Формовочный песок: виды, свойства и применение в литейном деле

Что такое формовочный песок?

Формовочный песок, также известный как литейный песок, — это песок, который при увлажнении и уплотнении, смазывании масла или нагревании хорошо уплотняется и сохраняет форму. Он используется в процессе литья в песок для подготовки формочного полости.

Основным сырьевым материалом в формовке является формовочный песок, поскольку он обеспечивает несколько важных характеристик, которые невозможно получить из других материалов. Формовочный песок определяется как гранулярные частицы, образующиеся в результате разрушения горных пород под действием естественных сил: мороза, ветра, дождя, тепла и водных течений. Горные породы имеют сложный состав, и песок содержит большинство элементов горных пород.

По этой причине формовочный песок значительно различается в разных частях мира. В природе он находится на дне и берегах рек и озер. Формовочный песок классифицируется на разные категории в зависимости от природы своего происхождения.

Основные компоненты формовочных песков:

• Кремнезем (SiO₂) — 86–90%,
• Оксид алюминия (Al₂O₃) — 4–8%,
• Оксид железа (Fe₂O₃) — 2–5% с небольшими количествами оксидов Ti, Mn, Ca и некоторых щелочных соединений.

Натуральный песок / Зеленый песок

Он также называется зеленым песком и добывается из природных ресурсов. Содержит воду как единственный связующий элемент. Имеет преимущество длительного сохранения влажности, широкий рабочий диапазон влажности, позволяет легко залатывать и доводить формы.

Зеленый песок — это смесь песка, бентонитовой глины, порошкового угля и воды. Его основное применение — изготовление форм для литья металлов. Основная часть смеси всегда составляет песок, часто представляющий собой равномерную смесь формы кремнезема.

Существует много рецептур пропорции глины, но все они по-разному балансируют между формовочностью, чистотой поверхности и способностью горячего расплавленного металла к дегазации. Уголь, обычно называемый морским углем, присутствует в соотношении менее 5%, частично сгорает на поверхности расплавленного металла, вызывая выделение органических паров.

Литье в песок — одна из самых ранних форм литья благодаря простоте материалов. Оно остается одним из самых дешевых способов литья металлов по той же простоте. Другие методы литья, такие как кокильное литье, обеспечивают более высокое качество поверхности, но имеют более высокую стоимость.

Зеленый песок (как и другие литейные пески) обычно хранится в так называемых «кокильях» (flask) — коробках без дна и крышки. Коробка разделена на две половины, которые складываются вместе при использовании. Половинки называются верхней (cope) и нижней (drag) кокильями.

Не весь зеленый песок зеленого цвета. Но он считается «зеленым» в том смысле, что используется в влажном состоянии (подобно зеленому дереву). Согласно сайту Федерации литейных металлов, альтернативным методом литья является сушка формованного песка перед заливкой расплавленного металла. Этот процесс сухого литья в песок дает более жесткую форму, более подходящую для тяжелых отливок.

Синтетический песок

Это искусственный песок, получаемый путем смешивания относительно безглинистого песка, связующего (воды и бентонита) и других материалов по необходимости. Он лучше формовочного песка, так как его свойства можно легко контролировать, меняя состав смеси.

Состав зеленого 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:

Чистый кварцевый песок — 15%, старый песок — 84%, бентонит — 0,5%, влага — 0,5%.

Кроме того, существуют специальные виды песков, такие как цирконит, оливин и др. Эти специальные пески дороже кремнезема и поэтому используются только там, где их применение оправдано.

Виды формовочного песка

Формовочные пески также классифицируются на различные типы по их назначению: подсыпной песок, сердечный песок, сухой песок, лицевой песок, зеленый песок, суглинок, разделительный песок, системный песок.

1. Подсыпной песок или напольный песок

Подсыпной песок используется для подсыпки лицевого песка и заполнения всего объема формовочной кокильи. Подсыпной песок иногда называют черным песком, потому что старый, многократно используемый формовочный песок чернеет из-за добавления угольной пыли и обжига при контакте с расплавленным металлом.

2. Сердечный песок

Сердечный песок используется для изготовления сердечников и иногда также называется масляным песком. Это высококачественный кварцевый песок, смешанный с масляными связующими, такими как сердечное масло, состоящее из льняного масла, смолы, легкого минерального масла и других связующих материалов. Для экономии в больших сердечниках могут использоваться смола или мука и вода.

3. Сухой песок

Зеленый песок, сушеный или обожженный в подходящей печи после изготовления формы и сердечников, называется сухим песком. Он обладает большей прочностью, жесткостью и термической стабильностью. Сухой песок 주로 используется для более крупных отливок. Формы, приготовленные в этом песке, называются сухопесчаными формами.

4. Лицевой песок

Лицевой песок образует лицевую сторону формы. Он находится рядом с поверхностью модели и контактирует с расплавленным металлом при заливке формы. Первоначальное покрытие вокруг модели и, следовательно, поверхность формы дает лицевой песок. Лицевой песок обладает высокой прочностью и огнеупорностью. Лицевой песок состоит из кварцевого песка и глины, без использования уже использованного песка.

Различные формы углерода используются в лицевом песке, чтобы предотвратить прожог металла в песок. Смесь лицевого песка для зеленого песка чугуна может состоять из 25% свежего и специально приготовленного и 5% морского угля.

Иногда их смешивают с в 6–15 раз большим количеством мелкого формовочного песка для получения лицевых слоев. Слой лицевого песка в форме обычно составляет 20–30 мм. От 10 до 15% от общего количества формовочного песка составляет лицевой песок.

5. Зеленый песок

Зеленый песок также известен как закаленный или натуральный песок — это только что приготовленная смесь кварцевого песка с 18–30% глины, имеющая влажность 6–8%. Глина и вода обеспечивают связку для зеленого песка. Он мелкий, мягкий, легкий и пористый.

Зеленый песок влажный при сжатии в руке и сохраняет форму и отпечаток, данный ему под давлением. Формы, приготовленные из этого песка, не требуют подсыпки и поэтому называются зеленопесчаными формами.

Зеленый песок легко доступен и имеет низкую стоимость. Он обычно используется для производства черных и цветных металлов отливок.

6. Суглинок

Сुगлинок — это смесь песка и глины с водой до состояния тонкой пластичной пасты. Суглинок содержит до 30–50% глины и 18% воды. Модели не используются для формовки суглинком, форму дают шabels (sweeps). Суглинок особенно применяется для суглинковой формовки, используемой для крупных серых чугунных отливок.

7. Разделительный песок

Разделительный песок без связующего и влаги используется, чтобы зеленый песок не прилипал к модели, а также чтобы песок на разделительной поверхности кокильи cope и drag мог отделяться без прилипания. Разделительный песок — это чистый безглинистый кварцевый песок, выполняющий ту же роль, что и разделительная пыль.

8. Системный песок

В механизированных литейных цехах, где применяется машинная формовка, системный песок используется для заполнения всей формовочной кокильи. В механизированных единицах подготовки и транспортировки песка лицевой песок не используется. Использованный песок очищается и реактивируется добавлением воды и специальных добавок. Это называется системным песком. Поскольку вся форма состоит из этого системного песка, такие свойства, как прочность, газопроницаемость и огнеупорность формовочного песка, должны быть выше, чем у подсыпного песка.

Свойства формовочного песка

Основные свойства, требуемые к формовочному и сердечному пескам: адгезивность, когезивность, коллапсибельность, текучесть, сухая прочность, мокрая прочность, газопроницаемость, огнеупорность.

1. Адгезивность

Адгезивность — свойство формовочного песка прилипать или приставать к чужеродному материалу, например, к внутренней стенке формовочной кокильи.

2. Когезивность

Когезивность — свойство формовочного песка, в силу которого песчаные зерна взаимодействуют и притягиваются друг к другу внутри формовочного песка. Таким образом, связующая способность формовочного песка усиливается, повышая мокрую, сухую и горячую прочность формовочного и сердечного песка.

3. Коллапсибельность

После застывания расплавленного металла в форме песчаная форма должна быть коллапсибельной, чтобы свободная усадка металла происходила естественным образом, что предотвращает разрывы или трещины в усаживающемся металле. При отсутствии коллапсибельности усадка металла препятствует форме, что приводит к трещинам и разрывам в отливке. Это свойство крайне необходимо в сердечниках.

4. Сухая прочность

Как только расплавленный металл заливается в форму, влага в песковом слое, смежном с горячим металлом, испаряется, и этот сухой песковый слой должен иметь достаточную прочность, чтобы сохранить свою форму, избегая эрозии стенки формы при течении расплавленного металла. Сухая прочность также предотвращает расширение формочной полости под действием металлостатического давления жидкого металла.

5. Текучесть или пластичность

Текучесть или пластичность — способность песка уплотняться и вести себя как жидкость. Он будет равномерно течь ко всем участкам модели при уплотнении и распределять давление уплотнения равномерно во всех направлениях.

Обычно песчаные частицы сопротивляются движению вокруг углов или выступов. В общем, текучесть увеличивается с уменьшением мокрой прочности и наоборот. Текучесть увеличивается с уменьшением размера зерен песка. Текучесть также варьируется в зависимости от влажности и глинистого содержания в песке.

6. Мокрая прочность

Зеленый песок после смешивания с водой должен иметь достаточную прочность и вязкость для изготовления и транспортировки формы. Для этого песчаные зерна должны быть адгезивными, то есть способными прикрепляться к другому телу. Песчаные зерна с высокой адгезивностью будут прилипать к стенкам формовочной кокильи.

Также песчаные зерна должны обладать когезивностью — способностью зерен приставать друг к другу. Благодаря этому свойству модель можно извлечь из формы без ее разрушения, а также эрозия поверхностей стенок формы не происходит при течении расплавленного металла.

Мокрая прочность также зависит от формы и размера зерен, количества и типа глины и влажности.

7. Газопроницаемость

Газопроницаемость также называется пористостью формовочного песка для обеспечения выхода любого воздуха, газов или влаги, присутствующих или образующихся в форме при заливке расплавленного металла. Все эти газы, образующиеся при заливке и застывании, должны выходить, иначе отливка становится бракованной.

Газопроницаемость является функцией размера зерна, формы зерна, влажности и глинистого содержания в формовочном песке. Степень уплотнения песка напрямую влияет на газопроницаемость формы. Газопроницаемость формы может быть дополнительно увеличена путем вентиляции с использованием вентиляционных стержней.

8. Огнеупорность

Огнеупорность определяется как способность формовочного песка выдерживать высокие температуры без разрушения или сплавления, обеспечивая получение качественной отливки. Это высокая важная характеристика формовочных песков. Огнеупорность может быть увеличена только в ограниченной степени.

Формовочный песок с плохой огнеупорностью может обжигаться на поверхность отливки, и гладкая поверхность отливки не может быть получена. Степень огнеупорности зависит от содержания SiO₂ (кварца), формы и размера зерна частицы.

Чем выше содержание SiO₂ и чем более шершавая объемная композиция зерна, тем выше огнеупорность формовочного и сердечного песка. Огнеупорность измеряется точкой синтерирования песка, а не его точкой плавления.

9. Прочие свойства формовочного песка

Помимо вышеуказанных требований, формовочный песок не должен прилипать к отливке и не должен химически реагировать с металлом. Формовочный песок должен быть экономически дешевым и легко доступным в природе. Он должен быть многоразовым по экономическим причинам. Его коэффициенты термического расширения должны быть достаточно низкими.