - болваны нижние

   По своей природе материалы для изготовления форм можно разделить на сплошные, твердые и дисперсные [3].
   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 [4, 5].


4

    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. Такие системы называют формовочными материалами. Различают исходные формовочные материалы и приготавливаемые из них формовочные смеси, подразделяемые на собственно формовочные смеси и стержневые смеси [1].
    В составе формовочных смесей выделяют наполнитель - огнеупорную зерновую основу; связующие материалы, обволакивающие поверхность зерен и обеспечивающие превращение дисперсной смеси в монолит, и специальные добавки, обеспечивающие требуемый уровень технологических свойств смеси.
    Формовочную и стержневую смеси, использованные в технологическом процессе получения отливок и освобождающиеся после ее охлаждения, называют отработанной смесью. Основной частью смеси, обычно более 80 %, а иногда и более 90 % ее массы, является наполнитель - твердый компонент, придающий смеси необходимую прочность при сжатии. Наиболее часто в качестве наполнителя применяется кварцевый песок, названный так по главному породообразующему минералу - кварцу (SiO₂), имеющему плотность 2,65-10³ кг/м³, температуру плавления 1713 °C, твердость по шкале Мооса 5,5...7,0 ед. Наполнителями могут быть и другие материалы, естественные или синтетические, например, оливин (MgFe)₂SiO₄, шамот (nAl₂O₃-mSiO₂), муллит (3Al₂O₃-2SiO₂), циркон (ZrO₂-SiO₂), магнезит (MgO), электрокорунд (А1₂О₃). Форма и размер зернового состава ока-- зывают важное влияние на технологические свойства формовочной смеси [2].
    Второй главной составляющей формовочных смесей является связующее. Оно придает смеси способность принимать форму, соответствующую модели, и уплотняться при формовке. В жидком состоянии связующее покрывает поверхность зерен наполнителя пленкой, которая далее при уплотнении создает вокруг точек контакта между зернами манжеты, и, наконец, переходит в твердое состояние, превратив сыпучую или жидкоподвижную смесь в монолитную среду [5].
    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, не растворимые и не смачиваемые водой (гидрофобные или неводные), к классу «Б» - органи

5

ческие гидрофильные (водные) связующие, к классу «В» - неорганические водные.
   Водные связующие проявляют свои свойства после растворения их в воде. Неводные связующие с водой не взаимодействуют и используются в виде растворов в органических растворителях - спиртах, ацетоне, бензине и др.
   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 более 50 % глинистой составляющей (частиц размером зерен менее 22 мкм). К качественным характеристикам формовочных глин относятся состав и строение породообразующего минерала (химико-минералогическая характеристика), дисперсность (физическая характеристика) и ионообменный состав (химическая характеристика). Отличительной особенностью глин является способность набухать в воде, причем, 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 Al₂O₃-2SiO₂-2H₂O с температурой плавления 1750... 1787 °C. Кристаллическая решетка каолинита имеет пакетное строение, каждый пакет состоит из двух слоев, связанных сильной ионной связью. Каолинит обладает малой способностью к набуханию, так как адсорбция воды осуществляется только на внешних поверхностях пакетов.
   Основным породообразующим минералом бентонитовых глин является монтмориллонит Al₂O₃-4SiO₂nH₂O. По своей кристаллической структуре он относится к высоко дисперсным минералам с изменяющейся 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, т.е. выше термохимическая устойчивость и меньше склонность отливок к образованию пригара, чем меньше в них содержится примесей - оксидов щелочных, щелочноземельных металлов, оксидов железа и сульфида серы.
   Ионообменный состав формовочных глин характеризуется емкостью обменных катионов, их качественным и количественным составом. Чем выше емкость обменных катионов, тем легче материал поддается химической активации под действием введенных в смесь химических добавок. Активация сопровождается повышением прочности формовочных смесей [6, 7].

6

   Жидкое стекло как связующее применяют в жидкостекольных смесях. Оно представляет собой водный раствор силикатов натрия Na2O-nSiO2-mH₂O или калия K₂O-nSiO2-mH₂O. Особенностью жидкого стекла является склонность быстро затвердевать при продувке углекислым газом, введении специальных отвердителей (шлака феррохромового производства - 2CaO-SiO₂) или тепловой обработке. Основной характеристикой жидкого стекла является силикатный модуль

M = K-[SiO₂]/[Na₂O],

(1.1)

где [SiO₂] и [Na₂O] - содержание диоксида кремния и оксида натрия в жидком стекле, %; К - коэффициент, показывающий отношение молекулярной массы оксида натрия к молекулярной массе диоксида кремния,

R^Mr(Na₂O)

Mr(SiO₂)

= 1,032.

(1-2)

   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 выживаемость 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 (класс «А») относятся: затвердевающие необратимо - растворы растительных масел, а также маслянистых продуктов нефтепереработки в органических растворителях; затвердевающие обратимо - канифоли, битумы, пеки.
   К органическим водным (класс «Б») затвердевающим необратимо относятся синтетические смолы: фенолальдегидные, аминоальдегидные (моче-виноформальдегидные, фурановые).
   Затвердевание смол может осуществляться за счет действия тепла, за счет одновременного действия тепла и катализатора, за счет катализатора (холодное затвердевание).
   К связующим класса «Б», затвердевающим обратимо, относятся коллоидные растворы органических веществ и эмульсий в водной среде (лигносульфонаты, декстрин, патока).
   Приготовление формовочной смеси заключается в подготовке и перемешивании всех ее компонентов. При этом смесь может готовиться как полностью из свежих компонентов, так и частично из бывшей в употреблении смеси, которая предварительно подвергается регенерации. Регенерация (восстановление) отработанной смеси заключается в отделении пленок связующего от зерновой основы. Существует механический, гидравлический и термический способы регенерации.

7

   Для приготовления формовочных и стержневых смесей применяют литейные смесители каткового, лопастного и шнекового типов.
   Песчано-глинистые формы изготавливают, уплотняя смесь вокруг модели. В зависимости от размера форм и стержней, состава смесей, требований к качеству отливок и ряда других факторов, используют различные способы уплотнения формовочных смесей: прессование, встряхивание, воздушно-импульсное уплотнение, пескодувное, пескострельное, уплотнение пескометом и др. Существуют также жидкоподвижные самотвердею-щие смеси, которые не требуют специального уплотнения.
   Сырые формы могут быть залиты жидким металлом сразу после изготовления, сухие формы и стержни получают при тепловой обработке (сушке), в результате которой они повышают прочность, и только после этого подают на заливку. Химически отверждаемые формы и стержни приобретают комплекс требуемых служебных свойств после протекания в них химических реакций отверждения.
   В литейном производстве преимущественно применяются сырые песчано-глинистые смеси, структура которых показана на рис. 1.2.



Рис. 1.2. Схема структуры формовочной смеси: 1 - зерна кварцевого песка; 2 - вода, связанная кварцем; 3 - частицы глины; 4 - вода, связанная глиной; 5 - свободная вода; 6 - воздух

   Отдельные кварцевые зерна (со связанной водой) покрыты оболочками из глинистых частиц, которые также связывают определенное количество воды. В зазорах между зернами капиллярными силами удерживается свободная вода, а в свободном пространстве находится воздух. Свободное пространство между зернами зависит от величины отдельных зерен и тесноты их контакта при данной степени уплотнения смеси.
   Для теоретического изучения свободных пространств между зернами песка рассматривают так называемую идеальную песчаную форму. Это форма, состоящая из идеальных шарообразных зерен радиусом R одинако

8