Специальный формовочный песок – основной формовочный материал для современного производства стержней и форм  

Немецкая литейная промышленность с середины XX века использует для изготовления форм и стержней подготовленный кварцевый песок высокого качества. Благодаря многочисленным месторождениям в Германии имеются большие запасы кварцевого песка, который требуется для любых методов формовки, основанных на использовании основных формовочных материалов.

Ретроспектива

С развитием и внедрением органически связанных формовочных материалов границы возможности применения кварцевого песка стали очевидными.

Поэтому с 1960 г. для изготовления стальных отливок используется хромитовый песок, что позволило добиться чистоты поверхности отливок [1]. В целом, изготовление стальных литых деталей стало возможным только с момента разработки керамического песка, шамота (1841 в Бохуме).

В период с 1940 по 1945 гг. быстро развивающийся метод точного литья был также связан с использованием циркония, муллита, корунда и шамота, которые были доступны на тот момент времени. При производстве стержней и форм в соответствии с получившим развитие с 1950 г. методом литья в корковые формы Дж. А. Кронинга использовался цирконовый и оливиновый песок.

Из этого небольшого экскурса в историю видно, что разностороннее литейное техническое развитие осуществлялось не только с кварцевым песком в качества основного формовочного материала.

Понятие «Основные формовочные материалы» в памятке Общества немецких металлургов R 201 «Литейные и формовочные понятия» имеет следующее определение:

«Основной формовочный материал – это песок, который в качестве наполнителя образует основную составную часть формовочной смеси. Основные формовочные материалы, как правило, не выполняют функцию связующего материала.

Песок – это набор частиц, преимущественно размером 0,063 – 1,50 мм».

Основные формовочные материалы следует относить к промышленным минералам, которые в различной форме участвуют в производстве литых деталей. Промышленные минералы содержат в себе или являются основным компонентом:

формовочных материалов, формовочных красок, литейных прибылей и фильтров, огнеупорных материалов для печей и разливочных ковшей, средств для обработки при плавке и для обработки ковшей, шлифовальных средств для последующей обработки отливок.

Предотвращение дефектов отливки благодаря дальнейшему развитию формовочного песка

Прогрессирующее развитие отливок к концу XX столетия предъявило высокие требования к основным формовочным материалам, в особенности, в отношении снижения расходов на последующую обработку отливок путем предотвращения дефектов литья, которые выражаются чаще всего в дефектах расширения песка преимущественно в виде просечек формы. Дефекты расширения песка вызваны крайне сильным свойством температурного расширения кварцевого песка в диапазоне температур 200 - 600 °С, возникающих чаще всего при использовании органических связующих материалов.

Предотвращение возникновения данного дефекта стало важной задачей, особенно в литье автомобильных и гидравлических деталей, чему поспособствовало применение стержней холодного отверждения.

Начиная с 90-ых гг. компания «Hepworth Mineralien und Chemikalien GmbH» вывела на рынок Германии основной формовочный материал с незначительными характеристиками под названием специальный песок «J Sand». Его стали применять при изготовлении стержней холодного отверждения и для производства оболочкового песка. Другие основные формовочные компоненты, использующиеся для производства огнеупорных материалов, такие как андалузит и шамот, после соответствующей подготовки использовались для производства материалов для литья в корковые формы [3].

С помощью этих новых формовочных составов удалось в максимально возможной степени предотвращение возникновения дефектов расширения песка

В 1997 г. в [4] сообщается о разработке круглого керамического песка в Японии – Nagai Cerabeads. Такие очевидные преимущества этого основного формовочного материала, как уменьшенное линейное температурное расширение, высокая огнестойкость и превосходная текучесть, привели к внедрению данного песка в рецепты оболочкового песка, и нашли свое применение в литье гидравлических деталей.

В [5] опубликованы многочисленные результаты исследований по данному основному формовочному материалу.

С присоединением компании «Sibelco Foundry Material GmbH» (до 2001 г. – «Hepworth Mineralien und Chemikalien GmbH») к группе компаний «Hüttenes-Albertus» (2003 г.) появилась возможность предложить литейной промышленности разработанные обеими компаниями основные формовочные материалы с унифицированной маркировкой в виде специальных песков HA. К ним отноcятся песок J Sand, Kerphalite KF, Cerabeads, песок М Sand, песок R Sand и бокситовый песок [6].

Определение понятия «специальный песок»

Понятие «специальный песок» обобщает все промышленные минералы (кроме кварцевого песка), использующиеся в качестве основных формовочных материалов со стандартными литейными связующими материалами для изготовления стержней и форм.

Специальным формовочным песком являются природные минеральные пески, металлокерамические материалы и продукты плавления, изготовленные в гранулированной форме, либо приведенные в гранулированную форму в процессе дробления, размола и грохочения, либо возникшие в результате иных физико-химических процессов неорганические минеральные пески.

Специальный формовочный песок отличается от кварцевого песка, в частности, значительно сниженным свойством температурного расширения в температурном диапазоне 20 - 600 °С, теплопроводностью, огнестойкостью и иными физическими характеристиками.

Характеристики специального формовочного песка

Свойства температурного расширения

Вызванное температурой изменение длины твердого тела в соответствии с DIN 51 045 определено следующим образом:

«Твердые вещества под влиянием тепловой нагрузки подвержены изменениям своего объема, выраженном либо в увеличении (расширение), либо в уменьшении (сокращение) объема».

Величина, на которую тело изменяет свой объем при температурном изменении, является теплофизической константой материала.

Вызванное температурой изменение длины Δl является суммой обратимого температурного изменения длины, изменения длины из-за обратимых модификационных изменений и необратимой части изменения длины, вызванной материальным обменом, модификационным изменением, перекристаллизацией, образованием вязкотекучего состояния и кристаллизацией.

Вызванное температурой изменение длины Δl является изменением длины опытного образца от исходной длины lo при начальной температуре То (как правило, 20 °С) на длину lT при температуре Т.

Размером вызванного температурным воздействием изменения длины является коэффициент линейного расширения ɑ:

ɑ = Δl / (lo ∙ ΔT) мм/ мм ∙ К

Определение коэффициента линейного расширения осуществляется для определенного температурного интервала ΔT = 20 - 300 °С / 20 - 600 °С / 20 – 800 °С, определение относительного, по отношению к исходной длине, зависящего от температуры изменения длины (расширения) в % или в качестве графического изображения изменения длины в зависимости от температуры (кривая расширения).»

Основной формовочный материал кварц из-за своего свойства температурного расширения занимает особое положение среди основных формовочных материалов.

Рисунок 1. Кривая расширения основных формовочных материалов. Измеряемые величины: Кварцверк Фрешен, * Институт Йоханн-Фридрих-Бёттгер, испытательная лаборатория Зельб

С ростом температуры происходит преобразование структуры кварца из тригонального альфа—кварца в гексагональный бета-кварц при перемещаемой температуре преобразования 573 °С.

Дисплативное преобразование происходит быстро и является обратимым [7].

Решающим для возникновения дефектов расширения песка является высокий уровень температурного расширения кварца в температурном диапазоне 20 – 600 °С с расширением примерно 1,2%. У кварца самый высокий коэффициент линейного расширения среди всех известных основных формовочных материалов.

Таблица 1: Линейный коэффициент расширения основных формовочных материалов

Измеряемые величины: Кварцверк Фрешен, * Институт Йоханн-Фридрих-Бёттгер, испытательная лаборатория Зельб

Теплопроводность λ материала – это характеристическая величина скорости, с которой происходит транспортировка тепла в материале.

Теплопроводность определяется, как правило, так называемым стационарным методом на геометрически правильно исполненных испытываемых образцах, при этом проводится измерение температур в различных плоскостях, а также объемы тепла, проходящие через эти плоскости. Применяются геометрически простые образцы, такие как ровные плиты (пластинчатый метод) или полые цилиндры (трубчатый метод).

Проводится измерение температур Т1 и Т2 на расстоянии 1 плоскости q, через которую за единицу времени t вертикально плоскости q протекает постоянно одинаковое количество тепла Q.

Применяем формулу:

Измерения теплопроводности основных формовочных материалов со стационарной трубчатой аппаратурой абсолютным методом на несвязанных основных формовочных материалах (рисунок 2) и на пластинчатой измерительной аппаратуре на связанных фурановой смолой формовочных материалах (рисунок 3) в температурном диапазоне 100 - 1000 °С показывают постоянную тенденцию алюмосиликатного песка к более низким показателям, а тяжелых минералов, включая кварцевый песок к более высоким показателям.

Рисунок 2. Теплопроводность несвязанных основных формовочных материалов.

Рисунок 3. Теплопроводность основных формовочных материалов, связанных фурановой смолой (пластинчатый метод).

Термостойкость

Основные формовочные материалы, как правило, не имеют определенной точки плавления. До своего плавления происходит спекание /остекловывание.

Остекловывание основного формовочного материала происходит в зависимости от типа материала через разный по величине интервал. Начало и конец остекловывания, т.е. переход в стадию текучести или плавления, очень хорошо проследить через нагревательный микроскоп. С помощью определения начала остекловывания в соответствии с памяткой Общества немецких металлургов Р 26 можно точно определить только начало остекловывания, т.е. начало склеивания частиц [1].

Для характеристики способности основного формовочного материала выдерживать температурные нагрузки можно определить его температуру падения по конусу Зегера в соответствии с DIN EN 993-12 и DIN EN 993-13.

На рисунке 4 представлены характеристики остекловывания специального формовочного песка в нагревательном микроскопе при уровне нагрева 10К/мин.

Песок J благодаря своей полевошпатовой части демонстрирует типичные керамические характеристики остекловывания с началом остекловывания при 1175 °С, температурой плавления при 1480 °С и точке текучести при 1600 °С, в то время как более огнеупорные специальные пески демонстрируют окончание остекловывания выше максимальной измеряемой температуры 1740 °С.

Определенные значения для начала остекловывания, конца остекловывания в соответствии с методом испытаний Общества немецких металлургов в нагревательном микроскопе, а также температура падения конуса Зегера приводится в Таблице 2.

Таблица 2: Характеристики огнеупорности выбранного специального формовочного песка (Измерения: Начало остекловыания (Общество немецких металлургов) и температура падения конуса Зегера (Литейный институт технического контроля горной академии г. Фрайберг, ЕНМ, нагревательный микроскоп, компания «Amberger Kaolinwerke», Хиршау)

Рисунок 4. Характеристики остекловывания специального формовочного песка в нагревательном микроскопе

Причины использования специального формовочного песка

Использование специального формовочного песка для изготовления стержней и форм вместо кварцевого песка происходит по описанным выше причинам и на основании лучших, чем у кварцевого песка, физико-химических характеристик. При этом с учетом необходимых характеристик отливок можно воспользоваться более удачными характеристиками специального формовочного песка:

• Предотвращение дефектов расширения песка, в особенности просечек формы
• Исключение применения газообразующих добавок
• Предотвращение реакций металла и формовочного материала
• Предотвращение пенетрации
• Снижение веса стержней
• Улучшение текучести формовочного материала
• Влияние на создание структуры
• Литье тонкостенных отливок

Специальные пески HA

Под названием специальных формовочных песков НА литейной индустрии предлагаются следующие основные формовочные материалы:

Характеристики специального формовочного песка

Песок J

Kerphalite KF

 Nagai CerabeadsTM

Песок М

Бокситовый песок

Песок R

Шамот

SiC

Специальные формовочные пески и связующие вещества

У специальных формовочных песков различное происхождение, которое проявляется и в форме зерен и характеристиках поверхности. При помощи измерения водопоглощающей способности основного формовочного материала можно сделать выводы о пористости поверхности и, следовательно, о потребности в связующих веществах с целью достижения определенной стандартной прочности при изгибе.

В таблице 3 приводятся значения в процентах водопоглощающей способности/гигроскопичности специальных формовочных песков. Специальные формовочные пески, водопоглощающая способность которых превышает значение кварцевого песка Н32, имеют большую потребность в связующих веществах у маловязких связующих (низкотемпературная смола). Наряду с водопоглощающей способностью в качестве меры для определения имеющейся на поверхности пористости на связующую способность основного формовочного материала решающим образом влияют физических свойства поверхности зерен и рН-показатель.

Таблица 3. Водопоглощающая способность основного формовочного материала (измерение: литейный институт Технического университета Горной академии г. Фрайберг).

Наряду с водопоглощающей способностью в качестве меры для определения имеющейся на поверхности пористости на связующую способность основного формовочного материала решающим образом влияют физических свойства поверхности зерен и рН-показатель.

Благодаря особой структуре поверхности бокситового формовочного песка (рис. 5а) создается высокая сила сцепления со связующим материалом, благодаря чему можно уменьшить долю связующих веществ.

В таблице 4 приводятся стандартные показатели прочности на изгиб, определенные для систем холодного отверждения и низкотемпературной смолы, для бокситового песка.

Таблица 4. Предел прочности на изгиб в Н/см² бокситовой смолы – система холодного отверждения и низкотемпературная смола

Пригодность специальных формовочных песков для связующих, типичных в литейном производстве, приводится в таблице 5, при этом наиболее предпочтительный специальный формовочный песок стоит на первом месте.

Таблица 5. Применимость специальных формовочных песков в качестве основного формовочного материала

На рисунках 5a-5h изображена поверхность зерен специальных формовочных песков. Бокситовый песок имеет, к примеру, особую структуру поверхности (рис. 5а), структурообразование которой позволяет добиться высокой связующей способности применяемых связующих веществ, благодаря чему можно уменьшить долю связующего вещества. Поверхность зерен песка Naigai Cerabeads (рис. 5b) также имеет структуру, но на поверхности присутствует также пористость. А песок М, Kerphalite KF и песок J (рис. 5c-e) имеют относительно гладкую поверхность. Поверхность зерен песка R (рис. 5f) имеет обратно же структуру. Поверхности зерен шамота являются пористыми (рис. 5g), SiC имеет гладкие поверхности (рис. 5h).

Форма зерен специального формовочного песка приводится на рисунках 6a-h в виде коллекции зерен. Песок Naigai Cerabeads (рис. 6c) и бокситовый песок (рис. 6е) имеют круглую форму зерен, песок R (рис. 6f) – закругленную форму зерен, в то время как Kerphalite KF и песок М (рис. 6а и 6d), шамот и SIC (рис. 6g и 6h) имеют изломанную форму зерен.

Специальный формовочный песок и типы литья

Возможность применения специального формовочного песка для определенных типов литья определяется характеристиками огнестойкости и дефектами литья, которых следует избегать.

• Стальное литье: Из-за высокой температуры литья подходят все указанные типы специального формовочного песка кроме песка J. Специальный формовочный песок с высокими характеристиками огнестойкости отличается незначительной склонностью к реакции формовочной смеси и металла, благодаря чему у отливок, сильно подвергаемых термическим воздействиям, предотвращается образование пригара.
• Литье из серого чугуна: В литье для автомобильной промышленности задача состоит в том, чтобы исключить часто возникающую просечку формы. Формовочный песок J представляет собой, в данном случае, более предпочтительную альтернативу смесям системы холодного отверждения с газообразующими добавками. Для литья гидравлических узлов хорошо зарекомендовали себя песчаные смеси для корковой формы с содержанием Cerabeads (KeraCron®) и Kerphalite KF.
• Литье из цветных легких металлов: Специальный формовочный песок можно применять для воздействия на характер структуры отливок из цветных легких металлов (бокситовый песок, песок R). У филигранных стержней, представляющих собой решетку напряжения (например: стержни для водяных рубашек головок цилиндров) можно предотвратить образование трещин из-за внутренних напряжений в стержне благодаря добавлению специального формовочного песка (например: Cerabeads).
• Литье из цветных тяжелых металлов: Для тонкостенных отливок подходит специальный формовочный песок с незначительной теплопроводностью (Cerabeads, шамот, формовочный песок J) в сочетании с сильно изолированными оболочками формы.

В таблице 6 приводится применимость специальных формовочных песков для типов литья, при этом наиболее предпочтительный специальный формовочный песок для указанного типа литься стоит на первом месте.

Таблица 6. Применимость специальных формовочных песков для типов литья.

Выводы:

Немецкая литейная промышленность в ходе происходящей глобализации считается местом высоких технологий, чему также содействуют заводы-субпоставщики, поставляя высокотехнологичные материалы.

Описанные специальные формовочные пески представляют собой такие материалы, особые характеристики которых гарантируют реализацию нынешних сложных конструкций литья с незначительным затратами на дополнительную обработку.

Кроме того гарантируется наличие этих специальных формовочных песков, направленных специально на нужды изготовления стержней и форм.

Литература:

1. VDG-Taschenbuch 11. Formgrundstoffe. Giesserei-Verlag GmbH.
2. G. Engels. H. Wübbenhorst: 5000 Jahre Gießen von Metallen,Giesserei-Verlag.
3. Anonymous: Hommes et Fonderie, Octobre 1996, p. 37.
4. M. Matsubara: Giesserei 84 (1997). p. 33/35.
5. U. Recknagel. W. Tilch: Giesserei-Praxis. issues 8 & 9/2000. p.337/344 & 378/384.
6. Special Sands. a corporate publication of Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH.
7. O. W. Flörke: Fortschr. Mineral. Stuttgart. Juni 1997 Modifikationen des SiOz.
8. W. Tilch et al.: Giesserei 93. 08/2006. p. 12/24 Dipl.-Min. Ulrich Recknagel und Dipl-Ing. Martin Dahlmann. Hüttenes- Albertus Chemische Werke GmbH (03/2008).