Свойства формовочных материалов
Свойства формовочных материалов играют главную роль в формировании свойств смесей. Свойства формовочных материалов определяют по результатам испытаний проб, отобранных в соответствии с ГОСТ 2189-78 (для формовочных песков), ГОСТ 3226-77 (для формовочных глин), ГОСТ 13078-81 (для жидкого стекла), ГОСТ2517-85 (для фенолформальдегидных смол) и т. д.
Свойства формовочных песков. Полный анализ свойств песков и наполнителей включает в себя определение содержания глинистой составляющей и потерь при прокаливании; влажность песка; зернового состава; формы зерен; коэффициента угловатости; объемного расширения; спекаемости; концентрации водородных ионов водной вытяжки; газопроницаемости; прочностных характеристик; содержания SiO2, Na2O, K2O, S, CaO, MgO, Fe2O3, TiO2, Al2O3; огнеупорности и минерального состава.
Полный анализ проводится в специализированных лабораториях. В литейных цехах ограничиваются контролем основных свойств: гранулометрического состава, газопроницаемости, влажности и влагоемкости, спекаемости и концентрации водородных ионов водной выдержки.
Методика исследования гранулометрического состава (глинистой составляющей, зернового состава, формы зерен) описана ранее.
Влагоемкостъ песков характеризуется количеством воды, адсорбированной на поверхности зерен песка. Методика определения влагоемкости состоит в насыщении пробы песка водой (иногда с добавками поверхностно-активных веществ) и последующим центрифугированием в стабильных условиях для удаления несвязанной воды. Содержание остаточной, связанной на поверхности зерен песка воды определяется взвешиванием.
Для определения влажности песка (связанной и свободной влаги) навеску песка массой 50 г сушат при температуре 105-110 °C до постоянной массы. Для вычисления влажности в процентах потерю массы при сушке умножают на 2. Высушивание до постоянной массы по стандартному методу (ГОСТ 23409.5-78) длится 2-3 ч, поэтому для контроля влажности формовочных смесей в производственных условиях применяют ускоренные методы. К ним относятся методы, основанные на интенсификации сушки (инфракрасный способ сокращает время сушки навески массой 10-20 г до 5-10 мин), химических реакциях с водой и на физических явлениях.
Среди химических методов можно отметить карбидный. При реакции карбида кальция с водой образуется ацетилен, избыточное давление которого в замкнутом объеме пропорционально содержанию влаги.
В автоматизированных системах приготовления смесей применяют ускоренные методы определения влажности, основанные на зависимости сопротивления смеси (кондуктометрические методы) и электрической емкости образца смеси (диэлектрические влагомеры) от влажности. Эти методы позволяют осуществлять измерение влажности непрерывно.
Газопроницаемость - свойство капиллярно-пористых тел (песка, смеси), характеризующее их способность пропускать через себя газы. Скорость фильтрации газа через образец можно определить по формуле Дарси
где Г - коэффициент фильтрации, или газопроницаемость, м4/(Н * с);
АР/Al - градиент давления, Н/м3.
Схема прибора для определения газопроницаемости приведена на рис. 5.20 (ГОСТ 23409.6-78). Воздух из калиброванного колокола 7, плавающего в баке с водой 2, через отверстия 3, трубу 4 и трубу 5 через трехходовой кран 6 поступает в полость 9 в металлической гильзе 10 c исследуемым стандартным образцом песка или смеси 11 (цилиндр диаметром 50 и высотой 50 мм), уплотненным стандартным уплотнением. С помощью манометра 15 измеряется избыточное давление воздуха под образцом, под действием которого происходит фильтрация воздуха через образец.
Перед испытанием при открытом положении крана 6, соединяющем колокол с атмосферой, поднимают колокол до нулевой отметки и перекрывают кран 6. При испытании кран 6 ставят в положение, соединяющее полость колокола с полостью 9. При опускании колокола воздух фильтруется через образец. При стандартном методе (ГОСТ 23409.6-78) измеряют время опускания колокола t на высоту, отвечающую объему вышедшего из него воздуха - 2 л, и давление P по манометру 15.
Формулу Дарси применительно к условиям испытания можно записать в виде
где Q - расход воздуха через образец, м3/с;
S - площадь поперечного сечения, м2;
h - высота образца, м;
Так как Q = V/т, где V - объем газа, прошедшего через образец за время т, получаем следующее выражение для определения газопроницаемости:
С учетом того, что V = 2000 см3, 5 = 3,14 * 5в2/4 = 19,63 см2, h = 5 см, получаем Г = 509,4 * 5в-4/(Р * т), м2/(Па * с).
Для практических измерений в литейном производстве принята единица газопроницаемости ед. Г СИ, равная 10 м2/(Па * с), т. е.
В эту формулу давление следует подставлять в паскалях, а время в секундах. В приборах старого выпуска градуировка выполнена в единицах газопроницаемости:
Ускоренный метод определения газопроницаемости основан на применении формулы для расчета скорости фильтрации газа
где С - коэффициент сопротивления, величину которого регулируют, устанавливая на входе газа в полость 9 калиброванную диафрагму-ниппель 7 (см. рис. 5.20).
Для песков или смесей с высокой газопроницаемостью применяют ниппель с диаметром отверстия 1,5 мм, а для песков или смесей с газопроницаемостью до 82 ед. Г СИ - ниппель с диаметром отверстия 0,5 мм.
Приравняв выражения для определения V в формуле Дарси и в приведенной выше формуле, получаем
где P0 - давление газа под колоколом;
P - давление, измеряемое манометром 15 (см. рис. 5.20).
Отсюда находим
Давление под колоколом P0 = 1000 Па. Значения постоянной С для ниппелей с диаметрами отверстий 0,5 и 1,5 мм соответственно равны 1,167 * 10в-4 и 1,05 * 10в-3м/(Па * с)1/2. С учетом этих значений С при h = 50 мм получаем следующие выражения для расчета газопроницаемости Г по экспериментально измеренным значениям давления P:
• для ниппеля с диаметром отверстия 0,5 мм
• для ниппеля с диаметром отверстия 1,5 мм
В эти формулы давление следует подставлять в паскалях. На ранее выпущенных приборах приведена таблица, по которой можно по измеренному значению P (в см вод. ст.) определить значение газопроницаемости (в ед. Г) для каждого диаметра отверстия в ниппеле. Для перевода этих значений в ед. Г СИ следует их умножить на 1,67. При применении ускоренного метода нет необходимости измерять время опускания колокола до отметки 2 л.
На результат измерения газопроницаемости стандартным методом оказывают влияние температура и влажность воздуха. В соответствии со стандартом газопроницаемость следует определять при температуре 15-20 °С. Стандартные показатели газопроницаемости имеют относительное значение, так как при высоких температурах коэффициенты фильтрации газа будут иными.
Газопроницаемость можно связать с вязкостью газа u формулой
где К— коэффициент проницаемости, характеризующий структуру пористой среды, через которую фильтруется газ.
Для расчета К можно применить формулу Козени
где w - пористость среды;
d - средний диаметр зерен наполнителя.
Так как вязкость газов с увеличением температуры повышается, газопроницаемость при фильтрации нагретого газа меньше, чем в стандартных условиях.
Г азопроницаемость песка зависит от его влажности. Эта зависимость носит экстремальный характер. Сначала с увеличением влажности газопроницаемость растет, а затем убывает после достижения максимума при некотором оптимальном значении влажности Wопт. Возрастание газопроницаемости связано с понижением гидравлического сопротивления фильтрации из-за смачивания водой поверхности зерен песка и уменьшения их шероховатости. Снижение газопроницаемости начинается, когда вода, покрыв зерна песка пленкой, начинает скапливаться в порах, уменьшая пористость песка.
С уменьшением размеров зерен d газопроницаемость понижается, как это следует из формулы Козени. Так как с уменьшением диаметра зерен увеличивается их суммарная поверхность, оптимальное значение влажности возрастает. Характер зависимости газопроницаемости песка от влажности и размеров зерен показан на рис. 5.21.
Газопроницаемость песка зависит от распределения его по размерам зерен. С увеличением рассредоточенности зернового состава песка газопроницаемость уменьшается, так как более мелкие зерна, располагаясь между крупными, уменьшают пористость песка. Поэтому в литейном производстве преимущественно применяются пески с концентрированной зерновой структурой. С увеличением содержания глины газопроницаемость уменьшается.
Спекаемость формовочных песков служит для оценки их огнеупорности. По ГОСТ 23409.20-78 это свойство песка оценивают по визуальному определению температуры, при которой начинается оплавление зерен.
Свойства формовочных смесей зависит от химического характера песков и других исходных материалов. Показателем химических изменений в смесях является величина pH; pH = -log(H+) - отрицательный логарифм концентрации водородных ионов, содержащихся в водной вытяжке песка или другого материала.
В нейтральном растворе (вода) pH = 7. Если pH < 7, то среда кислая, так как концентрация водородных ионов больше, чем ионов ОН-. Если pH > 7, то среда щелочная.
Величина pH оказывает существенное влияние на связующие свойства глин и бентонитов. В очень кислых средах бентониты почти не набухают. Поэтому с увеличением pH повышаются прочность и пластичность песчано-бентонитовых смесей. Влияет pH и на огнеупорность смесей, качество поверхности отливок. Поэтому контроль pH (ГОСТ 23409.22-78) необходим для проверки стабильности свойств смесей и исходных материалов. При определении pH навеска испытуемых материалов некоторое время взбалтывается в дистиллированной воде, после чего pH определяется pH-метром. Степень разбавления вытяжки водой для разных материалов различна: для песка и смесей на жидком стекле — 1:2, для глин и бентонитов - 1 : 2,5, а для смесей на органическом связующем -1:4. После взбалтывания вытяжки в течение 5 мин раствор выстаивают в течение 5-10 мин.
Свойства связующих и вспомогательных материалов. Из-за огромного многообразия связующих материалов невозможно рассмотреть в рамках данного учебника все их свойства и соответствующие методы контроля.
В соответствии со стандартами предусмотрен контроль следующих свойств глин:
• содержание глинистой составляющей (ГОСТ 3594.9-77);
• определение pH водной вытяжки (ГОСТ 3594.5-77);
• химический анализ на содержание SiO2, катионов кальция и магния, катионов натрия и калия, серы, оксидов железа, CaO, MgO, Na2O, K2O и оксидов углерода;
• предел прочности при сжатии в сухом и влажном состояниях;
• долговечность (ГОСТ 3594.8-77);
• коллоидальность (ГОСТ 3594.10-77);
• влажность (ГОСТ 3594.11-77);
• гранулометрический состав (ГОСТ 3594.12-77);
• пластичность (ГОСТ 21216.1-81);
• потеря массы при прокаливании (ГОСТ 2642.1-86);
• минеральный состав (ГОСТ 3226-77).
В лаборатории литейного цеха определяют такие свойства глин, как минералогический состав, химический состав, влажность, pH, прочность в сухом и влажном состояниях, долговечность, коллоидальность и гранулометрический состав.
Все связующие испытываются на удельную прочность. Смесь для технологической пробы приготовляют в лабораторных бегунах из 3 кг кварцевого песка. Из смеси готовят стандартные цилиндрические образцы и испытывают их на сжатие во влажном и отвержденном состояниях.
Жидкое стекло испытывают на содержание SiO2 и Na2O, модуль и плотность. Синтетические смолы контролируются на плотность, условную вязкость, содержание сухого остатка, pH, содержание азота и свободных мономеров (фенола и формальдегида), длительность отверждения (желатинизации). Методика определения этих свойств изложена в ГОСТ 20907-75 (для фенолформальдегидных смол) и ГОСТ 14231-88 (для карбамидоформальдегидных и других смол).
Вспомогательные материалы, используемые в качестве противопригарных средств для улучшения текучести и податливости смесей, испытываются на зернистость, плотность, вязкость и другие свойства.
Для углеродистых противопригарных материалов (молотый уголь, битумы, масла, древесная мука, крахмал, смолы) важным является определение содержания блестящего углерода, образующегося при термическом разложении углеродистых материалов и влияющего на эффективность действия противопригарной добавки, а также определение выхода летучих при прокаливании без доступа воздуха.