Теория и технология литейного производства: Учебное пособие, страница 51

U пр =ц(Апт +AKorSm)-x,                                       (3.2)

где Е/пр — общая энергия процесса; г| — КПД смесителя; А„ — удельная работа перемешивания единицы массы смеси; Аког — удельная работа когезии; т. — масса смеси; S — удельная поверх­ность элементарного объема смеси; т — время перемешивания.

Анализ приведенной зависимости показывает, что энергия, затрачиваемая на смешивание в единицу времени, зависит только от массы смеси и сил когезии. При продолжении смешивания, то есть на третьем этапе, система получает энергию, расходуемую на удаление воды или растворителя в составе связующего. Этот про­цесс сопровождается возрастанием жесткости связей в оболочке за счет увеличения сил адгезии. По мере увеличения времени пе­ремешивания оболочки вокруг зерен уплотняются и смесь в это время состоит из отдельных изолированных зерен наполнителя с пленочной оболочкой связующего. Отсутствие связи между от­дельными частицами смеси свидетельствует о нарушении термо­динамического равновесия системы, при котором между двумя смоченными зернами всегда возникают жидкостные манжеты. После стандартного уплотнения прочность смеси во влажном со­стоянии возрастает, поскольку силы когезии увеличиваются за счет наложения эффекта дальнодействия и по причине изменения состояния связующего из-за частичной потери растворителя.

Главным критерием качества холоднотвердеющих смесей является прочность в отвержденном состоянии, поэтому процесс их перемешивания прекращается после достижения однородно­сти, что равнозначно получению рациональной структуры.

Песчано-глинистые смеси должны иметь высокую прочность во влажном и одновременно упрочненном состояниях, поэтому после достижения однородности процесс перемешивания продол­жают до тех пор, пока прочность смеси во влажном состоянии не достигнет требуемой величины.

3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ФОРМОВОЧНЫХ И СТЕРЖНЕВЫХ СМЕСЕЙ

В современном литейном производстве существует множест­во способов изготовления форм и стержней с применением много­численных составов смесей. Используемые смеси можно отнести к трем поколениям. Формовочные и стержневые смеси первого поколения применялись в период с 1900 по 1947 г. Эти смеси в большинстве случаев приготавливались вручную и уплотнялись с помощью простых встряхивающих и прессовых машин, а также с помощью механических трамбовок. Формовочные смеси состояли из природных песков, глин, а в стержневых смесях использова­лись связующие, требующие обязательной сушки. Формовочные и стержневые смеси второго поколения ориентировочно использо­вались в период с 1947 по 1974 г., когда наряду со смесями пер­вого поколения (в постоянно уменьшающихся количествах) стали применяться синтетические смеси, содержащие бентонит и само- отверждающиеся связующие материалы. Для приготовления этих смесей использовались специальные комплексы оборудования. Производство форм и стержней характеризовалось появлением быстродействующих автоматов, безопочной формовки, прессов высокого давления, пескометов, а также линий для изготовления форм из самотвердеющих пластических, сыпучих и жидких сме­сей. Для производства стержней из смесей второго поколения применялись пескодувные, пескострельные автоматы и пескоме­ты. Началом применения смесей второго поколения считается 1947 год, когда был запатентован способ отверждения смеси про­дувкой углекислым газом. При этом смеси второго поколения ха­рактеризовались следующими признаками: развитием смесей хо­лодного отверждения для форм и стержней; повышенной скоростью отверждения; развитием механизации и автоматизации процессов приготовления смесей и изготовлением форм и стерж­ней, отверждаемых в оснастке. В 50-х годах (патент 1944 г.) на­чал внедряться способ получения оболочковых форм и стержней, основанный на использовании смесей с термореактивными смо­лами. Смеси второго поколения получили широкое распростране­ние в разновидностях способов изготовления форм и стержней. Основной особенностью смесей второго поколения является при­менение связующих, обеспечивающих отверждение при мини­мальном расходе энергии и получении повышенных прочностных свойств. Преимущества смесей второго поколения проявлялись в значительном повышении точности форм и стержней и, следова­тельно, точности и уменьшении шероховатости поверхности от­ливок; в создании автоматов и автоматических линий для круп­носерийного и массового производства отливок; в снижении расхода энергии на уплотнение формовочных и стержневых сме­сей, в устранении сушки стержней. Недостатки смесей второго поколения: большое число связующих химического действия не­благоприятно воздействует на условия труда; рост потребности в сухом и охлажденном кварцевом песке; повышение стоимости связующих и песка; необходимость регенерации отработанных смесей; плохая выбиваемость. Первым вестником появления сме­сей третьего поколения явилось использование металлической дроби в способе магнитной формовки, предложенном в 50-х го­дах. Классическим примером смеси третьего поколения явилась формовочная смесь без связующего — чистый кварцевый песок, используемый при вакуумной формовке (Япония, зарегистр. в 1971 г.). Основные признаки формовочных и стержневых смесей третьего поколения: зерновая основа — почти чистый кварцевый песок или материал, не содержащий связующего, пригодный для литейных целей и отверждаемый физическими методами. Мини­мальное содержание связующих в таких смесях должно полно­стью или большей частью удаляться на определенном этапе про­изводственного цикла, чтобы обеспечивалась последующая применимость зерновой основы после минимальной подготовки или без нее. В связи с указанным к смесям третьего поколения можно отнести и формовочную смесь, используемую в способе, который основан на замораживании смесей при изготовлении форм и стержней. При этом способе применяется формовочная и стержневая смесь, содержащая бентонит, воду и кварцевый пе­сок. К третьему поколению относится также группа смесей на содовом связующем для стержней, применяемых при литье отли­вок из цветных сплавов. Состав стержневой смеси: песок, угле­кислый натрий и гидрооксид натрия. Эти соединения натрия свя­зывают зерновую основу при продувке га^ом СО2, образуя новый вид связей, распадающийся под давлением воды. Процесс удале­ния стержней погружением отливок в воду существенно изменяет некоторые операции получения отливок: