Литьевая песок: виды, свойства и роль в песчаной литье

Что такое литейный песок?

Литьевой песок (foundry sand) — песок, который при увлажнении и уплотнении, масливании или нагреве хорошо укладывается и держит форму. Используется в песчаной литье для формирования формообразующей полости.

Основное сырье в литье — литейный песок, дающий характеристики, недоступные другим материалам. Литейный песок — гранулярные частицы от разрушения горных пород естественными силами: мороз, ветер, дождь, тепло, водные течения. Горные породы сложного состава, песок содержит большинство их элементов.

Поэтому литейный песок сильно варьирует в разных регионах. В природе — на дне и берегах рек и озер. Классифицируется по природе происхождения.

Основные компоненты литейных песков:

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

Естественный песок / Зеленый песок (Green Sand)

Также называется зеленым песком, добывается из природных месторождений. Вода — единственный связующий. Преимущества: долго сохраняет влажность, широкий рабочий диапазон влажности, легкое заплатывание и доводка форм.

Зеленый песок — смесь песка, бентонитовой глины, пульверизированного угля и воды. Главное применение — формы для литья металлов. Основная часть — песок, часто однородная смесь силикатов.

Много рецептов пропорций глины, балансирующих между формообразуемостью, чистовой поверхностью и способностью расплавленного металла дегазировать. Уголь (морской уголь, <5%) частично сгорает на поверхности расплава, выделяя органические пары.

Песчаная литье — один из древнейших методов за простотой материалов. Остается одним из дешевизов из-за той же простоты. Другие методы (кокильное литье) дают лучшую поверхность, но дороже.

Зеленый песок (как и другие литейные пески) хранится в «флягах» (flask) — коробках без дна и крышки, разделенных на две половины (верх — cope, низ — drag).

Не весь зеленый песок зеленого цвета. «Зеленый» в смысле влажного состояния (как зеленое дерево). Альтернатива — сушка формованного песка перед заливкой расплава. Сухой песок дает более жесткую форму для тяжелых отливок.

Синтетический песок

Искусственный песок: смесь относительно безглинистого песка, связующего (вода + бентонит) и добавок. Лучше литейный песок — свойства легко контролируются составом 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%.

Существуют специальные пески: циркониевый, оливин и др. Дороже кварца, применяются только там, где оправдано.

Виды литейного песка

По назначению: засыпочный (backing), сердечный (core), сухой (dry), лицевой (facing), зеленый (green), липовый (loam), разделительный (parting), системный (system).

1. Засыпочный песок (Backing sand / floor sand)

Поддерживает лицевой песок, заполняет весь объем фляги. Называют черным песком — старый, многократно использованный песок чернеет от угольной пыли и обжига при контакте с расплавом.

2. Сердечный песок (Core sand)

Для изготовления сердечников, также — масляной песок. Богатосилицистый песок с масляными связующими: сердечное масло (ленное масло, смола, легкий минеральный масло, др. связующие). Для крупных сердечников — пича или мука с водой для экономии.

3. Сухой песок (Dry sand)

Зеленый песок, сушеный/прокаленный в печи после формовки сердечников. Обладает большей прочностью, жесткостью, термической стабильностью. Для крупных отливок. Формы — сухопесковые формы.

4. Лицевой песок (Facing sand)

Образует лицевую поверхность формы. Контактирует с моделью и при заливке — с расплавленным металлом. Дает начальное покрытие модели/формы. Высокая прочность, огнеупорность. Из кварцевого песка и глины без использованного песка.

Разные формы углерода в лицевом песке предотвращают прожог металла в песок. Смесь для чугуна: 25% свежего спец. приготовленного и 5% морского угля. Иногда смешивают с 6–15-кратным объемом мелкого формовочного песка. Слой лицевого песка 20–30 мм. 10–15% всего песка — лицевой.

5. Зеленый песок (Greensand)

Также — закаленный или натуральный песок: смесь кварцевого песка с 18–30% глины, влажность 6–8%. Глина и вода дают связь. Мелкий, мягкий, легкий, пористый.

При сжатии в руке держит форму и отпечаток. Формы не требуют засыпочного песка — зеленопесковые формы.

Доступен, дешев. Широко для черных и цветных металлов.

6. Липовый песок (Loam sand)

Смесь песка и глины с водой до тонкой пластичной пасты. Глина 30–50%, вода 18%. Модели не используют, форму задают шabels (sweeps). Для крупных серых чугунных отливок.

7. Разделительный песок (Parting sand)

Без связующего и влаги. Не дает зеленому песку прилипать к модели и позволяет разделять верх и низ фляги без сцепления. Чистый безглинистый кварцевый песок, как разделительная пыль.

8. Системный песок (System sand)

В механизированных литейных цехах с машинным формованием. Заполняет всю флягу. При механической подготовке лицевой песок не используют. Использованный песок очищают и реактивируют водой и спец. добавками. Это системный песок. Так как вся форма из него, свойства (прочность, газопроницаемость, огнеупорность) должны быть выше, чем у засыпочного.

Свойства литейного песка

Базовые свойства литейного и сердечного песка: адгезивность, когезивность, коллапсибельность, текучесть, сухая прочность, мокрая прочность, газопроницаемость, огнеупорность.

1. Адгезивность

Способность липнуть к чужеродному материалу — стенкам фляги.

2. Когезивность

Взаимное притяжение зерен песка внутри массы. Повышает связующую способность, увеличивает мокрую, сухую и горячую прочность формовочного и сердечного песка.

3. Коллапсибельность

После затвердевания расплава песковая форма должна коллапсировать, чтобы свободное усадка металла не вызывала разрывов/трещин. Без коллапсибельности усадка препятствует форме — трещины в отливке. Критично для сердечников.

4. Сухая прочность

При заливке влага в слое у горячего металла испаряется. Сухой слой должен иметь прочность держать форму, избегая эрозии стенки формой при течении расплава. Также предотвращает расширение полости от металлостатического давления жидкого металла.

5. Текучесть / пластичность

Способность уплотняться и вести себя как жидкость. Равномерно заполняет все участки модели при уплотнении, равномерно распределяет давление во все стороны.

Зерна песка сопротивляются движению за углы/выступы. Текучесть растет при снижении мокрой прочности и наоборот. Растет при уменьшении размера зерна. Варирует с влажностью и глинистостью.

6. Мокрая прочность

Зеленый песок после замеса водой должен иметь прочность и вязкость для формовки и манипулирования формой. Зерна должны быть адгезивны (прилипать к стенкам фляги) и когезивны (прилипать друг к другу). За счет этого модель извлекается без разрушения формы, стенки не эродируются при заливке. Мокрая прочность зависит от формы/размера зерна, кол-ва/типа глины, влажности.

7. Газопроницаемость (Permeability)

Пористость для удаления воздуха, газов, влаги, генерируемых при заливке и кристаллизации. Все газы должны уходить — иначе брак. Зависит от размера/формы зерна, влажности, глинистости. Степень уплотнения напрямую влияет на проницаемость. Можно повысить вентиляцией (вентиляционные стержни).

8. Огнеупорность (Refractoriness)

Способность выдерживать высокие температуры без разрушения/сплавления для качественной отливки. Критически важна. Можно повысить ограниченно.

Песок с низкой огнеупорностью прогорает на отливке — гладкой поверхности не получают. Степень зависит от SiO₂ (кварц), формы и размера зерна. Чем выше SiO₂ и шерше зерна — тем выше огнеупорность. Измеряется точкой синтерования, а не плавления.

9. Прочие свойства

Не должен липнуть к отливке, не реагировать с металлом. Экономически дешев и доступен. Повторно используем. Коэффициент термического расширения достаточно низок.