Файл: Медведев Я.И. Технологические испытания формовочных материалов.pdf

жутки между отдельными песчинками заполнены воздухом й, частично, водой и связующими. Воздушные поры сообщают сме­ сям способность уплотняться, а наличие пленок воды и связую­ щего на поверхности песчинок — способность к относительному перемещению при сравнительно невысоких потерях давления на преодоление сил трения.

В процессе уплотнения отдельные частицы смеси испытывают действие многообразных факторов: силы тяжести и внешнего дав­ ления капиллярных и молекулярных сил, поверхностного натя­ жения воды и связующего, сил адгезии и когезии, сил трения и т. п. Работа уплотнения (внешний фактор) идет главным образом на преодоление действия этих многочисленных факторов.

Для оценки пластических свойств смесей используют различ­ ные качественные характеристики: уплотняемость, формуемость, сыпучесть, вязкость, пластичность и текучесть. Эти характери­ стики, будучи в определенной степени взаимосвязанными, но не всегда физически однородными, дают технологическую оценку смесям. В специальной литературе нередко различные пластиче­ ские свойства отождествляют друг с другом, что затрудняет сравне­ ние результатов различных исследований [10, 53, 208].

Уплотняемость характеризует способность смеси уменьшать свой объем (в замкнутом пространстве) под действием собственного веса или приложенной внешней нагрузки [143]. В работе [53] под уплотняемостью подразумевают способность формовочных и стержневых смесей равномерно уплотняться в ограниченном объеме, находящемся в напряженном состоянии, под действием сжимающей силы, прилагаемой с соответствующей скоростью де­ формации. Имеется в виду, что достигнутая плотность сохраняется и после снятия внешней нагрузки. Приведенные определения уплотняемости не совпадают по своей сущности: аналогичные разногласия есть и при определении других пластических свойств смеси.

При определении уплотняемости смеси, очевидно, необходимо учитывать затрачиваемую энергию: чем она больше, тем меньше уплотняемость. Установлено, что кривая уплотняемости анало­ гична кривой прочности смеси на сжатие [216 ].

От уплотняемости смеси зависит производительность труда формовщиков и стерженщиков. Так величина работы уплотнения масляных стержневых смесей в 8—10 раз меньше величины ра­ боты уплотнения глино-опилочных смесей примерно при том же соотношении их прочностей на сжатие. Значительное влияние уплотняемость смеси оказывает также на воспроизводимость смесью конфигурации моделей и, следовательно, на качество отливок, особенно чистоту их поверхности.

В классических трудах по механике грунтов 'пластичность рассматривается как особое напряженное состояние, при котором материал приобретает способность изменять форму без изменения объема и нарушения сплошности. При этом состоянии на смеси

В случае высокой пластичности смесь формуется (течет) при сравнительно небольшом внешнем давлении, и работа уплотнения будет минимальной; однако при этом формы будут легко деформи­ роваться даже под действием собственного веса. Смеси с низкой пластичностью могут также свободно течь, но требуют повышен­ ного давления. В этом случае формы будут обладать повышенной стойкостью против необратимых деформаций.

Пластичность глин и глинистых масс может быть определена по методу Аттерберга путем установления предельных состояний: верхнего предела текучести, при котором глина свободно расте­ кается; нижнего предела текучести (или верхнего предела пластич­ ности), когда глинистая масса при небольшой добавке воды пере­ ходит из нетекучего состояния в текучее; нижнего предела пластич­ ности, когда глина еще способна раскатываться в тонкую про­ волоку (нижний предел рабочего состояния).

Показатель пластичности глин по Аттербергу определяется разностью в содержании воды (в процентах) при верхнем и нижнем пределах пластичности, т. е. интервалом влажности, внутри кото­ рого глина обладает пластичными свойствами.

Для оценки формовочных и стержневых смесей, обладающих по сравнению с чистыми глинами очень низкой пластичностью, этот метод непригоден. На практике пластичность смесей опре­ деляют на специальных установках или вместо пластичности определяют другие свойства, например вязкость или текучесть [127, 214].

Сыпучесть смесей характеризует величину сил сцепления (подвижность) между отдельными песчинками. Эта характери­ стика позволяет сравнить подвижность данной смеси с подвиж­ ностью идеально сыпучего материала. От сыпучести зависит агре­ гатное состояние смеси: способность образовывать устойчивые комочки, возможность перемещения смеси в направлениях, не совпадающих с направлением действия внешних сил [156].

Как технологический фактор сыпучесть смеси оказывает зна: чительное влияние на зависание смеси в бункерах, качество и длительность перемешивания смеси в процессе ее приготовления, полноту заполнения опок при подаче смеси из бункеров и на на­ чальную плотность смеси в опоке

Вязкость является одной из наиболее физически обоснованных характеристик смеси. Она определяется величиной внутреннего трения и зависит от уплотнения, так как между отдельными пес­ чинками действуют не только поверхностные силы трения, но и капиллярно-молекулярные силы, адгезия и силы «зацепления» (песчинки одного слоя входят в поры сопряженного слоя смеси), которые увеличиваются с повышением степени уплотнения.

Вязкость значительно влияет на прочность смеси, ее уплотняемость и текучесть. Теоретически между вязкостью и теку-

честью жидкостей существует обратно пропорциональная зави­ симость, однако применительно к формовочным смесям эта зави­ симость нарушается.

Понятие текучести формовочных смесей строго определяется понятием пластичности. Текучесть характеризует способность смеси под действием внешнего давления получать пластические деформации без изменения объема и нарушения сплошности. Чем меньше нагрузка, при которой образец получает подобные пла­ стические деформации, тем больше показатель текучести смеси. Практически все смеси при деформациях изменяют также и объем.

кулярными и капиллярными силами. Они зависят от состава и

ной смеси становятся постоянными после предварительного уплотнения, при котором достигается состояние сплошности

В свою очередь, сплошность может быть получена при разру­ шении агрегатного строения (комковатости), характерного для смеси после ее приготовления [136]. Отсюда следует важный вы­ вод: пластические свойства влажных формовочных смесей в на­ чале уплотнения сильно зависят от их агрегатного состояния, а после достижения сплошности — не зависят.

Текучесть смеси падает при повышении ее прочности, что за­ трудняет изготовление форм и стержней. Поэтому представляет интерес изыскание смесей, обладающих одновременно высокими текучестью и прочностью; подобные смеси должны иметь малый коэффициент внутреннего трения и большую удельную силу сцеп­ ления при срезе. Существование подобных смесей доказано [111,

112]. К ним относятся песчано-бентонитовые смеси с добавкой битума, сульфитной барды и связующего КВС. Такая смесь с пре­

ное понятие—способность смеси формоваться вообще, и включает наряду с пластическими и другие свойства смеси: прочность, прилипаемость, структурное состояние и др. Иногда термин «фор­ муемость» применяют для выражения текучести или уплотняемости.

В работе [53 ] под формуемостью понимается способность смеси сжиматься и изменять свой исходный объем под действием сжи­ мающей силы, которая увеличивается от начального значения до предельной величины. Сверх предельной величины смесь практи­ чески не уплотняется. Это понятие формуемости несколько отли­ чается от определения уплотняемости, приведенного Б. К. Святкиным.

Подвижность [53] определяет способность смеси уплотняться при приложении давления, сообщающего смеси предельную плот­ ность при максимальной скорости деформации.

Заполняемость [53] характеризует свойство смеси переме­ щаться в направлении, не совпадающем с направлением уплот­ няющего давления, и заполнять свободный объем формы под дей-

ствием минимальной сжимающей силы, необходимой для дости­ жения заданной плотности смеси.

Приведенные определения заполняемости и подвижности шире понятия текучести и сыпучести. Отмеченные противоречия в опре­ делении пластических свойств смесей говорят о том, что теорети­ ческие исследования в этой области далеко не закончены.

Для оценки пластических свойств смесей не нашел должного применения модуль продольной деформации [133], позволяющий определить момент перехода смеси из области пластической де­ формации в область упругой деформации.

Структурное строение смеси изменяется по мере повышения уплотняющей нагрузки. Сначала разрушаются крупные конгло­ мераты, образованные отдельными комочками смеси, а затем исче­ зают и мелкие комочки, состоящие из обособленных групп песчи­ нок. Смесь, составленная из крупных и мелких комочков, имеет значительную пористость и повышенную объемную необратимую деформацию. После разрушения комковатой структуры смесь пе­ реходит в состояние сплошной среды и в соответствии со своим зерновым строением получает «естественную» пористость. Даль­ нейшая необратимая деформация, связанная со сжатием некото­ рых компонентов смеси или выдавливанием их в поры, становится минимальной. На графике уплотняющее давление — модуль про­ дольной деформации область необратимой деформации описы­ вается криволинейным участком, а упругой — прямолинейным.

Во всех существующих методах определения пластических свойств смесей не учитывается влияние сил внешнего трения, искажающих результаты исследования, что является значитель­ ным недостатком.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Испытание формовочных и стержневых смесей на пластические свойства не получило должного распространения в лабораториях литейных цехов, хотя интересы повышения качества смесей и от­ работки их оптимальных составов этого требуют, особенно в связи с автоматизацией и внедрением новых технологических процес­ сов изготовления форм и стержней (прессование под высоким дав­ лением, пескодувный и пескострельный способы и др.).

Существует большое количество разнообразных методов опре­ деления пластических свойств смесей, особенно текучести, однако общепризнанных способов контроля пока нет. Ниже описаны методы, которые получили сравнительно широкое распространение.

Определение текучести. И. А. Тавелинский и В. Л. Лесниченко [140] на основе анализа более ста исследований все методы определения текучести-разделили на четыре группы: 1) измерение степени уплотнения образца; 2) измерение количества переме­ стившейся под нагрузкой смеси; 3) измерение внутреннего сопро­ тивления смеси; 4) измерение сил связи между зернами неуплот­ ненной смеси (сыпучести).