Формовочный песок: Состав, применение и преимущества в литье в песок

Используется в процессе литья в песок для подготовки формочной полости. Натуральный (зеленый) песок — смесь песка, бентонитовой глины, угольной пыли и воды. Основное назначение — формочные пески для металла. Основная часть — песок, часто однородная кварцевая смесь.

Много рецептов глинистых связующих, балансирующих формуемость, чистоту поверхности и способность расплава к дегазации. Уголь (морской углерод, <5%) пригорячно сгорает на поверхности расплава, выводя органические пары.

Литье в песок — один из древнейших методов благодаря простоте материалов. По той же простоте остается одним из дешевейших. Кокилльное литье дает лучшую поверхность, но дороже. Зеленый песок (как и другие формочные пески) хранят в литейных цехах во «флаконах» — коробках без дна и крышки, разделенных на две половины (крышка и нижняя фляга).

В зеленый песок заливают расплав через непрерывную полость. Не весь зеленый песок зеленого цвета. «Зеленый» означает использование во влажном состоянии (как зеленое дерево). Некоторые методы сушат форму перед заливкой — сухое литье дает более жесткую форму для тяжелых отливок.

История формовочного песка

Нет явных записей о первом литье и формочном песке, но артефакты и надписи датируются ~3200 г. до н.э. (Месопотамия). История сложна — практики предшествуют письменности. Исключительно для бронзовых отливок (китайцы). 500 г. до н.э. — Индия, кованый сталь. 1808 г. — г. Дави, первые алюминиевые отливки (Британия). Современные мощности США: >8 млн т чугуна, 1,4 млн т стали, 1,7 млн т алюминия, 321 тыс. т меди. Современная металлургия инновирует благодаря росту качества песка, инструмента, металлургии и понимания свойств металлов.

Источники формовочного песка

Морские берега, реки, озера, пустыни, гранулированные горные породы. Два типа: натуральный и синтетический.

• Натуральный — содержит достаточное количество связующего.
• Синтетический — готовится искусственно: кварцевый песок 85–91%, связующее 6–11%, влага 2–8% + добавки в точных пропорциях с тщательным смешением/измельчением.

Состав формовочного песка

Основные компоненты: кварцевый песок, связующее, влага, добавки. Кварцевый песок — основа, дает огнеупорность, прочность, устойчивость, газопроницаемость. Примеси: оксид железа, аллюмина, известняк (CaCO₃), оксид магния, суда, поташ. Избыток оксида железа, щелочных оксидов, известняка нежелательно снижает температуру плавления. Кварцевый песок характеризуется зернистым составом и формой (угловатые, сублимированные, округлые).

Связующие формовочных песков

Неорганические: жидкое стекло (натрий силикат), портландцемент. В литейном деле глина — каолинит, шаровая глина, огнеупорная, лимонит, земля فولлера, бентонит. Органические: декстрин, патока, зерновые связующие, льняное масло, смолы (фенолформальдегид, мочевинаформальдегид) — в основном для сердечников. Наиболее распространен — бентонит. Но без влаги он не может связывать песчинки.

Влажность формовочных песков

2–8%. Добавляется в смесь глины и кварца для индукции связи. Количество воды, заполняющее поры между частицами глины без их разделения. Вода, удерживаемая глиной, отвечает за прочность. Действие глина+вода снижает газопроницаемость при росте глины и влаги. Прочность на сжатие в сыром состоянии растет с глиной, потом падает после пика. Для улучшения свойств вводят добавки.

Добавки и угольная пыль

Материалы для придания особых свойств: угольная пыль, кукурузная мука, декстрин, морской уголь, смола, древесная мука, кварцевая мука.

Угольная пыль создает восстановительную атмосферу при литье: связывает кислород в порах, предотвращая окисление металла. Применяется для серого и ковкого чугуна.

Другие добавки

• Кукурузная мука (крахмал) — повышает газопроницаемость. Испаряется теплом, оставляя зазор между зернами → стены формы подвижны, уменьшается расширение формы и дефекты литья. Значительно повышает прочность формы и сердечника.
• Морской уголь — мелкодисперсный каменный уголь, заполняет поры кварца. При нагреве → кокс, заполняет поры, водостойкий. Зерна становятся конечными, не образуют плотную упаковку → снижает подвижность стен и газопроницаемость, сохраняет чистоту и гладкость поверхности формы/сердечника.
• Смола — дистиллят мягкого угля. 0,02–2% в песке/сердечнике. Повышает горячую прочность, чистоту поверхности, действует как морской уголь.