Литье в песчаные формы - Sand casting

Cope & drag (верхняя и нижняя половины песчаной формы) с сердечниками на месте на трапе
Два комплекта отливок (бронза и алюминий) из указанной выше песчаной формы.

Литье в песчаные формы , также известное как литье в песчаные формы , представляет собой процесс литья металла, характеризующийся использованием песка в качестве материала формы . Термин «литье в песчаные формы» также может относиться к объекту, полученному в процессе литья в песчаные формы. Отливки в песчаные формы производятся на специализированных заводах, называемых литейными . Более 60% всех металлических отливок производятся методом литья в песчаные формы.

Формы из песка относительно дешевы и достаточно тугоплавкие даже для сталелитейного производства. В дополнение к песку, подходящий связующий агент (обычно глина) смешивается или встречается с песком. Смесь смачивают, обычно водой, но иногда и другими веществами, чтобы повысить прочность и пластичность глины и сделать заполнитель пригодным для формования. Песок обычно содержится в системе рам или формовочных ящиков, известной как колба . В полости пресс - формы и системы ворот создаются путем уплотнения песка вокруг моделей под названием узоры , вырезая непосредственно в песок, или с помощью 3D печати .

Основной процесс

В этом процессе шесть шагов:

  1. Поместите узор в песок, чтобы получилась форма.
  2. Добавьте узор и песок в систему ворот.
  3. Удалите узор.
  4. Заполните полость формы расплавленным металлом.
  5. Дайте металлу остыть.
  6. Выломайте песчаную форму и снимите отливку.
Haandform-e.png

Компоненты

Узоры

На основе дизайна, предоставленного дизайнером, опытный создатель выкройки создает узор объекта, который будет изготовлен, с использованием дерева, металла или пластика, такого как пенополистирол. Песок можно шлифовать, подметать или растирать . Отливаемый металл будет сжиматься во время затвердевания, что может быть неоднородным из-за неравномерного охлаждения. Следовательно, узор должен быть немного больше, чем готовый продукт, разница известна как допуск на усадку . Для разных металлов используются разные масштабные правила, потому что каждый металл и сплав сжимаются на величину, отличную от всех остальных. На узорах также есть отпечатки сердцевины, которые создают регистры внутри форм, в которые помещаются песчаные стержни . Такие сердечники, иногда армированные проволокой, используются для создания профилей с подрезками и полостей, которые не могут быть отформованы с помощью упора и сопротивления, например, внутренние каналы клапанов или охлаждающие каналы в блоках цилиндров.

Пути для входа металла в полость кристаллизатора составляют систему литников и включают литник , различные питатели, которые поддерживают хорошую "подачу" металла, и входные клапаны , которые прикрепляют систему литников к литейной полости. Газ и пар, образующиеся во время разливки, выходят через проницаемый песок или через стояки , которые добавляются либо в самом массиве, либо в виде отдельных частей.

Инструменты

Помимо узоров, формовщик из песка может также использовать инструменты для создания отверстий.

Инструменты и книги для формовки из песка, использовавшиеся в Окленде и Нельсоне, Новая Зеландия, примерно между 1946 и 1960 годами.

Формовочная коробка и материалы

Формовочная коробка, состоящая из нескольких частей (известная как опока для литья , верхняя и нижняя половины которой известны, соответственно, как колпачок и тяга), подготавливается для размещения модели. Формовочные коробки изготавливаются из сегментов, которые могут защелкиваться друг с другом и с торцевыми затворами. Для простого объекта - плоского с одной стороны - нижняя часть коробки, закрытая снизу, будет заполнена формовочным песком. Песок набивается посредством вибрационного процесса, называемого набиванием, и в этом случае периодически выравнивается по уровню. Затем поверхность песка может быть стабилизирована замасливателем. Выкройка кладется на песок и добавляется еще один сегмент формовочной коробки. Дополнительный песок утрамбовывается поверх и вокруг рисунка. Наконец, на коробку помещают крышку, которая поворачивается и снимается с защелки, чтобы можно было разделить половинки формы и удалить узор с литником и вентиляционными отверстиями. Могут быть добавлены дополнительные размеры и исправлены любые дефекты, вызванные удалением рисунка. Коробка снова закрывается. При этом образуется «зеленая» форма, которую необходимо высушить для приема горячего металла. Если форма недостаточно просушена, может произойти паровой взрыв, который может разбросать расплавленный металл. В некоторых случаях песок может быть смазан маслом вместо увлажнения, что делает возможным отливку, не дожидаясь высыхания песка. Песок также может быть связан с помощью химических связующих, таких как фурановые смолы или отвержденные амином смолы.

Аддитивное производство (AM) может использоваться при подготовке песчаной формы, так что вместо того, чтобы формировать песчаную форму путем набивки песка вокруг шаблона, она печатается на 3D-принтере. Это может сократить время выполнения литья за счет исключения создания выкройки. Помимо замены старых методов, добавка также может дополнять их в гибридных моделях, например, при изготовлении различных сердечников с AM-печатью для полости, полученной по традиционному шаблону.

Озноб

Для того, чтобы контролировать структуру затвердевания металла, можно разместить металлические пластины, озноб , в пресс - форме. Связанное с этим быстрое локальное охлаждение будет формировать более мелкозернистую структуру и может образовывать несколько более твердый металл в этих местах. В отливках из черных металлов эффект аналогичен закалке металлов при кузнечной работе. Внутренний диаметр цилиндра двигателя усилен охлаждающим сердечником. Для других металлов можно использовать охлаждение, чтобы способствовать направленному затвердеванию отливки. Контролируя замерзание отливки, можно предотвратить внутренние пустоты или пористость внутри отливок.

Ядра

Сердечники - это устройства, используемые для создания полых полостей или внутренних элементов, которые нельзя сформировать с использованием одного только рисунка при формовании, сердечники обычно изготавливаются с использованием песка, но в некоторых процессах также используются постоянные сердечники из металла.

Для создания полостей внутри отливки - например, для жидкостного охлаждения в блоках двигателя и головках цилиндров - для изготовления сердечников используются отрицательные формы . Обычно стержни изготавливаются методом формовки песком, после удаления шаблона их вставляют в литейную коробку. По возможности разрабатываются конструкции, исключающие использование сердечников из-за дополнительного времени на настройку, массы и, следовательно, большей стоимости.

После завершения формы при соответствующем содержании влаги ящик, содержащий песчаную форму, затем позиционируется для заполнения расплавленным металлом - обычно железом , сталью , бронзой , латунью , алюминием , магниевыми сплавами или различными сплавами металла для горшков, которые часто включают свинец , олово и цинк . После заполнения жидким металлом ящик откладывают до тех пор, пока металл не остынет и не станет прочным. Затем песок удаляется, 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, литейная опока часто накрывается тяжелой пластиной, чтобы предотвратить проблему, известную как всплытие формы. Плавающая форма происходит, когда давление металла выталкивает песок над полостью формы, теряя форму, что приводит к разрушению отливки.

Слева: Corebox, с результирующими (армированными проволокой) сердечниками прямо под ним. Справа: - Выкройка (используется с сердечником) и получившаяся отливка внизу (провода от остатков сердечника)

После литья стержни разбивают стержнями или дробью и извлекают из отливки. Металл литника и стояков вырезается из черновой отливки. Для снятия напряжений при начальном охлаждении и повышения твердости могут применяться различные термические обработки - в случае стали или чугуна путем закалки в воде или масле. Отливку можно дополнительно упрочнить обработкой сжатия поверхности, такой как дробеструйное упрочнение , которая добавляет сопротивление растрескиванию при растяжении и сглаживает шероховатую поверхность. А когда требуется высокая точность, выполняются различные операции обработки (например, фрезерование или растачивание) для чистовой обработки критических участков отливки. Примеры этого могут включать растачивание цилиндров и фрезерование деки на литом блоке двигателя.

Требования к дизайну

Изготовляемая деталь и ее рисунок должны быть спроектированы так, чтобы соответствовать каждой стадии процесса, поскольку должна быть возможность удалить рисунок, не нарушая формовочный песок, и иметь надлежащие места для приема и размещения стержней. Небольшой конус, известный как уклон , необходимо использовать на поверхностях, перпендикулярных линии разъема, чтобы можно было удалить узор из формы. Это требование также распространяется на сердечники, так как они должны быть удалены из стержневого ящика, в котором они сформированы. Литниковый канал и стояки должны быть расположены так, чтобы обеспечить надлежащий поток металла и газов внутри кристаллизатора, чтобы избежать неполного литья. Если кусок стержня или формы смещается, он может быть заделан в окончательную отливку, образуя песчаный карьер , что может сделать отливку непригодной для использования. Газовые карманы могут вызвать внутренние пустоты. Они могут быть видны сразу или могут быть обнаружены только после выполнения обширной механической обработки. Для критически важных приложений или там, где стоимость потраченных усилий является фактором, методы неразрушающего контроля могут быть применены до того, как будут выполнены дальнейшие работы.

Процессы

В целом можно выделить два метода литья в песчаные формы; первый - с использованием зеленого песка, а второй - методом воздушной затяжки.

Зеленый песок

Эти отливки изготавливаются с использованием песчаных форм, сформированных из «влажного» 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 зеленого цвета, а «зеленый» в том смысле, что он используется во влажном состоянии (сродни зеленому дереву). Вопреки тому, что следует из названия , «зеленый песок» - это не тип песка сам по себе (то есть не зеленый песок в геологическом смысле), а скорее смесь:

Существует множество рецептов определения пропорции глины, но все они обеспечивают различный баланс между формуемостью, чистотой поверхности и способностью горячего расплавленного металла дегазировать . Уголь, как правило , называют в литейном производстве в качестве морского угля , который присутствует в соотношении менее чем на 5%, частично сгорает в присутствии расплавленного металла, что приводит к offgassing органических паров. При литье в зеленый песок для цветных металлов не используются добавки угля, поскольку образующийся CO не препятствует окислению. В зеленом песке для алюминия обычно используется оливиновый песок (смесь минералов форстерита и фаялита , полученная путем дробления дунитовой породы).

Выбор песка во многом зависит от температуры заливки металла. При температурах, при которых заливаются медь и железо, глина инактивируется под воздействием тепла, так что монтмориллонит превращается в иллит , который является нерасширяющейся глиной. Большинство литейных предприятий не имеют очень дорогого оборудования для удаления сгоревшей глины и замены новой глины, поэтому вместо этого те, которые разливают железо, обычно работают с кварцевым песком, который является недорогим по сравнению с другими песками. По мере того, как глина выгорает, добавляется вновь перемешанный песок, а часть старого песка выбрасывается или используется для других целей. Кремнезем является наименее желательным из песков, поскольку метаморфические зерна кварцевого песка имеют тенденцию взрываться с образованием частиц субмикронного размера при тепловом ударе во время заливки форм. Эти частицы попадают в воздух рабочей зоны и могут вызвать силикоз у рабочих. Чугунолитейные заводы прилагают значительные усилия для агрессивного пылеулавливания, чтобы улавливать этот мелкодисперсный кремнезем. На литейном производстве также используются различные виды средств защиты органов дыхания.

Песок также имеет нестабильность размеров, связанную с преобразованием кварца из альфа-кварца в бета-кварц при 680 ° C (1250 ° F). Часто горючие добавки, такие как древесная мука, добавляют, чтобы создать пространство для расширения зерен без деформации формы. Поэтому используются оливин , хромит и т. Д., Поскольку они не имеют фазового перехода , вызывающего быстрое расширение зерен. Оливин и хромит также обладают большей плотностью, что способствует более быстрому охлаждению металла и образованию в нем более мелкозернистой структуры. Поскольку они не являются метаморфическими минералами , в них нет поликристаллов, обнаруженных в кремнеземе , и, следовательно, они не образуют опасных частиц субмикронного размера.

Метод «воздушной установки»

В методе отверждения на воздухе используется сухой песок, связанный с материалами, отличными от глины, с использованием быстросохнущего клея . Последнее также можно назвать отливкой без выпечки . Когда они используются, их все вместе называют отливками из песка с воздушной фиксацией, чтобы отличить их от отливок из зеленого песка. Формовочный песок двух типов: природный (песчаный) и синтетический (озерный песок); последний, как правило, предпочтительнее из-за его более стабильного состава.

В обоих методах смесь песка набивается по узору , образуя полость формы. При необходимости в песок помещают временную пробку, касающуюся рисунка, чтобы впоследствии сформировать канал, в который можно заливать заливочную жидкость. Воздушные посаженные формы часто образуется с помощью литьевой опоки , имеющой верхней и нижней часть, называемого совладать и сопротивление . Песочная смесь утрамбовывается по мере того, как она добавляется по шаблону, а окончательный узел формы иногда вибрируют, чтобы уплотнить песок и заполнить любые нежелательные пустоты в форме. Затем шаблон удаляется вместе с заглушкой канала, оставляя полость формы. Жидкость для литья (обычно расплавленный металл) затем заливается в полость кристаллизатора. После того, как металл затвердеет и остынет, отливку отделяют от песчаной формы. Смазка для пресс-формы обычно отсутствует, и форма обычно разрушается в процессе удаления.

Точность отливки ограничивается типом песка и процессом формования. Отливки из крупного зеленого песка придают поверхности шероховатую текстуру, что упрощает их идентификацию. Отливки из мелкого зеленого песка могут блестеть как отливки, но их размеры ограничены соотношением глубины и ширины карманов в узоре. Формы с воздушной отливкой позволяют производить отливки с более гладкими поверхностями, чем крупный зеленый песок, но этот метод в первую очередь выбирают, когда необходимы глубокие узкие карманы в узоре из-за дороговизны пластика, используемого в процессе. Отливки, закрепленные на воздухе, обычно можно легко идентифицировать по обгоревшему цвету на поверхности. Отливки обычно подвергаются дробеструйной очистке, чтобы удалить этот выжженный цвет. Позже поверхности можно отшлифовать и отполировать, например, при изготовлении большого колокола . После формования отливка покрывается остатками оксидов, силикатов и других соединений. Этот остаток можно удалить различными способами, например шлифованием или дробеструйной очисткой.

Во время литья часть компонентов песчаной смеси теряется в процессе термического литья. Зеленый песок можно использовать повторно после корректировки его состава, чтобы восполнить потерю влаги и добавок. Сам узор можно повторно использовать неограниченное время для изготовления новых песчаных форм. Процесс формования в песчаные формы использовался на протяжении многих веков для изготовления отливок вручную. С 1950 года для производственных линий были разработаны частично автоматизированные процессы литья.

Холодный ящик

В холодильной камере используются органические и неорганические связующие, которые укрепляют форму за счет химического прилипания к песку. Этот тип формы получил свое название из-за того, что его не запекают в духовке, как другие типы песчаных форм. Этот тип формы более точен по размерам, чем формы для сырого песка, но стоит дороже. Таким образом, он используется только в тех приложениях, где это необходимо.

Формы без выпечки

Формы без обжига - это одноразовые песчаные формы, похожие на обычные песчаные формы, за исключением того, что они также содержат быстро схватывающуюся жидкую смолу и катализатор. Формовочный песок не утрамбовывается, а заливается в колбу и выдерживается до тех пор, пока смола не затвердеет, что происходит при комнатной температуре. Этот тип формовки также обеспечивает лучшую отделку поверхности, чем другие типы песчаных форм. Поскольку при этом не используется тепло, он называется процессом холодного отверждения. Обычно используемые материалы для колб - это дерево, металл и пластик. Обычные металлы отливают в не-выпекать формы являются латунь, железо ( черные ) и алюминиевые сплавы.

Вакуумное формование

Вакуумное формование ( V-процесс ) - это разновидность процесса литья в песчаные формы для большинства черных и цветных металлов, при котором несвязанный песок удерживается в колбе с помощью вакуума . Шаблон специально вентилируется, чтобы через него можно было создать вакуум. Размягченный при нагревании тонкий лист (от 0,003 до 0,008 дюйма (от 0,076 до 0,203 мм)) пластиковой пленки накладывается на узор и создается вакуум (от 200 до 400 мм рт. Ст. (От 27 до 53 кПа)). Поверх пластикового шаблона помещается специальная вакуумная формовочная колба, которая заполняется сыпучим песком. Песок вибрирует для уплотнения песка, и в выемке формируются литник и разливочная чаша. Другой лист пластика помещается поверх песка в колбе, и через специальную колбу создается вакуум; это затвердевает и укрепляет несвязанный песок. Затем на шаблоне сбрасывается вакуум, и колпачок удаляется. Тяга изготавливается аналогично (без литника и сливного стакана). Любые стержни устанавливаются на место и форма закрывается. Расплавленный металл разливается, пока верхняя и нижняя части корпуса все еще находятся в вакууме, потому что пластик испаряется, но вакуум сохраняет форму песка, пока металл затвердевает. Когда металл затвердеет, вакуум отключают, и песок свободно вытекает, освобождая отливку.

V-образный процесс известен тем, что не требует вытяжки, поскольку пластиковая пленка обладает определенной смазывающей способностью 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 него. Возможно поперечное сечение от 0,090 дюйма (2,3 мм). Качество обработки поверхности очень хорошее, обычно от 150 до 125 среднеквадратичных . Другие преимущества включают отсутствие дефектов, связанных с влажностью, отсутствие затрат на связующие, отличную проницаемость для песка и отсутствие токсичных паров от сжигания связующих. Наконец, узор не изнашивается, потому что песок его не касается. Основным недостатком является то, что этот процесс медленнее, чем традиционное литье в песчаные формы, поэтому он подходит только для малых и средних объемов производства; примерно от 10 до 15 000 штук в год. Тем не менее, это делает его идеальным для работы с прототипом, потому что рисунок можно легко изменить, поскольку он сделан из пластика.

Быстрые процессы изготовления пресс-форм

С быстрым развитием автомобилестроения и машиностроения области потребления литья требовали постоянного повышения производительности . Основные этапы процесса механического формования и литья аналогичны тем, которые описаны в процессе ручного литья в песчаные формы. Однако техническое и умственное развитие было настолько быстрым и глубоким, что коренным образом изменился характер процесса литья в песчаные формы.

Механизированная формовка песком

Первые механизированные формовочные линии состояли из пескоструйных станков и / или ударно-отжимных устройств, которые уплотняли песок в опочках. Последующее перемещение форм было механическим с использованием кранов, подъемников и ремней. После установки керна ригели и бобышки были соединены с помощью направляющих штифтов и зажаты для большей точности. Формы вручную выталкивались на роликовый конвейер для литья и охлаждения.

Автоматические линии формовки песка под высоким давлением

Повышение требований к качеству привело к необходимости повышения устойчивости формы за счет применения постоянно более высокого давления сжатия и современных методов уплотнения песка в опоках. В начале пятидесятых годов прошлого века формование под высоким давлением было разработано и применено в механических, а затем и в автоматических линиях опок. На первых линиях использовались тряски и вибрации для предварительного уплотнения песка в опоках и поршни, приводимые в действие сжатым воздухом, для уплотнения форм.

Горизонтальное формование песчаной опоки

В первых автоматических линиях горизонтальных опок песок забрасывался или сбрасывался по образцу в колбе и отжимался гидравлическим давлением до 140 бар . Последующие манипуляции с пресс-формами, включая переворачивание, сборку, выталкивание на конвейер, выполнялись вручную или автоматически. В конце пятидесятых годов для уплотнения песка в колбах использовались поршни с гидравлическим приводом или многопоршневые системы. Этот метод позволил получить гораздо более стабильные и точные формы, чем это было возможно вручную или пневматически . В конце шестидесятых годов было разработано уплотнение формы за счет быстрого падения давления воздуха или газа над предварительно уплотненной песчаной формой (песчано-импульсное и газовое воздействие). Общий принцип работы большинства систем горизонтальной линии опок показан на рисунке ниже.

Сегодня существует множество производителей автоматических линий для формования опок горизонтального типа. Основными недостатками этих систем являются высокий расход запасных частей из-за множества подвижных частей, необходимость хранения, транспортировки и обслуживания опок и производительность, ограниченная примерно 90–120 форм в час.

Вертикальное безопочное формование из песка

В 1962 году компания Dansk Industri Syndikat A / S (DISA- DISAMATIC ) изобрела безопочный процесс формования с использованием вертикально разделяемых и разливаемых форм. Первая линия могла производить до 240 полных песчаных форм в час. Сегодня формовочные линии могут достигать скорости формования 550 песчаных форм в час, и для этого требуется всего один оператор. Максимальное несовпадение двух половин пресс-формы составляет 0,1 мм (0,0039 дюйма). Хотя очень быстрые, вертикально разделенные формы обычно не используются на литейных предприятиях из-за наличия специального инструмента, необходимого для работы на этих машинах. Сердечники необходимо устанавливать с помощью маски для сердечников, а не вручную, и они должны висеть в форме, а не устанавливаться на разделяемой поверхности.

Формовка из песчаной плиты Matchplate

Принцип соответствия пластин, означающих пластины с двумя узорами на каждой стороне одной пластины, был разработан и запатентован в 1910 году, что открывает перспективы для будущих улучшений формовки из песка. Однако сначала в начале шестидесятых годов американская компания Hunter Automated Machinery Corporation запустила свою первую автоматическую линию безопочного горизонтального формования с применением технологии спичечных пластин.

Метод, аналогичный вертикальному формованию DISA (DISAMATIC), - безопочный, но горизонтальный. Сегодня широко используется технология формования спичечных пластин. Его большим преимуществом является недорогая модельная оснастка, простота замены формовочной оснастки, а значит, пригодность для изготовления отливок короткими сериями, столь характерных для литейных цехов. Современная формовочная машина для матриц обеспечивает высокое качество формования, меньшее смещение отливки из-за несоответствия машины и формы (в некоторых случаях менее 0,15 мм (0,0059 дюйма)), стабильно стабильные формы для меньшего шлифования и улучшенного определения линии разъема. Кроме того, машины имеют закрытый корпус, что обеспечивает более чистую и тихую рабочую среду с уменьшением воздействия на оператора рисков для безопасности или проблем, связанных с обслуживанием.

Match-de.png
Стандарты безопасности

С автоматизированным производством пресс-форм появились дополнительные требования к безопасности на рабочем месте. В зависимости от геополитической юрисдикции, в которой будет использоваться оборудование, применяются разные добровольные технические стандарты .

Канада

В Канаде нет добровольных технических стандартов для машин для изготовления песчаных форм. К этому типу техники относятся:

Защита машин, CSA Z432. Канадская ассоциация стандартов. 2016 г.

Кроме того, требования электробезопасности покрываются:

Промышленное электрическое оборудование, CSA C22.2 № 301. 2016.

Европейский Союз

Основным стандартом для оборудования для производства песчаных форм в ЕС является: Требования безопасности к литейному и стержневому оборудованию и сопутствующему оборудованию, EN 710. Европейский комитет по стандартизации (CEN).

EN 710 необходимо использовать вместе с EN 60204-1 для обеспечения электробезопасности и EN ISO 13849-1 и EN ISO 13849-2 или EN 62061 для функциональной безопасности. Дополнительные стандарты типа C могут также потребоваться для конвейеров, робототехники или другого оборудования, которое может потребоваться для поддержки работы оборудования для изготовления форм.

Соединенные Штаты

Стандарта для оборудования для производства песчаных форм не существует. Семейство стандартов ANSI B11 включает некоторые общие стандарты станков, которые могут применяться к этому типу оборудования, в том числе:

  • Безопасность машин, ANSI B11.0. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2020.
  • Требования к эффективности мер по снижению риска: защита и другие средства снижения риска, ANSI B11.19. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2019.
  • Требования безопасности при интеграции машинного оборудования в систему, ANSI B11.20. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2017 г.
  • Требования безопасности для транспортных машин, ANSI B11.24. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2002 (R2020).
  • Функциональная безопасность оборудования (электрические / гидравлические системы управления мощностью) Общие принципы проектирования систем управления безопасностью с использованием ISO 13849-1, ANSI B11.26. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2018.
  • Руководство по измерению уровня звука, ANSI B11.TR5. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2006 (R2017).

Материалы пресс-формы

Для изготовления литейной формы из песка существует четыре основных компонента: базовый песок , связующее , добавки и разделительный состав .

Формовочные пески

Формовочные пески , также известные как формовочные пески , характеризуются восемью характеристиками: огнеупорностью, химической инертностью, проницаемостью, чистотой поверхности, когезией, текучестью, разрушаемостью и доступностью / стоимостью.

Огнеупорность - это способность песка выдерживать температуру отливаемого жидкого металла без разрушения. Например, некоторые пески должны выдерживать только 650 ° C (1202 ° F) при литье алюминиевых сплавов, тогда как для стали требуется песок, выдерживающий 1500 ° C (2730 ° F). Песок со слишком низкой огнеупорностью расплавится и прилипнет к отливке.

Химическая инертность - песок не должен вступать в реакцию с отливаемым металлом. Это особенно важно для металлов с высокой реакционной способностью, таких как магний и титан .

Проницаемость - это способность песка выделять газы. Это важно, потому что во время процесса разливки выделяется много газов, таких как водород , азот , диоксид углерода и пар , которые должны покинуть форму, в противном случае в отливке возникнут дефекты литья , такие как газовые раковины и газовые дыры. Обратите внимание, что на каждый кубический сантиметр (куб. См) воды, добавляемой в форму, производится 16 000 куб. См пара.

Обработка поверхности - размер и форма частиц песка определяют наилучшую достижимую чистоту поверхности, а более мелкие частицы обеспечивают лучшую отделку. Однако по мере того, как частицы становятся мельче (и качество поверхности улучшается), проницаемость становится хуже.

Связность (или связь ) - это способность песка сохранять заданную форму после удаления рисунка.

Сыпучесть - способность песка стекать в сложные детали и узкие углы без специальных процессов или оборудования.

Сворачиваемость - это способность песка легко сниматься с отливки после ее затвердевания. Пески с плохой разборчивостью будут прочно прилипать к отливке. При отливке металлов, которые сильно сжимаются во время охлаждения или с большим диапазоном температур замерзания, песок с плохой сжимаемостью вызовет трещины и горячие разрывы в отливке. Для улучшения разборчивости можно использовать специальные добавки.

Доступность / стоимость - наличие и стоимость песка очень важны, потому что на каждую тонну залитого металла требуется от трех до шести тонн песка. Хотя песок можно просеивать и повторно использовать, частицы в конечном итоге становятся слишком мелкими и требуют периодической замены свежим песком.

В больших отливках экономично использовать два разных песка, потому что большая часть песка не будет контактировать с отливкой, поэтому для него не требуются какие-либо особые свойства. Песок, который контактирует с отливкой, называется облицовочным песком и предназначен для литья под рукой. Этот песок будет нарастать вокруг рисунка до толщины от 30 до 100 мм (от 1,2 до 3,9 дюйма). Песок, который заполняет облицовочный песок, называется грунтовочным песком . Этот песок представляет собой простой кварцевый песок с небольшим количеством связующего и без специальных добавок.

Типы базовых песков

Базовый песок - это тип, который используется для изготовления формы или стержня без связующего. Поскольку у него нет связующего, он не склеивается и не может использоваться в этом состоянии.

Кварцевый песок
Кремнеземный песок в Панаваллы

Песок с кремнеземом (SiO 2 ) - это песок на пляже, который также является наиболее часто используемым песком. Его получают либо путем дробления песчаника, либо из естественных 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 отливок с высокой температурой плавления, например для сталей, необходимо использовать кварцевый песок с чистотой не менее 98%; однако для металлов с более низкой температурой плавления, таких как чугун и цветные металлы, можно использовать песок более низкой чистоты (чистота от 94 до 98%).

Кремнеземный песок является наиболее часто используемым песком из-за его большого количества и, следовательно, низкой стоимости (что является его самым большим преимуществом). Его недостатками являются высокое тепловое расширение , которое может вызвать дефекты отливки с металлами с высокой температурой плавления, и низкая теплопроводность , что может привести к некачественной отливке. Его также нельзя использовать с некоторыми основными металлами, поскольку он химически взаимодействует с металлом, образуя поверхностные дефекты. Наконец, во время заливки выделяются твердые частицы кремнезема, что создает риск силикоза у литейщиков.

Оливиновый песок

Оливин представляет собой смесь ортосиликатов железа и магния из минерала дунита . Его главное преимущество заключается в том, что он не содержит кремнезема, поэтому его можно использовать с основными металлами, такими как марганцевые стали. Другие преимущества включают низкое тепловое расширение, высокую теплопроводность и высокую температуру плавления. Наконец, его безопаснее использовать, чем кремнезем, поэтому он популярен в Европе.

Хромитовый песок

Хромитовый песок является твердым раствором из шпинелей . Его преимущества - низкий процент кремнезема, очень высокая температура плавления (1850 ° C (3360 ° F)) и очень высокая теплопроводность. Его недостаток - дороговизна, поэтому он используется только при литье из дорогих легированных сталей и для изготовления стержней.

Цирконовый песок

Цирконовый песок представляет собой соединение примерно двух третей оксида циркония (Zr 2 O) 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 его обычно используют при литье легированных сталей и других дорогих сплавов. Он также используется в качестве промывки формы (покрытие, наносимое на полость формования) для улучшения качества поверхности. Однако это дорого и труднодоступно.

Шамотный песок

Шамот получают путем прокаливания огнеупорной глины (Al 2 O 3 -SiO 2 ) при температуре выше 1100 ° C (2010 ° F). Его температура плавления составляет 1750 ° C (3180 ° F) и он имеет низкое тепловое расширение. Это второй по стоимости песок, но он все равно вдвое дороже кремнезема. Его недостаток - очень крупное зерно, что приводит к плохой отделке поверхности, и он ограничен сухим формованием песком . Промывки пресс-формы используются для решения проблем с чистотой поверхности. Этот песок обычно используют при литье крупных стальных заготовок.

Другие материалы

Современные методы производства отливок позволяют изготавливать тонкие и точные формы - из материала, внешне напоминающего папье-маше, например, который используется в картонных коробках для яиц, но который по своей природе является огнеупорным, - которые затем поддерживаются некоторыми средствами, такими как сухой песок в окружении коробка, в процессе литья. Благодаря более высокой точности можно изготавливать более тонкие и, следовательно, более легкие отливки, поскольку нет необходимости в дополнительном металле, чтобы допускать изменения в литейных формах. Эти методы литья в тонкие формы использовались с 1960-х годов при производстве чугунных блоков цилиндров и головок цилиндров для автомобильной промышленности.

Связующие

Связующие вещества добавляются к основному песку, чтобы связать частицы песка вместе (т.е. именно клей скрепляет форму).

Глина и вода

Смесь глины и воды - наиболее часто используемое связующее. Обычно используются два типа глины: бентонит и каолинит , причем первый является наиболее распространенным.

Масло

Масла, такие как льняное масло , другие растительные масла и морские масла , раньше использовались в качестве связующего, однако из-за их растущей стоимости они в основном были выведены из употребления. Масло также требовало тщательного запекания при температуре от 100 до 200 ° C (от 212 до 392 ° F) для отверждения (при перегреве масло становится хрупким, что приводит к потере формы).

Смола

Связующие смолы представляют собой натуральные или синтетические камеди с высокой температурой плавления . Обычно используются два типа смолы : карбамидоформальдегид (UF) и фенолформальдегид (PF). Смолы PF имеют более высокую термостойкость, чем смолы UF, и дешевле. Существуют также смолы холодного отверждения, в которых для отверждения связующего используется катализатор вместо тепла. Связующие на основе смол довольно популярны, поскольку смешивание с различными добавками позволяет добиться различных свойств. Другие преимущества включают хорошую складываемость, низкое газовыделение и хорошее качество поверхности отливки.

MDI (метилендифенилдиизоцианат) также является обычно используемой связующей смолой в литейном процессе.

Силикат натрия

Силикат натрия [Na 2 SiO 3 или (Na 2 O) (SiO 2 )] - это высокопрочное связующее, используемое с кварцевым формовочным песком. Для отверждения связующего используется углекислый газ, который вызывает следующую реакцию:

Преимущество этого связующего в том, что его можно использовать при комнатной температуре и оно работает быстро. Недостатком является то, что его высокая прочность приводит к затруднениям при встряхивании и, возможно, к горячим разрывам отливки.

Добавки

Добавки добавляются к компонентам формовки для улучшения качества поверхности, прочности в сухом состоянии, огнеупорности и «амортизирующих свойств».

В формовочный материал может быть добавлено до 5% восстановителей , таких как угольный порошок, пек , креозот и мазут , чтобы предотвратить смачивание (предотвращение прилипания жидкого металла к частицам песка, оставляя их на поверхности отливки), улучшают качество поверхности, уменьшают проникновение металла и пригоревшие дефекты . Эти добавки достигают этого за счет образования газов на поверхности полости формы, которые предотвращают прилипание жидкого металла к песку. Восстановители не используются при стальном литье, потому что они могут науглероживать металл во время литья.

Можно добавить до 3% «прокладочного материала», такого как древесная мука, опилки , порошкообразная шелуха , торф и солома , чтобы уменьшить струпья , горячий разрыв и дефекты литья горячих трещин при литье жаропрочных металлов. Эти материалы полезны, потому что выгорание при заливке металла создает крошечные пустоты в форме, позволяя частицам песка расширяться. Они также увеличивают сборку и сокращают время выбивки.

До 2% связующих для злаков , таких как декстрин , крахмал , сульфитный щелок и патока , можно использовать для увеличения прочности в сухом состоянии (прочности формы после отверждения) и улучшения качества поверхности. Зерновые связующие также улучшают складываемость и сокращают время взбалтывания, поскольку они сгорают при заливке металла. Недостатком зерновых вяжущих является их дороговизна.

Можно использовать до 2% порошка оксида железа для предотвращения растрескивания формы и проникновения металла, что существенно улучшает огнеупорность. Мука кремнезема (мелкодисперсный диоксид кремния) и циркониевая мука также улучшают огнеупорность, особенно в отливках из черных металлов. Недостатком этих добавок является то, что они значительно снижают проницаемость.

Разделительные составы

Чтобы получить узор из формы, перед отливкой на узор наносится разделительный состав для облегчения удаления. Они могут быть жидкими или мелкодисперсными (диаметр частиц от 75 до 150 микрометров (от 0,0030 до 0,0059 дюйма)). Обычные порошки включают тальк , графит и сухой кремнезем; распространенные жидкости включают минеральные масла и растворы кремния на водной основе. Последние чаще используются с металлическими и крупными деревянными узорами.

История

Глиняные формы использовались в Древнем Китае со времен династии Шан (ок. 1600–1046 до н. Э.). Знаменитый Хомуву-дин (ок. 1300 г. до н.э.) был изготовлен с использованием глиняной лепки.

Ассирийский король Синаххериб (704-681 г. до н.э.) литого массивных изделия из бронзы до 30 тонн, и утверждает, что были первым использовал пресс - формы глины , а не метод «выплавляемый восковой»:

В то время как в прежние времена короли моих предков создавали бронзовые статуи, имитирующие реальные формы, чтобы выставлять их внутри своих храмов, но своим методом работы они истощили всех мастеров из-за недостатка навыков и непонимания необходимых им принципов. столько масла, воска и жира для работы, что они вызвали нехватку в своих странах - я, Сеннахирим, лидер всех князей, сведущий во всех видах работы, принял много советов и глубоко задумался над выполнением этой работы. Огромные колонны из бронзы, колоссальные шагающие львы, каких до меня не строил ни один предыдущий король, с техническими навыками, которые Нинушки довел во мне до совершенства, и по подсказке моего интеллекта и желания моего сердца я изобрел технику для бронзу и сделал это искусно. Я создал глиняные формы, как будто с помощью божественного разума ... двенадцать свирепых львов-колоссов вместе с двенадцатью могучими быками-колоссами, которые были совершенными отливками ... Я заливал их медью снова и снова; Я сделал отливки так искусно, как будто они весили всего полшекеля каждая.

Метод литья под давлением был описан Ваннокчо Бирингуччо в его книге, опубликованной около 1540 года.

В 1924 году Ford Motor Company установила рекорд, выпустив 1 миллион автомобилей, потребляя при этом одну треть от общего объема литья в США. По мере роста автомобильной промышленности потребность в повышении эффективности литья росла. Растущий спрос на отливки в растущей автомобильной и машиностроительной промышленности во время и после Первой мировой войны и Второй мировой войны стимулировал новые изобретения в области механизации, а затем и автоматизации процесса литья в песчаные формы.

Для ускорения производства отливок было не одно узкое место, а несколько. Улучшения были сделаны в скорости формования, формование приготовления песка, песок смешивания , основные производственные процессы, а также медленное металла плавления скорости в вагранках . В 1912 году метатель песка изобрела американская компания Beardsley & Piper. В 1912 году компания Simpson выпустила на рынок первый смеситель для песка с индивидуально установленными вращающимися плугами . В 1915 году начались первые эксперименты с бентонитовой глиной вместо простой огнеупорной глины в качестве связующей добавки к формовочному песку. Это значительно увеличило прочность форм в сыром и сухом виде. В 1918 году был запущен первый полностью автоматизированный цех по производству ручных гранат для армии США . В 1930-х годах в США была установлена первая высокочастотная электрическая печь без сердечника. В 1943 году был изобретен ковкий чугун путем добавления магния в широко используемый серый чугун . В 1940 г. применялась термическая рекультивация формовочных и стержневых песков. В 1952 году был разработан «D-процесс» для изготовления корпусных форм из мелкодисперсного песка с предварительно нанесенным покрытием. В 1953 году был изобретен процесс обработки песчаных стержней в горячем ящике, при котором стержни подвергаются термическому отверждению. В 1954 году появилось новое связующее для сердцевины - жидкое стекло (силикат натрия), отвержденное CO 2 из окружающего воздуха.

В 2010-х годах аддитивное производство стало применяться для приготовления песчаных форм в промышленном производстве ; Вместо того, чтобы формировать песчаную форму путем набивки песка вокруг шаблона, она печатается на 3D-принтере.

Смотрите также

использованная литература

Примечания

Библиография

внешние ссылки