Применение формовочных глин

5. Связующие материалы
для формовочных и стержневых смесей

Во многих случаях, особенно при изготовлении стержневых смесей, формовочная глина не обеспечивает получение надлежащей прочности стержней, поэтому в смеси вводят связующие добавки, обладающие более высоким значением удельной прочности. Такие добавки называют связующими материалами или крепителями. Существует большое количество связующих материалов, которые в большинстве случаев являются побочными продуктами или отходами при различных видах производства.

5.1. Основные требования, предъявляемые
к связующим материалам

Специальные связующие материалы (добавки) вводят в формовочные и стержневые смеси в количествах, обеспечивающих необходимые качества форм и стержней. К любому связующему материалу в зависимости от условий его применения предъявляются соответствующие требования. Связующие вещества должны обладать следующими свойствами:

- равномерно распределяться по поверхности формовочных материалов в течение определенного времени, что обеспечивает постоянство свойств смеси;

- предотвращать прилипаемость смеси к модели или стержневому ящику, так как прилипаемость затрудняет изготовление форм и стержней и снижает производительность труда;

- придавать смеси текучесть, необходимую для выполнения всех контуров детали, что особенно важно, если эти контуры имеют сложную конфигурацию;

- обеспечивать достаточную поверхностную и общую прочность как в сыром, так и в сухом состоянии;

- обеспечивать быстрое высыхание форм и стержня при сушке и не обладать гигроскопичностью при хранении и сборке форм;

- не выделять много газов при сушке и заливке, так как излишняя газотворная способность смеси способствует образованию газовых раковин в отливках;

- обеспечивать податливость формы или стержня, которая необходима ввиду усадки металла при остывании;

- не снижать огнеупорность формовочных и стержневых смесей и не увеличивать их пригораемость, что особенно важно при отливке стальных деталей;

- обеспечивать легкое удаление стержней из отливок;

- связующий материал должен быть дешев, недефицитен и безвреден для окружающих.

5.2. Физико-химические свойства
связующих материалов

Связующие материалы предназначены для соединения песчинок смеси между собой. На песчинки связующие наносятся в жидком виде и затем затвердевают при сушке, соединяя песчинки. В литейном производстве в качестве связующего применяют вещества жидкие при комнатной температуре, переходящие в жидкое состояние при растворении их в соответствующих растворителях (таких, как вода, ацетон и т. д.), расплавляющиеся и приобретающие свойства жидкости при нагреве (бакелит, формальдегид и т. д.). Таким образом, процесс связывания частиц формовочной смеси можно рассматривать как скрепление твердых тел жидким веществом при определенных условиях.

Прочность связывания зависит от сил когезии и сил адгезии.

Адгезия (прилипание) – слипание разнородных твердых или жидких тел (фаз) в результате межмолекулярного взаимодействия при соприкосновении их поверхностями. Адгезию широко используют в технике для склеивания, сварки, и пайки. В некоторых случаях адгезия вредна (например, прилипание стержня или формы к оснастке). Для устранения адгезии применяют разделительные покрытия.

Адгезия измеряется работой, затрачиваемой на разъединение частиц разнородных фаз на границе раздела.

Когезия (от латинского “связанный”) – сцепление, притяжение между частицами одного и того же твердого тела или жидкости, приводящее к объединению этих частиц в единое тело. Причиной когезии является межмолекулярное взаимодействие. Работа, затрачиваемая на преодоление сил сцепления между частицами внутри фазы, называется работой когезии.

Работа адгезии А_адг. определяется из соотношения (рис. 5.1)

А _адг. = s₁₂ + s₁₃ – s₂₃, (5.1)

где s₁₂ и s₁₃ – поверхностное натяжение на границе “фаза–газ”; s₂₃ – поверхностное натяжение между фазами (твердой и жидкой).

Приведенным уравнением удобно пользоваться в случае, если конденсированные фазы являются жидкостями. Если одна из конденсированных фаз является твердым телом, то формула (5.1) теряет практическое применение, так как поверхностное натяжение твердых тел в настоящее время не может быть непосредственно измерено.

Рис. 5.1. Схема адгезии двух разнородных тел (а)
и когезии двух однородных тел (б):

1 – газ; 2 – жидкость; 3 – твердое тело;
s _ij – поверхностное натяжение на границе двух фаз

Однако если конденсированная фаза является жидкостью, то формулу можно изменить и привести к виду, удобному для практического применения.

Поместим каплю жидкости на твердую подложку. Капля примет определенную форму, которая будет отличаться от шарообразной (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Зависимость формы капли жидкости от угла смачивания q:

а – q = 90°; б – q < 90°; в – q > 90°

Условие равновесия спокойно лежащей капли при отсутствии внешних полей

s ₁₃ – s ₂₃ = s₁₂ cos q.

После подстановки этого условия в формулу (5.1) получаем

А _адг = s₁₂ (1 + cos q), (5.2)

где q – краевой угол смачивания твердого тела жидкостью. Величина cos q называется смачиваемостью и находится экспериментально. Знак cos q определяется знаком разности s₁₃ – s₂₃. Если разность
положительна, то0° £ q £ 90° и 1 > cos q > 0. Это соответствует
ус­ловию смачивания поверхности твердого тела жидкостью.
Если раз­ность отрицательна, то смачиваемости не наблюдается и
90° £ q £ 180°.

Величина адгезии зависит от строения молекул. Высокая адгезионная способность двух фаз будет тогда, когда в состав молекул входят родственные группы – полярные и неполярные. Высокую адгезию к воде имеют группы углеводородов СООН и ОН и низкую –группы с цепочкой СН₂. По этой причине не рекомендуется приме­нять одновременно растворимые и не растворимые в воде связующие. Вода, обладающая большой адгезионной способностью к кварцу, вытесняет масла с поверхности песчинки, и они располагаются на поверхности воды в виде тонкой пленки или в виде мелких капель. Это понижает прочность смеси.

При затвердевании жидкой пленки происходит сокращение объема под действием развивающихся в пленках усадочных напряжений. Свободно высыхающие верхние слои, уменьшаясь, тянут за собой нижние слои, связанные с подкладкой. При этом пленка может разрываться в виде мелких трещин. Усадка нарушает связи пленки с подкладкой. Если пленка хрупкая, а связь между пленкой и подкладкой превышает прочность хрупкой пленки, то последняя растрескивается и затем осыпается. Хрупкие пленки образуют органические высыхающие связующие, а смеси на их основе имеют низкую поверхностную прочность и высокую осыпаемость.

При высыхании пленки молекулы органических веществ располагаются длинными цепями параллельно подкладке. Наиболее прочные пленки образуются, если в них возникают пространственные трехмерные сетки.

Связующие, которые вызывают образование прочной пленки, делятся на три группы:

1) затвердевающие после расплавления (канифоль, битум и т. д.);

2) твердеющие при испарении растворителя, например, глина, патока;

3) твердеющие в результате полимеризации полимера (льняное масло, олифа, смолы).

Связующие третьей группы обеспечивают наибольшую прочность. Они дают эластичную и прочную пленку, которая не трескается, не окисляется и не отслаивается от песчинок. К этой группе относятся все масла и смолы. Они являются жидкостями, и поэтому стержневые смеси на их основе обладают низкой прочностью во влажном состоянии.

Связующие второй группы дают прочность ниже, но отличаются повышенной вязкостью: в качестве растворителя главным образом используется вода. В сочетании с глиной они обеспечивают получение стержневых смесей заданной прочности во влажном состоянии.

Связующие первой группы (канифоль, битум) самостоятельно не используются, а входят в состав сложных связующих.

5.3. Классификация связующих материалов

Классификация связующих материалов (табл. 5.1) разработана профессором А. М. Ляссом (ЦНИИТМАШ).

Таблица 5.1