Определение литейных свойств формовочных и стержневых смесей. Изучение зависимости газопроницаемости смеси от влажности
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Цель работы - закрепление знаний основных физико-механических свойств формовочных и стержневых смесей, метод их испытаний, изучение конструкций стандартных приборов лабораторного комплекта и развития умений и навыков работы на них.
2. Основные теоретические положения
В литейном производстве основную массу отливок получают в песчаных формах, для изготовления которых применяют единые, облицовочные и наполнительные формовочные смеси.
Единые смеси используются в массовом и крупносерийном производстве форм на машинах и автоматах. Такие формы, как правило, заливаются металлом сырыми.
Облицовочные смеси используют для оформления рабочей поверхности форм, контактирующей непосредственно с металлом. Их используют при изготовлении средних и крупных форм, которые подвергаются сушке, поверхностной подсушке или химическому твердению (смеси ХТС). Облицовочную смесь наносят на модель слоем 40-60 мм, а остальной объем опоки заполняют наполнительной смесью.
Основой формовочных и стержневых смесей являются формовочные пески. Для получения прочности смеси вводятся связующие материалы: формовочная глина, жидкое стекло, сульфитно-спиртовая барда, смолы и др., а для улучшения определенных технологических свойств вводятся вспомогательные добавки: молотый или гранулированный каменный уголь, мазут, опилки, стриженный торф и др.
В целях экономии основных материалов в состав формовочных смесей вводят бывшую в употреблении отработанную смесь. Эта смесь при повторном использовании подвергается соответствующей обработке.
Качество отливок, изготавливаемых в песчаных формах, в значительной мере связано со свойствами формовочных и стержневых смесей. Так, например, пониженная прочность смесей способствует появлению брака по засорам, нарушению геометрии отливки. Повышенная же прочность смесей способствует образованию в отливках напряжений, трещин, ужимин и других дефектов. При низкой газопроницаемости смесей в отливках могут образовываться газовые раковины, ситовидная пористость, ужимины, а высокая газопроницаемость способствует образованию механического и химического пригара.
Приготавливают формовочные и стержневые смеси на смешивающих бегунах.
Формовочные смеси обладают комплексом свойств, важнейшие из них можно склассифицировать в четыре группы:
- теплофизические свойства (теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, теплоаккумулирующая способность);
- механические свойства (прочность, поверхностная прочность, пластичность, податливость);
- свойства, связанные с газообменом (газотворная способность и газопроницаемость);
- технологические свойства (текучесть, гигроскопичность, выбиваемость, термохимическая устойчивость, огнеупорность).
В литейных цехах контроль качества формовочных и стержневых смесей обычно сводится к определению влажности, газопроницаемости, предела прочности при сжатии сырых образцов и предела прочности при растяжении сухих образцов.
При разработке новых составов смесей производят определение газотворности, осыпаемости, поверхностной твердости, долговечности, текучести, выбиваемости и т.д.
3.Определение влажности. Устройство прибора модели 062 и методика определения влажности ускоренным способом.
Под влажностью формовочных и стержневых смеси понимается содержание в ней свободной и гигроскопической влаги, выраженное в процентах к массе смеси. Применяют нормальный и ускоренный методы определения влажности смесей.
Нормальный метод. Навеску 50±0,01 г исследуемой смеси помещают в предварительно высушенные и взвешенные фарфоровые чашки и просушивают в сушильной печи при температуре 105-110 0С. По истечении 1 часа чашку с навеской вынимают из печи и взвешивают, затем опять помещают в печь. Этот процесс повторяют до установления постоянного веса, после чего чашки с навеской помещают в эксикатор, где охлаждают до комнатной температуры и взвешивают.
Влажность смеси определяют по формуле
(1)
где Q - масса смеси до сушки, г; Q1 - масса смеси после сушки, г.
Ускоренный метод. Для определения влажности ускоренным методом предназначен прибор модели 062, схема которого на рисунке 1.
На основание 1 прибора установлен кронштейн 2. На оси 3 кронштейна закреплен патрон 4 типа ²Голиаф², в котором установлена инфракрасная (термоизлучающая) лампа 5. Стеклянная колба лампы защищена предохранительным кожухом 6, к которому подвешивается столик 7 для размещения в нем чашек 8 с испытываемой смесью. При установке лампы в патрон кожух 6 поворачивается относительно оси 3. Включение прибора в сеть производится посредством штепсельной вилки 10, а включение лампы - тумблером 9.
Определение влажности на этом приборе заключается в следующем:
- в высушенные и взвешенные чашки помещают 10±0,01 г формовочной смеси, распределив ее в чашках слоем одинаковой толщины;
Рис. 1. Схема прибора модели 062 для определения влажности
-выводят столик 7 из зоны лампы и в гнезда его устанавливают чашки. После этого столик возвращают в исходное положение.
Сушка испытуемых смесей осуществляется теплом, излучаемым инфракрасной лампой 5, и продолжается 3-5 мин. Этого времени достаточно для полного удаления влаги из смеси. Методика подсчета влаги смеси - по формуле (1).
Рис. 2. Лабораторный копер: 1- станина; 2 - груз; 3 - эксцентрик; 4 - рукоятка; 5 - гильза; 6 - поддон; 7 - боек; 8 - подъемник копра; 9 – шток
4. Изготовление стандартных образцов для определения газопроницаемости и прочности на сжатие.
Определение газопроницаемости и прочности на сжатие производят на образцах диаметром и высотой 50 мм, которые изготавливают путем уплотнения смеси с помощью лабораторного копра (рис. 2) в гильзе с внутренним диаметром 50 мм и высотой 120 мм. Металлическую гильзу 5 устанавливают в поддон 6, и в нее насыпают навеску формовочной смеси (примерно 170 г), при этом верхняя поверхность засыпанной навески должна быть горизонтальной.
Подъемником копра 8 поднимают шток 9 и груз 2; на станину устанавливают поддон с гильзой, осторожно, плавно опускают боек 7, закрепленный на штоке 9, в гильзу до соприкосновения со смесью. Вращением рукоятки 4 и эксцентрика 3 уплотняют смесь тремя ударами груза 2 весом 6,35±0,015 кг, падающего с высоты 50±0,25 мм. Высота образца в гильзе после уплотнения должна быть 50±0,8 мм. Контроль высоты осуществляется по трем горизонтальным рискам, нанесенным через 0,8 мм на стойке станины 1.
Совпадение верхнего торца штока 9 со средней риской соответствует высоте образца 50 мм. Крайние риски указывают на допускаемые отклонения. После уплотнения гильзу с поддоном снимают с копра, отделяют поддон, а гильзу с находящимся в ней образцом передают на прибор определения газопроницаемости смеси.
Прочность формовочных и стержневых смесей на разрыв в сухом состоянии определяют на специальных образцах-восьмерках (рис. 3), которые изготавливают путем уплотнения формовочной смеси в стержневом ящике модели 037 (рис. 4) на копре.
Рис. 3. Образец для определения Рис. 4. Стержневой ящик для
прочности смесей на разрыв изготовления образцов- восьмерок:
1 - подставка; 2,3 - половинки ящика; 4- верхняя часть; 5- контрольная риска; 6- трамбовочная головка; 7- штифт; 8- винт
Порядок изготовления образцов-восьмерок следующий:
- собрать нижнюю часть ящика, установить на нее верхнюю часть, скрепить их винтами и вставить в подставку;
- равномерно насыпать в ящик формовочную смесь, не допуская предварительного уплотнения и чтобы поверхность ее была горизонтальной;
- собранный ящик со смесью установить круглым донышком в нижнее гнездо станины копра;
- трамбовочную головку опустить в верхнюю часть ящика на испытуемую смесь;
- произвести стандартное уплотнение образца троекратным ударом груза копра; при этом высота уплотненного образца должна быть равна 25 мм с допускаемыми отклонениями ±0,28 мм. Этот размер показывается рисками, нанесенными на трамбовочной головке. Совпадение верхней риски с краем ящика соответствует высоте образца в 25-0,28 мм, совпадение нижней - высоте в 25+0,28 мм, совпадение края ящика со средней риской соответствует высоте точно 25 мм. В случае, если высота образца выходит за пределы 25±0,28 мм, образец бракуется;
- после уплотнения образца поднять боек, снять весь ящик с подставкой с копра, вынуть трамбовочную головку из верхней части ящика, снять верхнюю часть ящика, поставить образец на поддон сушильной плиты и разобрать нижнюю часть ящика;
-поддон вместе с изготовленными образцами поставить в печь для сушки. Существуют также образцы и методики испытаний их на срез и изгиб.
5.Определение газопроницаемости формовочной смеси.
Устройство прибора модели 042 и методика определения газопроницаемости. Газопроницаемостью формовочной смеси называется способность ее в уплотненном состоянии пропускать газы. Определение газопроницаемости производят путем пропускания воздуха при комнатной температуре через образец, изготовленный из испытуемого материала и находящийся в гильзе.
Величину газопроницаемости вычисляют по формуле
(2)
где V - объем воздуха, прошедшего через образец, см3; h - высота образца, см; F - площадь поперечного сечения образца, см2; Р - давление воздуха перед образцом, Па; t - время, в течении которого через образец прошло V см3 воздуха, мин.
Газопроницаемость принято обозначать без указания размерности. При нормальном методе через образец высотой и диаметром 50 мм пропускают 2000 см3 воздуха. В этом случае формула для определения газопроницаемости приобретает вид
(2,а)
Газопроницаемость смеси определяют на специальном приборе модели 042, схематическое устройство которого показано на рис. 5.
Рис. 5. Схема прибора модели 042 для определения газопроницаемости смеси
Основанием прибора является чугунная станина 1, на которой укреплен бак 2 с трубкой 3. Внутри бака помещается колокол 4 с трубкой 5 и ручкой 7. При опускании колокола в бак трубка 5 входит в трубку 3. На поверхности колокола имеются отметки «2000», «1000», «0», «Х». Сверху на колоколе 4 лежит объемный груз 6, утяжеляющий колокол, а для более точного регулирования массы колокола на верхней его части устанавливаются грузы 8.
До начала испытаний в бак 2 наливается вода и в нее опускается колокол 4. Находящийся в колоколе воздух через отверстия в трубке 5, а далее через трубки 5 и 3 и трехходовый кран 9 поступает в гильзу 10 с образцом 11, закрепленную в чашке затвора 12. Кран 9 регулирует течение воздуха:
- при положении крана «закрыто» воздух из-под колокола не выходит;
- при положении крана «открыто» воздух выпускается из прибора в атмосферу;
- при положении крана «испытание» воздух направляется через воздухопровод под гильзу с образцом, помещенную в чашке затвора 12, в которой на конце воздухопровода смонтирован калиброванный ниппель 13 с отверстием 0,5 мм или ниппель с отверстием 1,5 мм.
Во избежание засорения ниппеля он покрывается крышкой, имеющей отверстия для прохождения воздуха. Образующаяся в чашке раствора под испытуемым образцом полость соединена воздухопроводом 14 с манометром 17. Вода из бочка манометра выпускается через наружное отверстие 18. Заполнение манометра водой производится через отверстие 15. Величина давления, образующаяся под образцом в период испытания, фиксируется при помощи шкалы 16. Прибор устанавливается в горизонтальное положение с помощью трех установочных винтов.
Подготовка прибора к испытанию заключается в следующем:
1. Установить прибор по уровню в горизонтальном положении.
2. установить нулевое деление шкалы манометра по уровню воды в трубке.
3. Поставить трехходовый кран в положение «закрыто» и плавно опустить колокол в воду, при этом отметка колокола «Х» должна стать на уровень верхней кромки бака. Это достигается добавлением или уменьшением воды в баке.
Примечание: Подъем колокола из воды производить только при положении крана «открыто», т.к. в противном случае в затвор попадает вода и будет искажать результаты испытаний.
4. Отрегулировать массу колокола с грузом. Для этого гильза надевается на резиновую пробку затвора. Верхнее отверстие гильзы герметически закрывается резиновой пробкой (или рукой). Кран ставится в положение «испытание», при этом манометр должен показывать давление 980 Па. Это достигается добавлением или уменьшением дополнительных грузиков 8. Груз-кольцо устанавливается на колоколе только для ускорения метода определения газопроницаемости.
5. Проверить калибровку ниппелей: ввернуть ниппель с отверстием Æ 0,5 мм в отверстие затвора. Поставить кран в положение «испытание». Продолжительность опускания колокола от отметки «0» до отметки «2000» должна быть равна 4,5 мин + 3 сек, а при ниппеле с отверстием Æ 1,5 мм продолжительность опускания колокола должна быть равна 0,5 мин + 1,5 сек. После проверки калибровки вывентить ниппель из затвора и ввинтить его сбоку в станину прибора.
6. Методика испытания
В производственных условиях литейного цеха газопроницаемость обычно определяется только ускоренным методом. При этом методе испытания производятся с грузом и с добавочным сопротивлением - ниппелем с отверстием Æ 1,5 мм или 0,5 мм. Ниппель Æ 1,5 мм применяется для испытаний только формовочных смесей с проницаемостью более 49, а с отверстием Æ 0,5 мм - менее 49.
Для определения газопроницаемости следует:
- плавно поднять колокол до отметки «Х» и поставить кран в положение «закрыто»;
- надеть гильзу с заформовочным в ней образцом на резиновую пробку затвора с установленным ниппелем Æ 1,5 мм;
- поставить кран в положение «испытание» и при опускании колокола зафиксировать показания манометра.
Газопроницаемость определяется по таблице, закрепленной на баке. Если при этом газопроницаемость окажется менее 49 ед, то испытания следует повторить с ниппелем Æ 0,5 мм.
7. Порядок выполнения работы
1. Приготовить три формовочные смеси с различной влажности. Составы и режим приготовления смеси задаются преподавателем.
2. Определить влажность смеси нормальным и ускоренным методами. Испытание каждой смеси повторить три раза.
3. Определить газопроницаемость смесей нормальным и ускоренным методами. Испытания каждой смеси повторить три раза и занести в таблицу 1. Таблица 1
Результаты определения газопроницаемости и влажности (Æ ниппеля - 1,5 мм)
| Наимен. показат. | Индекс формовочной смеси | |||||||||
| № образца | ||||||||||
| Q,г | ||||||||||
| Q,г | ||||||||||
| W, | ||||||||||
| ||||||||||
| Давление, Па (см. вод. Ст) | ||||||||||
| К, ед. | ||||||||||
 ед.
|
8. Обработка результатов
Определить средние арифметические значения влажности 
газопроницаемости проб формовочных смесей.
Построить график зависимости газопроницаемости смесей от их влажности.
Для одной из смесей рассчитать: среднее квадратическое отклонение среднего арифметического значения газопроницаемости 
и влажности 
; доверительную границу среднего арифметического значения газопроницаемости 
и влажности 
при заданной преподавателем доверительной вероятности Р.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2