Литье в песчаные формы , также известное как литье в песчаные формы , представляет собой процесс литья металла , характеризующийся использованием песка — известного как литейный песок — в качестве материала формы . Термин «литье в песчаные формы» может также относиться к объекту, произведенному с помощью процесса литья в песчаные формы. Литье в песчаные формы производится на специализированных заводах , называемых литейными цехами . В 2003 году более 60% всех отливок металла было произведено методом литья в песчаные формы. [1]
Формы из песка относительно дешевы и достаточно огнеупорны даже для использования в сталелитейном производстве. В дополнение к песку, с песком смешивается или встречается подходящий связующий агент (обычно глина). Смесь увлажняется, как правило, водой, но иногда и другими веществами, чтобы развить прочность и пластичность глины и сделать заполнитель пригодным для формования. Песок обычно содержится в системе рам или формовочных коробок, известных как опока . Полости формы и система литников создаются путем уплотнения песка вокруг моделей, называемых шаблонами , путем вырезания непосредственно в песке или с помощью 3D-печати .
Этот процесс состоит из пяти этапов:
Из предоставленного дизайнером проекта опытный модельщик строит модель объекта, который будет производиться, используя дерево, металл или пластик, такой как вспененный полистирол. Песок может быть измельчен, сметен или разбрызган в форме. Металл, который будет отлит, будет сжиматься во время затвердевания, и это может быть неравномерно из-за неравномерного охлаждения. Поэтому модель должна быть немного больше, чем готовое изделие, разница, известная как допуск на усадку . Для разных металлов используются разные масштабные правила, потому что каждый металл и сплав сжимается на величину, отличную от всех остальных. Модели также имеют отпечатки стержней, которые создают регистры внутри форм, в которые помещаются песчаные стержни . Такие стержни, иногда армированные проволокой, используются для создания подрезанных профилей и полостей, которые не могут быть отформованы с помощью крышки и перетаскивания, например, внутренние проходы клапанов или охлаждающие проходы в блоках двигателей.
Пути входа металла в полость формы составляют литниковую систему и включают литник , различные питатели, которые поддерживают хорошую «подачу» металла, и входные литники, которые прикрепляют литниковую систему к литейной полости. Газ и пар, образующиеся во время литья, выходят через проницаемый песок или через стояки , [примечание 1], которые добавляются либо в саму модель, либо в виде отдельных деталей.
Помимо шаблонов, формовщик мог также использовать инструменты для создания отверстий.
Многосекционная формовочная коробка (известная как литейная опока , верхняя и нижняя половины которой известны соответственно как верхняя и нижняя часть) подготавливается для получения модели. Формовочные коробки изготавливаются в сегментах, которые могут быть защелкнуты друг с другом и с торцевыми крышками. Для простого объекта — плоского с одной стороны — нижняя часть коробки, закрытая снизу, будет заполнена формовочным песком. Песок утрамбовывается посредством вибрационного процесса, называемого трамбовкой, и в этом случае периодически выравнивается . Поверхность песка затем может быть стабилизирована с помощью проклеивающего состава. Модель помещается на песок, и добавляется другой сегмент формовочной коробки. Дополнительный песок трамбуется поверх и вокруг модели. Наконец, на коробку помещается крышка, она поворачивается и отпирается, так что половинки формы могут быть разделены, а модель с ее литниковыми и вентиляционными моделями удалены. Может быть добавлена дополнительная проклейка, и любые дефекты, внесенные удалением модели, исправлены. Коробка снова закрывается. Это формирует «зеленую» форму, которую необходимо высушить, чтобы принять горячий металл. Если форма недостаточно высушена, может произойти паровой взрыв, который может разбрызгивать расплавленный металл. В некоторых случаях песок может быть смазан вместо увлажнения, что позволяет производить литье, не дожидаясь высыхания песка. Песок также может быть связан химическими связующими, такими как фурановые смолы или смолы, отвержденные аминами.
Аддитивное производство (AM) может использоваться при подготовке песчаной формы, так что вместо того, чтобы формировать песчаную форму путем уплотнения песка вокруг шаблона, она печатается на 3D-принтере. Это может сократить время выполнения литья, исключая изготовление шаблонов. [3] Помимо замены старых методов, аддитивное производство может также дополнять их в гибридных моделях, например, создавая различные AM-печатные стержни для полости, полученной из традиционного шаблона. [3]
Для управления структурой затвердевания металла можно поместить в форму металлические пластины, кокили . Связанное с этим быстрое локальное охлаждение сформирует более мелкозернистую структуру и может сформировать несколько более твердый металл в этих местах. В черных отливках эффект аналогичен закалке металлов в кузнечном деле. Внутренний диаметр цилиндра двигателя затвердевает с помощью охлаждающего сердечника. В других металлах кокили могут использоваться для содействия направленному затвердеванию отливки. Управляя способом застывания отливки, можно предотвратить образование внутренних пустот или пористости внутри отливок.
Стержни — это устройства, используемые для создания полостей или внутренних элементов, которые невозможно сформировать с помощью одной только модели при формовке. Стержни обычно изготавливаются из песка, но в некоторых процессах также используются постоянные стержни из металла.
Для создания полостей в отливке, например, для жидкостного охлаждения в блоках двигателя и головках цилиндров, используются негативные формы для производства стержней . Обычно стержни, отлитые в песок, вставляются в литейную коробку после удаления модели. По возможности, разрабатываются конструкции, которые избегают использования стержней из-за дополнительного времени настройки, массы и, следовательно, большей стоимости.
После завершения формы с соответствующим содержанием влаги ящик с песчаной формой затем устанавливается для заполнения расплавленным металлом — обычно железом , сталью , бронзой , латунью , алюминием , магниевыми сплавами или различными сплавами горшечных металлов , которые часто включают свинец , олово и цинк . После заполнения жидким металлом ящик отставляют в сторону, пока металл не остынет достаточно, чтобы стать прочным. Затем песок удаляют, обнажая грубую отливку, которая в случае железа или стали может все еще светиться красным. В случае металлов, которые значительно тяжелее литейного песка, таких как железо или свинец, литейную опоку часто накрывают тяжелой пластиной, чтобы предотвратить проблему, известную как всплывание формы. Всплытие формы происходит, когда давление металла выталкивает песок над полостью формы из формы, в результате чего отливка выходит из строя.
После литья стержни разбиваются стержнями или дробью и удаляются из отливки. Металл из литника и стояков вырезается из черновой отливки. Различные виды термической обработки могут применяться для снятия напряжений от первоначального охлаждения и для придания твердости — в случае стали или железа, путем закалки в воде или масле. Отливка может быть дополнительно укреплена поверхностной обработкой компрессионным способом — например, дробеструйной обработкой — которая добавляет устойчивость к растрескиванию при растяжении и сглаживает шероховатую поверхность. А когда требуется высокая точность, производятся различные операции по обработке (например, фрезерование или расточка) для отделки критических участков отливки. Примерами этого могут служить расточка цилиндров и фрезерование палубы на литом блоке двигателя.
Изготавливаемая деталь и ее шаблон должны быть спроектированы с учетом каждого этапа процесса, так как должна быть возможность извлечения шаблона без нарушения формовочного песка и иметь надлежащие места для приема и позиционирования стержней. Небольшой скос, известный как уклон , должен использоваться на поверхностях, перпендикулярных линии разъема, чтобы иметь возможность извлечь шаблон из формы. Это требование также относится к стержням, так как они должны быть извлечены из стержневого ящика, в котором они формируются. Литник и стояки должны быть расположены так, чтобы обеспечить надлежащий поток металла и газов внутри формы, чтобы избежать неполной отливки. Если часть стержня или формы сместится, она может быть внедрена в окончательную отливку, образуя песчаную яму , что может сделать отливку непригодной для использования. Газовые карманы могут привести к внутренним пустотам. Они могут быть видны сразу или могут быть обнаружены только после выполнения обширной механической обработки. Для критических применений или там, где стоимость потраченных впустую усилий является фактором, могут применяться методы неразрушающего контроля перед выполнением дальнейших работ.
В целом можно выделить два метода литья в песчаные формы: первый — с использованием сырого песка , а второй — метод отверждения на воздухе .
Эти отливки производятся с использованием песчаных форм, сформированных из «мокрого» песка, который содержит воду и органические связующие соединения, обычно называемые глиной. Название «зеленый песок» происходит от того факта, что песчаная форма не «застыла», она все еще находится в «зеленом» или неотвержденном состоянии, даже когда металл заливается в форму. Зеленый песок не зеленый по цвету, но «зеленый» в том смысле, что он используется во влажном состоянии (похоже на зеленое дерево). Вопреки тому, что предполагает название , «зеленый песок» сам по себе не является типом песка (то есть не является зеленым песком в геологическом смысле), а скорее представляет собой смесь:
Существует множество рецептов пропорции глины, но все они обеспечивают разный баланс между формуемостью, отделкой поверхности и способностью горячего расплавленного металла к дегазации . Уголь, обычно называемый в литейном производстве морским углем , который присутствует в соотношении менее 5%, частично сгорает в присутствии расплавленного металла, что приводит к выделению органических паров. Литье в зеленые песчаные формы для цветных металлов не использует угольные добавки, поскольку образующийся CO не предотвращает окисление. В зеленом песке для алюминия обычно используется оливиновый песок (смесь минералов форстерита и фаялита , которая производится путем дробления дунитовой породы).
Выбор песка во многом зависит от температуры, при которой льют металл. При температурах, при которых льют медь и железо, глина дезактивируется под воздействием тепла, в результате чего монтмориллонит превращается в иллит , который является нерасширяющейся глиной. Большинство литейных цехов не имеют очень дорогого оборудования для удаления выжженной глины и замены ее новой глиной, поэтому вместо этого те, кто льет чугун, обычно работают с кварцевым песком, который стоит недорого по сравнению с другими песками. По мере выгорания глины добавляется новый смешанный песок, а часть старого песка выбрасывается или перерабатывается для других целей. Кремнезем является наименее желательным из всех песков, поскольку метаморфические зерна кварцевого песка имеют тенденцию взрываться, образуя частицы субмикронного размера при термическом ударе во время заливки форм. Эти частицы попадают в воздух рабочей зоны и могут привести к силикозу у рабочих. Чугунолитейные цеха тратят значительные усилия на агрессивный сбор пыли для улавливания этого тонкого кремнезема. В литейных цехах также используются различные типы средств защиты органов дыхания. [4] [5]
Песок также имеет размерную нестабильность, связанную с преобразованием кварца из альфа-кварца в бета-кварц при 680 °C (1250 °F). Часто добавляются горючие добавки, такие как древесная мука, чтобы создать пространство для расширения зерен без деформации формы. Оливин , хромит и т. д. используются, потому что у них нет фазового перехода , который вызывает быстрое расширение зерен. Оливин и хромит также обладают большей плотностью, что быстрее охлаждает металл, тем самым создавая более мелкозернистые структуры в металле. Поскольку они не являются метаморфическими минералами , у них нет поликристаллов, обнаруженных в кремнеземе , и, следовательно, они не образуют опасных субмикронных частиц.
Метод воздушного отверждения использует сухой песок, связанный с материалами, отличными от глины, с использованием быстротвердеющего клея . Последнее также может называться литьем без обжига . Когда они используются, их собирательно называют литьем в песчаные формы «воздушного отверждения», чтобы отличать их от литья в «зеленый песок». Два типа формовочного песка — это природный связанный (береговой песок) и синтетический (озерный песок); последний, как правило, предпочтительнее из-за его более однородного состава.
В обоих методах песчаная смесь набивается вокруг шаблона , образуя полость формы. При необходимости в песок помещается временная пробка, которая касается шаблона, чтобы позже сформировать канал, в который можно залить литьевую жидкость. Формы с воздушным отверждением часто формируются с помощью литейной опоки, имеющей верхнюю и нижнюю части, называемые крышкой и волоком . Песчаная смесь утрамбовывается по мере добавления вокруг шаблона, а окончательная сборка формы иногда подвергается вибрации для уплотнения песка и заполнения любых нежелательных пустот в форме. Затем шаблон удаляется вместе с заглушкой канала, оставляя полость формы. Затем литьевая жидкость (обычно расплавленный металл) заливается в полость формы. После того, как металл затвердеет и остынет, отливка отделяется от песчаной формы. Обычно нет разделительного средства для формы, и форма, как правило, разрушается в процессе удаления. [6]
Точность литья ограничена типом песка и процессом формования. Отливки в песчаные формы из крупнозернистого зеленого песка придают поверхности грубую текстуру, и это позволяет их легко идентифицировать. Отливки из мелкозернистого зеленого песка могут блестеть как отлитые, но ограничены соотношением глубины и ширины карманов в модели. Формы с воздушной фиксацией могут производить отливки с более гладкими поверхностями, чем из крупнозернистого зеленого песка, но этот метод в первую очередь выбирают, когда необходимы глубокие узкие карманы в модели из-за стоимости пластика, используемого в процессе. Отливки с воздушной фиксацией обычно можно легко определить по обожженному цвету на поверхности. Отливки обычно подвергаются дробеструйной очистке для удаления этого обожженного цвета. Поверхности также могут быть позже отшлифованы и отполированы, например, при изготовлении большого колокола . После формования отливка покрывается остатком оксидов, силикатов и других соединений. Этот остаток можно удалить различными способами, такими как шлифование или дробеструйная обработка.
Во время литья некоторые компоненты песчаной смеси теряются в процессе термического литья. Зеленый песок можно использовать повторно после корректировки его состава для восполнения потерянной влаги и добавок. Саму модель можно использовать повторно неограниченное количество раз для производства новых песчаных форм. Процесс песчаной формовки использовался в течение многих столетий для производства отливок вручную. С 1950 года были разработаны частично автоматизированные процессы литья для производственных линий.
Cold box использует органические и неорганические связующие вещества, которые укрепляют форму, химически прилипая к песку. Этот тип формы получил свое название от того, что не выпекается в печи, как другие типы песчаных форм. Этот тип формы более точен по размерам, чем формы из зеленого песка, но он более дорогой. Таким образом, он используется только в тех случаях, когда это необходимо.
Формы без обжига — это одноразовые песчаные формы, похожие на типичные песчаные формы, за исключением того, что они также содержат быстрозастывающую жидкую смолу и катализатор. Вместо того, чтобы утрамбовывать, формовочный песок заливается в опоку и выдерживается до тех пор, пока смола не затвердеет, что происходит при комнатной температуре. Этот тип формования также обеспечивает лучшую отделку поверхности, чем другие типы песчаных форм. [7] Поскольку не используется тепло, он называется процессом холодного отверждения. Обычными материалами для опок являются дерево, металл и пластик. Обычными металлами, отливаемыми в формы без обжига, являются латунь, железо ( черные металлы ) и алюминиевые сплавы.
Вакуумная формовка ( V-процесс ) — это разновидность процесса литья в песчаные формы для большинства черных и цветных металлов, [8] при котором несвязанный песок удерживается в опоке с помощью вакуума . Модель специально вентилируется, чтобы через нее можно было продуть вакуум. Размягченный при нагревании тонкий лист (0,003–0,008 дюйма (0,076–0,203 мм)) пластиковой пленки накидывается на модель и создается вакуум (200–400 мм рт. ст. (27–53 кПа)). Специальная вакуумная формовочная опока помещается поверх пластиковой модели и заполняется сыпучим песком. Песок вибрирует для уплотнения песка, а в крышке формируются литник и заливочная чаша. Другой лист пластика помещается поверх песка в опоке и через специальную опоку создается вакуум; это затвердевает и укрепляет несвязанный песок. Затем вакуум сбрасывается на модели, и крышка удаляется. Драг изготавливается таким же образом (без литника и заливочной чаши). Все стержни устанавливаются на место, и форма закрывается. Расплавленный металл заливается, пока крышка и драг все еще находятся под вакуумом, потому что пластик испаряется, но вакуум сохраняет форму песка, пока металл затвердевает. Когда металл затвердевает, вакуум отключается, и песок свободно вытекает, освобождая отливку. [9] [10]
Известно, что V-процесс не требует осадки, поскольку пластиковая пленка обладает определенной степенью смазывающей способности и слегка расширяется при создании вакуума в колбе. Процесс имеет высокую точность размеров с допуском ±0,010 дюйма для первого дюйма и ±0,002 дюйма/дюйм после этого. Возможны поперечные сечения размером до 0,090 дюйма (2,3 мм). Качество поверхности очень хорошее, обычно от 150 до 125 RMS . К другим преимуществам относятся отсутствие дефектов, связанных с влажностью, отсутствие затрат на связующие вещества, отличная проницаемость песка и отсутствие токсичных паров от сжигания связующих веществ. Наконец, модель не изнашивается, поскольку песок не касается ее. Главным недостатком является то, что этот процесс медленнее традиционного литья в песчаные формы, поэтому он подходит только для малых и средних объемов производства; примерно от 10 до 15 000 изделий в год. Однако это делает его идеальным для работы с прототипами, поскольку модель можно легко модифицировать, поскольку она сделана из пластика. [9] [10] [11]
С быстрым развитием автомобиле- и машиностроения потребляющие литье области потребовали постоянного повышения производительности . Основные этапы процесса механического формования и литья аналогичны тем, которые описаны в ручном процессе литья в песчаные формы. Однако техническое и умственное развитие было настолько быстрым и глубоким, что характер процесса литья в песчаные формы радикально изменился.
Первые механизированные формовочные линии состояли из пескоразбрасывателей и/или устройств для встряхивания-сдавливания, которые уплотняли песок в опоках. Последующее обращение с формами было механическим с использованием кранов, подъемников и ремней. После установки стержней крышки и волоки соединялись с помощью направляющих штифтов и зажимались для большей точности. Формы вручную выталкивались на роликовый конвейер для литья и охлаждения.
Растущие требования к качеству потребовали повышения стабильности формы путем применения постоянно более высокого давления сжатия и современных методов уплотнения песка в опоках. В начале пятидесятых годов было разработано литье под высоким давлением , которое применялось в механических, а позднее и автоматических линиях для опок. Первые линии использовали тряску и вибрации для предварительного уплотнения песка в опоках и поршни с пневматическим приводом для уплотнения форм.
В первых автоматических горизонтальных опочных линиях песок выстреливался или сбрасывался на модель в опоке и сжимался гидравлическим давлением до 140 бар . Последующая обработка формы, включая переворачивание, сборку, выталкивание на конвейере, выполнялась вручную или автоматически. В конце пятидесятых годов для уплотнения песка в опоках использовались гидравлические поршни или многопоршневые системы. Этот метод производил гораздо более стабильные и точные формы, чем это было возможно вручную или пневматически . В конце шестидесятых годов было разработано уплотнение формы путем быстрого перепада давления воздуха или газа над предварительно уплотненной песчаной формой (песчаный импульс и газовый удар). Общий принцип работы большинства систем горизонтальной опочной линии показан на схеме ниже.
Сегодня существует множество производителей автоматических линий горизонтальной формовки опок. Основными недостатками этих систем являются большой расход запасных частей из-за большого количества подвижных частей, необходимость хранения, транспортировки и обслуживания опок, а также ограниченная производительность около 90–120 форм в час.
В 1962 году Dansk Industri Syndikat A/S (DISA- DISAMATIC ) изобрела процесс формовки без опок с использованием вертикально разделенных и залитых форм. Первая линия могла производить до 240 полных песчаных форм в час. Сегодня формовочные линии могут достигать скорости формовки 550 песчаных форм в час и требуют только одного оператора-контролера. Максимальное несоответствие двух половин формы составляет 0,1 мм (0,0039 дюйма). Хотя вертикально разделенные формы очень быстрые, они обычно не используются литейными цехами из-за специализированного инструмента, необходимого для работы на этих машинах. Стержни необходимо устанавливать с помощью маски стержня, а не вручную, и они должны висеть в форме, а не устанавливаться на разделительной поверхности.
Принцип matchplate, то есть модельных плит с двумя шаблонами на каждой стороне одной плиты, был разработан и запатентован в 1910 году, что открыло перспективы для будущих усовершенствований песчаной формовки. Однако сначала в начале шестидесятых годов американская компания Hunter Automated Machinery Corporation запустила свою первую автоматическую безопочную горизонтальную формовочную линию, применяющую технологию matchplate.
Метод, аналогичный вертикальному формованию DISA (DISAMATIC), является безопочным, однако горизонтальным. Технология формования с помощью литьевых плит сегодня широко используется. Ее большим преимуществом является недорогая модельная оснастка, простота смены литьевых инструментов, поэтому она подходит для производства отливок короткими сериями, что типично для литейных цехов. Современная машина для формования с помощью литьевых плит обеспечивает высокое качество формовки, меньшее смещение литья из-за несоответствия машины и формы (в некоторых случаях менее 0,15 мм (0,0059 дюйма)), стабильно стабильные формы для меньшего шлифования и улучшенное определение линии разъема. Кроме того, машины закрыты для более чистой и тихой рабочей среды с уменьшенным воздействием на оператора рисков безопасности или проблем, связанных с обслуживанием.
С автоматизированным производством пресс-форм появились дополнительные требования по безопасности на рабочем месте. В зависимости от геополитической юрисдикции, где будет использоваться оборудование, применяются различные добровольные технические стандарты .
В Канаде нет добровольного технического стандарта для машин, изготавливающих песчаные формы. Этот тип машин охватывается:
Защита машин, CSA Z432. Канадская ассоциация стандартов. 2016.
Кроме того, требования электробезопасности регламентируются:
Промышленное электрооборудование, CSA C22.2 № 301. 2016.
Основным стандартом для оборудования для производства песчаных форм в ЕС является: Требования безопасности для литейных формовочных и стержневых машин и связанного с ними оборудования, EN 710. Европейский комитет по стандартизации (CEN).
EN 710 необходимо использовать совместно с EN 60204-1 для электробезопасности и EN ISO 13849-1 и EN ISO 13849-2 или EN 62061 для функциональной безопасности. Дополнительные стандарты типа C также могут быть необходимы для конвейеров, робототехники или другого оборудования, которое может потребоваться для поддержки работы оборудования для изготовления форм.
Не существует стандарта, специфичного для машин, для оборудования для производства песчаных форм. Семейство стандартов ANSI B11 включает некоторые общие стандарты для станков, которые могут применяться к этому типу машин, включая:
Для изготовления песчаной литейной формы используются четыре основных компонента: базовый песок , связующее вещество , добавки и разделительный состав .
Формовочные пески , также известные как литейные пески , определяются восемью характеристиками: огнеупорность, химическая инертность, проницаемость, качество поверхности, связность, текучесть, разрушаемость и доступность/стоимость. [13]
Огнеупорность — это способность песка выдерживать температуру жидкого металла, отливаемого без разрушения. Например, некоторые пески должны выдерживать только 650 °C (1202 °F) при литье алюминиевых сплавов, тогда как для стали нужен песок, который выдержит 1500 °C (2730 °F). Песок со слишком низкой огнеупорностью расплавится и прилипнет к отливке. [13]
Химическая инертность — Песок не должен реагировать с отливаемым металлом. Это особенно важно для высокореактивных металлов, таких как магний и титан . [13]
Проницаемость — это относится к способности песка отводить газы. Это важно, потому что в процессе заливки образуется много газов, таких как водород , азот , углекислый газ и пар , которые должны покинуть форму, в противном случае в отливке возникают дефекты литья , такие как газовые раковины и дырки. Обратите внимание, что на каждый кубический сантиметр (см3) воды, добавленной в форму, образуется 1600 см3 пара. [13]
Отделка поверхности — Размер и форма частиц песка определяют наилучшую достижимую отделку поверхности, при этом более мелкие частицы обеспечивают лучшую отделку. Однако по мере того, как частицы становятся мельче (и отделка поверхности улучшается), проницаемость ухудшается. [13]
Сцепляемость (или связь ) — это способность песка сохранять заданную форму после удаления рисунка. [14]
Текучесть – способность песка проникать в сложные детали и узкие углы без специальных процессов или оборудования. [15]
Сминаемость — это способность песка легко отделяться от отливки после затвердевания. Песок с плохой сминаемостью будет прочно прилипать к отливке. При литье металлов, которые сильно сжимаются при охлаждении или при длительных диапазонах температур замерзания, песок с плохой сминаемостью вызовет трещины и горячие разрывы в отливке. Для улучшения сминаемости можно использовать специальные добавки. [15]
Доступность/стоимость — Доступность и стоимость песка очень важны, поскольку на каждую тонну отлитого металла требуется от трех до шести тонн песка. [15] Хотя песок можно просеивать и использовать повторно, частицы со временем становятся слишком мелкими и требуют периодической замены свежим песком. [16]
В крупных отливках экономично использовать два разных песка, потому что большая часть песка не будет контактировать с отливкой, поэтому ему не нужны какие-либо особые свойства. Песок, который контактирует с отливкой, называется облицовочным песком и предназначен для литья под рукой. Этот песок будет наращиваться вокруг модели до толщины от 30 до 100 мм (от 1,2 до 3,9 дюйма). Песок, который заполняет пространство вокруг облицовочного песка, называется подкладочным песком . Этот песок представляет собой просто кварцевый песок с небольшим количеством связующего вещества и без специальных добавок. [17]
Базовый песок — это тип, используемый для изготовления формы или стержня без какого-либо связующего вещества. Поскольку в нем нет связующего вещества, он не будет связываться и в таком состоянии непригоден для использования. [15]
Силикатный (SiO 2 ) песок — это песок, который можно найти на пляже, а также наиболее часто используемый песок. Его либо изготавливают путем дробления песчаника , либо добывают из природных мест, таких как пляжи и русла рек. Температура плавления чистого кремнезема составляет 1760 °C (3200 °F), однако используемые пески имеют более низкую температуру плавления из-за примесей. Для литья с высокой температурой плавления, например, стали, необходимо использовать кварцевый песок чистотой не менее 98%; однако для металлов с более низкой температурой плавления, таких как чугун и цветные металлы, можно использовать песок более низкой чистоты (от 94 до 98%). [15]
Кварцевый песок является наиболее часто используемым песком из-за его большого распространения и, таким образом, низкой стоимости (в этом его самое большое преимущество). Его недостатками являются высокое тепловое расширение , которое может вызвать дефекты литья с металлами с высокой температурой плавления, и низкая теплопроводность , что может привести к некачественному литью. Его также нельзя использовать с некоторыми основными металлами, поскольку он будет химически взаимодействовать с металлом, образуя поверхностные дефекты. Наконец, он выделяет частицы кремнезема во время заливки, что может привести к силикозу у литейщиков. [18]
Оливин представляет собой смесь ортосиликатов железа и магния из минерала дунита . Его главное преимущество в том, что он свободен от кремния, поэтому его можно использовать с основными металлами, такими как марганцевые стали. Другие преимущества включают низкое тепловое расширение, высокую теплопроводность и высокую температуру плавления. Наконец, он безопаснее в использовании, чем кремний, поэтому он популярен в Европе. [18]
Хромитовый песок представляет собой твердый раствор шпинелей . Его преимуществами являются низкий процент кремнезема, очень высокая температура плавления (1850 °C (3360 °F)) и очень высокая теплопроводность. Его недостатком является его дороговизна, поэтому его используют только при литье дорогостоящей легированной стали и для изготовления стержней. [18]
Цирконовый песок представляет собой соединение примерно двух третей оксида циркония (ZrO 2 ) и одной трети кремнезема. Он имеет самую высокую температуру плавления среди всех базовых песков при 2600 °C (4710 °F), очень низкое тепловое расширение и высокую теплопроводность. Благодаря этим хорошим свойствам он обычно используется при литье легированных сталей и других дорогих сплавов. Он также используется в качестве заливки формы (покрытия, наносимого на полость формы) для улучшения отделки поверхности. Однако он дорогой и не всегда доступен. [18]
Шамот производится путем обжига огнеупорной глины (Al 2 O 3 -SiO 2 ) при температуре выше 1100 °C (2010 °F). Его точка плавления составляет 1750 °C (3180 °F), и он имеет низкое тепловое расширение. Это второй по дешевизне песок, однако он все еще вдвое дороже кремнезема. Его недостатками являются очень крупные зерна, что приводит к плохой отделке поверхности, и он ограничен формованием в сухой песок. Для решения проблем с отделкой поверхности используются промывки форм. Этот песок обычно используется при литье крупных стальных заготовок. [18] [19]
В базовый песок добавляются связующие вещества , которые связывают частицы песка между собой (то есть именно клей удерживает форму вместе).
Смесь глины и воды является наиболее часто используемым связующим веществом. Существует два типа глины, которые обычно используются: бентонит и каолинит , причем первый является наиболее распространенным. [20]
Масла, такие как льняное масло , другие растительные масла и морские масла , раньше использовались в качестве связующего, однако из-за их растущей стоимости они были в основном сняты с производства. Масло также требовало осторожного обжига при температуре от 100 до 200 °C (от 212 до 392 °F) для затвердевания (при перегреве масло становится хрупким, что приводит к порче формы). [21]
Связующие смолы — это натуральные или синтетические смолы с высокой температурой плавления . Два наиболее распространенных типа смол — это мочевиноформальдегидные (UF) и фенолформальдегидные (PF) смолы. Смолы PF обладают более высокой термостойкостью, чем смолы UF, и стоят дешевле. Существуют также смолы холодного отверждения, в которых для отверждения связующего используется катализатор вместо тепла. Связующие смолы довольно популярны, поскольку путем смешивания с различными добавками можно добиться различных свойств. Другие преимущества включают хорошую сминаемость, низкое газообразование и хорошую отделку поверхности на отливке. [21]
МДИ (метилендифенилдиизоцианат) также является широко используемой связующей смолой в процессе изготовления литейных стержней.
Жидкое стекло ( силикат натрия [Na 2 SiO 3 или (Na 2 O)(SiO 2 )] ) представляет собой высокопрочное связующее вещество, используемое с формовочным песком из кварца как для стержней, так и для форм. [22] : 69–70 Для отверждения смеси тонкоизмельченного песка (например, с помощью песочной мульчера) и 3–4 % силиката натрия в качестве связующего вещества используется углекислый газ (CO 2 ). [22] : 69–70 Смесь подвергается воздействию газа при температуре окружающей среды, реагируя следующим образом: [22] : 69–70
Преимущество этого связующего в том, что его можно использовать при комнатной температуре и он быстрый. Недостатком является то, что его высокая прочность приводит к трудностям с выбивкой и возможным горячим разрывам (вероятно, из-за инверсии кварца [ необходима цитата ] ) в отливке. [21] [22] : 70 Смешанный силикат натрия и песок также можно нагреть с помощью термофена для достижения лучшей жесткости.
В формовочные компоненты вводятся добавки для улучшения: качества поверхности, прочности в сухом состоянии, огнеупорности и «амортизирующих свойств».
До 5% восстановителей , таких как угольный порошок, пек , креозот и мазут , могут быть добавлены в формовочный материал для предотвращения смачивания (предотвращения прилипания жидкого металла к частицам песка, таким образом оставляя их на поверхности литья), улучшения отделки поверхности, уменьшения проникновения металла и дефектов пригара. Эти добавки достигают этого путем создания газов на поверхности полости формы, которые предотвращают прилипание жидкого металла к песку. Восстановители не используются при литье стали, потому что они могут науглероживать металл во время литья. [23]
До 3% «амортизирующего материала», такого как древесная мука, опилки , порошкообразная шелуха , торф и солома , можно добавлять для уменьшения образования корок , горячих разрывов и горячих трещин при литье высокотемпературных металлов. Эти материалы полезны, поскольку выгорание при заливке металла создает крошечные пустоты в форме, позволяя частицам песка расширяться. Они также повышают сминаемость и сокращают время выбивки. [23]
До 2% зерновых связующих , таких как декстрин , крахмал , сульфитный щелок и патока , можно использовать для повышения прочности в сухом состоянии (прочности формы после отверждения) и улучшения отделки поверхности. Зерновые связующие также улучшают сминаемость и сокращают время выбивки, поскольку они сгорают при заливке металла. Недостатком зерновых связующих является их дороговизна. [23]
До 2% порошка оксида железа можно использовать для предотвращения растрескивания формы и проникновения металла, что существенно улучшает огнеупорность. Кремниевая мука (тонкий кремнезем) и цирконовая мука также улучшают огнеупорность, особенно в литье черных металлов. Недостатком этих добавок является то, что они значительно снижают проницаемость. [23]
Чтобы извлечь модель из формы, перед литьем на модель наносится разделительный состав для облегчения удаления. Они могут быть жидкими или мелкими порошками (диаметр частиц от 75 до 150 микрометров (0,0030 и 0,0059 дюйма)). Обычные порошки включают тальк , графит и сухой кремнезем; обычные жидкости включают минеральное масло и водные растворы кремния. Последние чаще используются с металлическими и большими деревянными моделями. [24]
Глиняные формы использовались в Древнем Китае со времен династии Шан ( ок. 1600-1046 гг. до н. э.). Знаменитый дин Хоумуву (ок. 1300 г. до н. э.) был изготовлен с помощью глиняной формовки.
Ассирийский царь Сеннахирим (704–681 гг. до н . э.) отливал массивные бронзовые изделия весом до 30 тонн и утверждает, что был первым, кто использовал глиняные формы вместо метода «выплавляемого воска»: [25]
В то время как в прежние времена цари, мои предки, создавали бронзовые статуи, имитирующие реальные формы, чтобы выставлять их в своих храмах, но в своем методе работы они истощили всех мастеров, из-за недостатка мастерства и непонимания принципов им требовалось так много масла, воска и сала для работы, что они вызвали нехватку в своих собственных странах, - я, Сеннахирим, глава всех князей, сведущий во всех видах работы, принимал много советов и глубоко думал, выполняя эту работу. Большие колонны из бронзы, колоссальные шагающие львы, такие, каких ни один предыдущий царь никогда не создавал до меня, с техническим мастерством, которое Нинушки довел до совершенства во мне, и по подсказке моего разума и желания моего сердца я изобрел технику для бронзы и сделал ее искусно. Я создал глиняные формы, как будто божественным разумом... двенадцать свирепых львов-колоссов вместе с двенадцатью могучими быками-колоссами, которые были идеальными отливками... Я лил в них медь снова и снова; Я отлил их так искусно, как будто они весили всего полшекеля каждая.
В 1206 году Исмаил аль-Джазари впервые описал литье металлов в закрытых формовочных ящиках с песком . [26] [27] Метод литья в песчаные формы был описан Ваноччо Бирингуччо в его книге, опубликованной около 1540 года.
В 1924 году Ford Motor Company установила рекорд, выпустив 1 миллион автомобилей, при этом потребляя треть всего литья, производимого в США. По мере роста автомобильной промышленности росла и потребность в повышении эффективности литья. Растущий спрос на литье в растущей автомобильной и машиностроительной промышленности во время и после Первой и Второй мировых войн стимулировал новые изобретения в области механизации и последующей автоматизации технологии литья в песчаные формы.
Не было одного узкого места для более быстрого производства литья, а скорее нескольких. Были внесены улучшения в скорость формовки, подготовку формовочной смеси, смешивание песка , процессы изготовления стержней и медленную скорость плавки металла в вагранках . В 1912 году американская компания Beardsley & Piper изобрела пескоразбрасыватель . В 1912 году компания Simpson выпустила на рынок первый смеситель песка с индивидуально установленными вращающимися плугами . В 1915 году начались первые эксперименты с бентонитовой глиной вместо простой огнеупорной глины в качестве связующей добавки к формовочной смеси. Это значительно увеличило сырую и сухую прочность форм. В 1918 году был запущен в эксплуатацию первый полностью автоматизированный литейный завод по изготовлению ручных гранат для армии США . В 1930-х годах в США была установлена первая высокочастотная тигельная электрическая печь . В 1943 году был изобретен ковкий чугун путем добавления магния к широко используемому серому чугуну . В 1940 году термическая регенерация песка была применена для формовочных и стержневых песков. В 1952 году был разработан «D-процесс» для изготовления оболочковых форм с мелким предварительно покрытым песком. В 1953 году был изобретен процесс получения стержневой смеси в горячем ящике, в котором стержни подвергаются термическому отверждению. В 1954 году появилось новое связующее вещество для стержней — жидкое стекло (силикат натрия), отверждаемое CO2 из окружающего воздуха .
В 2010-х годах аддитивное производство стало применяться для подготовки песчаных форм в коммерческом производстве; вместо того, чтобы формировать песчаную форму путем уплотнения песка вокруг шаблона, ее печатают на 3D-принтере.
