Песчаные формы: определение, классификация и основы питания металла

Определение песчаных форм

Песчаная форма — предварительно сформированный песочный контейнер, в который вливают расплав и дают застыть. После расколотьки форма уничтожается. Заливка через вверхнюю воронку, гравитационная подача через каналы ко всем частям.

Мелкие/средние отливки — во фляге (прямоугольный ящик без верха и дна). Фляг может быть двух- или трёхчастным, части центрируются шплинтами. Фляг зажимают перед заливкой — чтобы плавучесть расплава не подняла верх.

Классификация песчаных форм по материалу

1. Зелёные песчаные формы
2. Поверхностно-сухие (Skin-Dry)
3. Сухие песчаные формы
4. Цементно-связанные формы
5. Металлические формы (кокилли)

1. Зелёные песчаные формы (Green Sand Moulds)

Влага присутствует в песке при заливке. Зёрна держатся влажной глиной. Влага строго контролируется. Для практически всех чугунов и сталей. Разнообразны, для малых, средних и часто крупных форм.

Преимущества: дешевизна сырья, высокая производительность на площади (нет сушки), нет обратных операций/оборудования (сухие стержни всё равно нужны), мягче сухих — больше свобода усадки при застывании/охлаждении, меньше времени на формовку.

Недостатки: ниже прочность — риск повреждения при перемещении/эрозии металлом. Влага вызывает дефекты: дутьё, газовые полости. Не долгого хранения. Шершавая поверхность. Иногда добавляют угольную пыль/органику — лепёшная формовка (loam moulding).

Три основных метода зелёно-песочной формовки:

• Открытый метод (Open Sand) — вся форма на полу цеха или в песочном ложе над полом. Для простых цельных отливок с плоским верхом. Выравнивают, вдавливают модель. Фляг не нужен, верх открыт. Заливная воронка с конца, переливной канал по бокам.
• Метод в ложе (Bedded-in) — нужен верх (cope), если верх детали не плоский. Модель вдавливают в песок пола или в низ, наполненный песком. Верх низа разравнивают, наносят разделительный песок. Кладут верх, утрамбовывают. Вырезают воротки/питатели, снимают верх, извлекают модель, доводят поверхности, кладут верх на место.
• Перевёртывающий метод (Turn-Over) — для цельных и разъёмных моделей. Половина модели на формовочной доске, низ утрамбовывают, переворачивают. Верх на другой половине модели, утрамбовывают, переворачивают. Обе половины модели встряхивают и извлекают. Кладут верх на низ — сборка формы.

2. Поверхностно-сухие формы (Skin-Dry Moulds)

Зелёный песок с поверхностной сушкой. Иногда сушат поверхностный слой 25 мм нагревателем/газовым горелкой. Чаще для крупных форм. Практически все чугуны и цветные сплавы.

Дешевле сухих, но дороже зелёных. Меньше оборудование, материалы, время, площадь. Но не так прочны, как сухие, и не хранятся долго — влага мигрирует через сухую кожу.

3. Сухие песчаные формы (Dry Sand Moulds)

Песок не требует влаги для прочности. Смесь для малых/средних: 13 ч. напольного песка, 8 ч. нового, 1 ч. навоза/опилок. Тяжёлые: 11:9:1, сверхтяжёлые: 10:10:1.

Поверхность опрыскивают патока/мелассу. Все части пекут в печи 150–300°С (до удаления влаги) для прочности, эрозионной стойкости, качества поверхности. Преимущественно для стальных отливок.

Мелкие/средние производства. Крупные — секционные формы, собирают после печи. Сухие формы прочнее, легче манипулировать, меньше повреждений, хранятся дольше. Устойчивы к эрозии, нет дефектов от влаги. Минусы: дороже материалы, выше затраты труда, нужны доп. операции, оборудование, площадь.

4. Цементно-связанные формы (Cement-Bonded Moulds)

Кварцевый песок + портландцемент, высыхает на воздухе. Для очень крупных черных отливок, ямной формовки, когда печь невозможна. Высокая прочность, все плюсы сухих форм.

Нужна доп. площадь для сушки на воздухе. Материалы не регенерируются как в других формах — процесс дороже.

5. Металлические формы (Metal Moulds)

Для литья под давлением (die casting), кокильного и центробежного литья.

Питание металла в песчаных формах

Решение питания — ключ к качественным отливкам, особенно сложных по размеру/форме. Проблемы: медленное отвод теплоты от большой массы металла → малые температурные градиенты, трудно обеспечить направленное застывание к питателю.

С узким интервалом застывания направленное застывание легко, с широким — трудно. Расположение питателей/ризеров для снабжения горячим металлом толстых изолированных при застывании участков и создания исходных градиентов — критично. Иногда градиенты создают искусственно: хиллы в форме, изолирующие прокладки, конические переходы.

Усадные полости вероятны в Т- и крестообразных сечениях — большой объём, малая площадь отдачи тепла. Решение: уменьшать объём металла, увеличивать площадь отдачи. В крестовинах: стаггерированные ребра, центральное сердечное отверстие, кольцевая перемычка с тонкими стенками. Последний застывающий участок должен питаться из питателя. Проектирование, размеры, расположение питателей, вороток, каналов — главное.

Опыт — лучший решатель, но научные/эмпирические правила служат хорошим руководством.

(i) Тепловое уравнение (эффект квадратного корня из времени)

[раздел требует дополнения формулами]

(ii) Правило Чворинова (Chvorinov's Rule)

По правилу Чворинова толщина единородной кожи ~ √t. Для одинаковых граничных условий время застывания пропорционально квадрату отношения объём/площадь (V/A)².

Чтобы питатель застывал последним: t_riser > t_casting.

При равном объёме время застывания растёт по убыванию площади поверхности:

1. Плиты
2. Стержни
3. Прямоугольные параллелепипеды
4. Короткие цилиндры
5. Сферы

Теоретически сфера застывает дольше, но неудобна для питателей. Короткий цилиндр — ближайший вариант, его конируют для формовки.