Формовочный песок в металлургическом литье: виды, состав и ключевые характеристики

Определение формовочного песка

Главное сырьё в формовке — формовочный песок, дающий уникальные свойства, недоступные другим материалам. Формовочный песок — гранулированные частицы от разрушения горных пород естественными силами (мороз, ветер, дождь, тепло, водные течения). Сложный состав пород определяет разнообразие песка по регионам. В природе находится на дне и берегах рек и озер. Классификация по происхождению.

Основные компоненты формовочных песков:

• Кремнезем (SiO₂) — 86–90%
• Алюмосиликат (Al₂O₃) — 4–8%
• Оксид железа (Fe₂O₃) — 2–5% + малые количества оксидов Ti, Mn, Ca и щелочных соединений

Естественный песок (зелёный песок)

Добывается из природных месторождений. Вода — единственный связующий. Преимущества: долго держит влагу, широкий рабочий диапазон влажности, легко залатывать и доводить форму.

Синтетический песок

Искусственная смесь: относительно безглинистый песок, связующее (вода + бентонит) и добавки. Лучше, так как свойства легко регулируют составом.

Состав зелёного синтетического песка для стальных отливок: новый кварцевый песок 25%, старый песок 70%, бентонит 1,5%, декстрин 0,25%, влага 3–3,5%.

Состав сухого синтетического песка для стальных отливок: нетто кварцевый песок 15%, старый песок 84%, бентонит 0,5%, влага 0,5%.

Существуют специальные пески (цирконит, оливин и др.) — дороже кварца, применяют только при обоснованности.

Виды формовочного песка по назначению

1. Зелёный песок (Green Sand) — естественное влажное состояние. Смесь кварцевого песка, 18–30% глины, 6–8% воды. Глина и вода дают связующую силу. Мелкий, мягкий, лёгкий, пористый. При утрамбовке форма уплотняется, пористость восстанавливают газоотводами. Острые края избегают — они ломаются от горячего металла. Для малых/средних форм. Экономия на сушке. Угольная пыль предотвращает дефекты.
2. Сухой песок (Dry Sand) — для крупных отливок. Зелёный песок сушат/обжигают, удаляя почти всю влагу. Структура становится прочнее и компактнее. Газоотводы нужны, но меньше. Для крупных тяжёлых форм добавляют навоз/перегной в крупнозернистый песок.
3. Сухаристый песок / Лепёшка (Loam Sand) — глина и песок, размолотые с водой в пластичную пасту, из которой набивают форму на подкладке из мягкого кирпича. До 50% глины, твердеет сильно. Содержит огнеупорную глину. Должен хорошо держаться на вертикалях. Солома и навоз помогают связыванию. Влажность 18–20%. Медленная и полная сушка. Для крупных регулярных форм (химические ванны, бочки).
4. Лицевой песок (Facing Sand) — непосредственно у поверхности модели, контактирует с расплавом. Высокая прочность и огнеупорность. Кварцевый песок + глина без отработанного песка. Углеродные наполнители (графит, свинцовка) предотвращают прожог. Слой 20–30 мм, 10–15% от всего песка.
5. Заполнитель / чёрный песок (Backing Sand) — отработанный песок, чёрный от угольной пыли и контакта с металлом. Заполняет фляг за лицевым слоем. Слабая связующая сила — зёрна заокруглились, глина сгорела.
6. Системный песок (System Sand) — для машинной формовки заполняет весь фляг. Прочность, проницаемость, огнеупорность выше, чем у заполнителя.
7. Разделительный песок (Parting Sand) — тонкий сухой безглинистый кварцевый песок для разделения половинок фляга и не прилипания зелёного песка к модели. Можно использовать обжжёный сердечный песок.
8. Сердечный песок (Core Sand) — для стержней. Кварцевый песок + сердечное масло (льняное, колиофония, минеральное и др.). Для экономии на крупных стержнях — печь/мука + вода.
9. CO₂-песок — кварцевые зёрна покрыты жидким стеклом (натрий силикат). Упаковывают вокруг модели, пробирают CO₂ ~минуту — застывает, даёт прочную форму.
10. Шелл-песок (Shell Sands) — синтетические пески, покрытые фенол- или мочевино-формальдегидными смолами, отверждаются на нагретой модели → тонкая прочная оболочка. Обратный песок не нужен. При застывании сплавов смолы не диссоциируют, но форма рассыпается при охлаждении от разрыва химических связей.
11. Лицевая штукатурка (Mould Washes) — суспензии тонких керамических зёрен. Наносят на поверхность формы для минимизации сплава лицевого песка и получения чистой поверхности отливки (заполнение пор).

Главные составляющие формовочного песка

Кремнезем, глина (связующее) и влага — три главные составляющие.

Кремнезем

В виде гранулированного кварца — основа песка. 80–90% SiO₂. Высокая температура размягчения, термическая стабильность. Даёт огнеупорность, химическую стойкость, проницаемость. Классифицируют по размеру (мелкий/средний/крупный) и форме (круглые, полуугловые, угловатые, сросшиеся). Мелкий — для мелких сложных отливок, но низкая проницаемость. Средний — настольная работа, лёгкие напольные. Крупный — для крупных отливок, уход газов. Размер по ситам. Круглые зёрна — макс. контакт, мин. прочность, макс. проницаемость. Полуугловые — менее проницаемы. Угловые — больше прочность, меньше проницаемость. Сросшиеся — твёрдые комки, нежелательны. Кремнезем из кварцевых пород или разложения гранита (кварц + длиннокаменный шпат). Шпат разлагается в глину — даёт пластичность во влажном состоянии, связующую силу и прочность после сушки. Глины в кварцевом песке обычно 6–10%.

Глина = мелкий ил (нет связующей силы) + мелкая глина (даёт связующую силу). Избыток глины даёт трещины при сушке.

Оксиды железа, магнезии, соды, калия, извести, вода — примеси. Хороший песок — примеси < 2%. Зелёная формовка — низкая влага (3–5%). Сухая формовка — больше воды при заготовке, полезна для сухой прочности после хранения.

Часто добавляют угольную пыль: делает песок более пористым, охлаждает форму после заливки, поглощает тепло (защита от прожога), выделяет CO₂ — защитная плёнка разделяет металл и песок.

Рис. 3.17 — четыре типа зёрен. Успех литья зависит от: предельной прочности на сжатие, проницаемости (расход газа через пробы при заданном перепаде давления), деформации, текучести (способность песка обтекать модель при утрамбовке), огнеупорности. Рис. 3.18 — влияние влажности (при заданном песок/глина) на все свойства.