Специалист контроля состава формовочных смесей для литейного производства

ЛЕКЦИЯ 2 : КЛАССИФИКАЦИЯ ФОРМОВОЧНЫХ ПЕСКОВ ПО ГОСТ 2138-91. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ГЛИНИСТЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ

ИСТОРИЯ РАЗРАБОТКИ ГОСТ 2138-91
Формовочные пески начали стандартизироваться в СССР еще в середине XX века. Первые нормативные документы касались в основном зернового состава и огнеупорности песков. ГОСТ 2138 впервые был принят в 1963 году, а его актуализированная версия 2138-91 была утверждена в 1991 году.

Основные изменения, внесенные в последнюю редакцию:
✔ Уточнение групп песков по содержанию глинистых частиц.
✔ Введение новых методов анализа химического состава.
✔ Регламентация испытаний газопроницаемости и прочности.
✔ Расширение требований к пескам для различных видов литья (сталь, чугун, цветные металлы).

На сегодняшний день ГОСТ 2138-91 продолжает применяться, но во многих случаях литейные предприятия используют собственные технические условия (ТУ) или международные стандарты.

СРАВНЕНИЕ С МЕЖДУНАРОДНЫМИ СТАНДАРТАМИ

Формовочные пески классифицируются не только по ГОСТ 2138-91, но и по международным стандартам, таким как ASTM (США), ISO 13503-2 (Международная организация по стандартизации) и DIN (Германия). Эти стандарты регулируют характеристики песков, используемых в литейном производстве, но между ними есть различия в методах тестирования, классификации и допустимых параметрах.

Таблица 1 – Сравнение ГОСТ 2138-91, ASTM и ISO

Параметр	ГОСТ 2138-91 (Россия)	ASTM (США)	ISO 13503-2 (Международный)
Основной минерал	Кварцевый песок	Кварц, циркон, оливин	Различные минеральные основы
Группы по глинистой составляющей	≤2%, 2–12%, 12–50%	Потери при прокаливании (%)	По размеру и форме зерен
Определение зернового состава	Ситовой анализ ГОСТ 8735	Метод ASTM E11 (анализ ситами)	Лазерная дифракция
Огнеупорность	Не менее 1500°C	Не менее 1400°C	В зависимости от применения
Определение газопроницаемости	Метод капиллярного потока	Метод Блейна (ASTM C204)	Метод фильтрации воздуха
Прочность формы	Метод компрессии	Метод прочностного теста на изгиб	Метод сдвигового теста

Классификация формовочных песков по различным стандартам

ГОСТ 2138-91 (Россия)

ГОСТ 2138-91 делит пески на три группы по содержанию глинистых составляющих:
✔ Кварцевые пески (К) – до 2% глины.
✔ Тощие пески (Т) – 2–12% глины.
✔ Жирные пески (Ж) – 12–50% глины.

Кроме того, пески классифицируются по зерновому составу, огнеупорности и содержанию кремнезема (SiO₂).

ASTM (США)

Американский стандарт ASTM C144 классифицирует пески по:
✔ Размеру зерен (анализ по ASTM E11).
✔ Химическому составу (определение содержания кремнезема и глин).
✔ Потерям при прокаливании – измеряется количество выгораемых веществ.

Методика тестирования песков также включает анализ прочности на изгиб для оценки стабильности форм.

ISO 13503-2 (Международный стандарт)

Этот стандарт используется в нефтегазовой промышленности и охватывает свойства песков, применяемых не только в литейном производстве, но и в буровых технологиях. Он включает:
✔ Анализ распределения частиц по размерам методом лазерной дифракции.
✔ Определение сферичности и округлости зерен – важный параметр для равномерного уплотнения формы.
✔ Тестирование на устойчивость к раздавливанию (метод испытания на сжатие).

ГОСТ 2138-91 ориентирован на литейное производство, где важно учитывать газопроницаемость, прочность формы и содержание глины.
ASTM применим для песков, используемых в строительстве и промышленности (включая производство цемента, керамики).
ISO 13503-2 больше ориентирован на нефтегазовую отрасль, но также может применяться для высокоточных литейных процессов.

Для отечественного производства ГОСТ 2138-91 остается основным стандартом, но с учетом глобализации все больше предприятий адаптируют методики ASTM и ISO для международных контрактов и экспорта литейной продукции.

1. Введение

1.1. Значение формовочных песков в литейном производстве

Формовочные пески являются одним из важнейших компонентов литейного производства. Они используются для создания форм, в которые заливается расплавленный металл, а также для изготовления стержней, образующих внутренние полости в отливках. От качества формовочного песка зависят механические свойства, точность размеров и чистота поверхности отливки.

Основные функции формовочного песка:

Формообразование – песок принимает форму модели, точно повторяя ее контуры.

Огнеупорность – защищает металл от контакта с воздухом и окружающей средой.

Газопроницаемость – обеспечивает выход газов, образующихся при заливке металла, предотвращая образование дефектов (газовых раковин, пористости).

Механическая прочность – должна выдерживать нагрузки при заливке и затвердевании металла.

Легкость разрушения после затвердевания металла – для удобного выбивания отливки из формы.

Рисунок 1 - График изменения температуры формы во времени при заливке металла

 

Представленный на рисунке 1 график наглядно демонстрирует влияние типа песка на процесс охлаждения формы. Это позволяет правильно выбирать состав формовочных смесей в зависимости от литейного процесса. Использование некачественного песка может привести к таким дефектам отливок, как пригар (приросты металлического слоя на поверхности), газовые раковины, усадочные дефекты и трещины. Поэтому контроль характеристик формовочного песка является одной из ключевых задач литейного производства.

1.2. ГОСТ 2138-91 и его роль

ГОСТ 2138-91 «Пески формовочные. Технические условия» регламентирует свойства и классификацию песков, используемых в литейном производстве. Этот стандарт определяет:

Допустимый зерновой состав – размеры частиц формовочного песка должны соответствовать требованиям для конкретных литейных процессов.

Содержание глинистых составляющих – этот показатель влияет на прочность, пластичность и газопроницаемость смеси.

Огнеупорность и химическую стойкость – важные параметры для предотвращения взаимодействия с расплавленным металлом.

ГОСТ 2138-91 применяется на предприятиях литейного производства, металлургических комбинатах и в лабораториях, занимающихся контролем качества литейных материалов.

1.3. Основные характеристики формовочных песков

Формовочные пески обладают следующими характеристиками:

Зерновой состав – определяет гладкость поверхности отливки и механическую прочность формы. Крупнозернистые пески обладают высокой газопроницаемостью, но создают шероховатую поверхность отливки, в то время как мелкозернистые пески обеспечивают гладкую поверхность, но ухудшают выход газов.

Содержание глинистых составляющих – влияет на прочность формовочной смеси. Небольшое количество глины улучшает сцепление частиц песка, но избыток глинистых частиц снижает газопроницаемость формы.

Огнеупорность – способность песка выдерживать воздействие высоких температур без разрушения. Для формовочных песков минимальная температура плавления должна составлять не менее 1500°C.

Газопроницаемость – способность песка пропускать через себя газы, образующиеся при заливке металла. Если газопроницаемость недостаточная, в отливке могут образоваться газовые раковины и пузыри.

Сыпучесть и формуемость – обеспечивают равномерное заполнение формы и легкость уплотнения смеси.

Прочность формы после затвердевания – важно, чтобы форма сохраняла свою структуру до момента заливки металла, но при этом легко разрушалась после затвердевания отливки.

Эти параметры являются ключевыми при классификации песков в соответствии с ГОСТ 2138-91.

2. Классификация формовочных песков по ГОСТ 2138-91

Формовочные пески классифицируются по ряду критериев, включающих содержание глинистых составляющих, химический состав, зерновой состав и физико-механические свойства. ГОСТ 2138-91 определяет строгие требования к каждому виду песка, чтобы обеспечить его соответствие технологическим нуждам литейного производства.

2.1. Основные категории формовочных песков

В зависимости от содержания глинистой составляющей формовочные пески делятся на три основные группы:

Кварцевые пески (К) – содержание глинистой составляющей не более 2%.

Применяются в процессах, где необходима высокая огнеупорность и газопроницаемость.

Обеспечивают точное воспроизведение формы и минимальный риск пригара.

Наиболее распространенный вид формовочного материала.

Тощие пески (Т) – содержание глинистой составляющей от 2% до 12%.

Имеют улучшенные связующие свойства за счет глинистых включений.

Используются в производстве мелкосерийных и крупногабаритных отливок.

Применяются в ручном и механизированном формовании.

Жирные пески (Ж) – содержание глинистой составляющей от 12% до 50%.

Обладают высокой пластичностью и прочностью.

Применяются при изготовлении сложных форм и стержней.

Ограничены в применении из-за низкой газопроницаемости и риска газовых дефектов в отливках

Рисунок 2 - Диаграммы состава различных видов формовочных песков

2.2. Классификация кварцевых песков

Кварцевые пески – наиболее распространенный тип, содержащий более 93% SiO₂. Их классификация по ГОСТ 2138-91 основана на следующих параметрах:

1. Массовая доля глинистой составляющей:

К1 – до 0,2%

К2 – до 0,5%

К3 – до 1,0%

К4 – до 1,5%

К5 – до 2,0%

2. Массовая доля диоксида кремния (SiO₂):

Группа 1 – не менее 99,0%

Группа 2 – не менее 98,0%

Группа 3 – не менее 97,0%

Группа 4 – не менее 95,0%

Группа 5 – не менее 93,0%

3. Средний размер зерна (мм):

01 – до 0,14 мм

016 – от 0,14 до 0,18 мм

02 – от 0,19 до 0,23 мм

025 – от 0,24 до 0,28 мм

03 – более 0,28 мм

Кварцевые пески обладают высокой огнеупорностью (температура плавления 1713°C) и хорошей химической инертностью. Однако они склонны к термическому расширению, что может приводить к образованию дефектов в отливках

2.3. Классификация тощих песков

Тощие пески содержат больше глинистых частиц, что повышает их связующие свойства, но снижает газопроницаемость. Они подразделяются на следующие категории:

1. Массовая доля глинистой составляющей:

Т1 – до 4,0%

Т2 – до 8,0%

Т3 – до 12,0%

2. Массовая доля диоксида кремния (SiO₂):

Т1 – не менее 96,0%

Т2 – не менее 93,0%

Т3 – не менее 90,0%

Тощие пески используются в изготовлении форм, требующих более высокой прочности, но с ограничением по выходу газов.

2.4. Классификация жирных песков

Жирные пески обладают высоким содержанием глины и максимальными связующими свойствами. Они классифицируются следующим образом:

1. По пределу прочности при сжатии во влажном состоянии (МПа):

Ж1 – более 0,08 МПа

Ж2 – от 0,05 до 0,08 МПа

Ж3 – менее 0,05 МПа

Жирные пески обладают низкой газопроницаемостью, поэтому их использование ограничено процессами, где критически важна прочность формы

2.5. Классификация по технологическим свойствам

В ГОСТ 2138-91 также приведена классификация песков по дополнительным параметрам:

Огнеупорность:

Пески для сталелитейного производства – не менее 1650°C

Для чугунного литья – не менее 1500°C

Газопроницаемость:

Высокая – более 300 ГП

Средняя – 150–300 ГП

Низкая – менее 150 ГП

Коэффициент однородности зерен:

Высокий – более 80%

Средний – 60–80%

Низкий – менее 60%

Таким образом, пески подбираются в зависимости от литейного процесса, типа металла и требуемых характеристик отливки​

Вывод по разделу

ГОСТ 2138-91 устанавливает четкую классификацию формовочных песков, что позволяет подбирать материалы с оптимальными характеристиками для различных литейных процессов. Основными факторами классификации являются:

✔ Содержание глинистых составляющих – влияет на прочность и газопроницаемость.
✔ Химический состав (SiO₂, примеси) – определяет огнеупорность и взаимодействие с расплавом.
✔ Зерновой состав – влияет на гладкость отливки и прочность формы.
✔ Физико-механические свойства – определяют возможность регенерации и повторного использования песка.

3. Определение содержания глинистых составляющих

Глинистые составляющие играют ключевую роль в формовочных смесях, обеспечивая их прочность и пластичность. Однако избыток глинистых частиц может ухудшать газопроницаемость формы, что приводит к дефектам отливки. ГОСТ 2138-91 устанавливает нормы содержания глинистой составляющей и регламентирует методы ее определения​

3.1. Глинистая составляющая и ее влияние на свойства формовочного песка

Глинистая составляющая включает тонкодисперсные частицы с размером менее 22 мкм, которые могут быть как полезными (активные глины), так и вредными (загрязнения, ухудшающие свойства смеси).

Положительное влияние глинистой составляющей

Улучшает сцепление зерен песка, обеспечивая прочность формовочной смеси.

Способствует пластичности, что облегчает формование и уплотнение смеси.

Повышает устойчивость формы при механических и термических нагрузках.

Отрицательное влияние глинистой составляющей

Снижение газопроницаемости, что может привести к образованию газовых раковин в отливке.

Повышенная влажность смеси, что усложняет сушку формы.

Риск образования пригара при взаимодействии с расплавленным металлом​

Рисунок 3 - График зависимости прочности формы от содержания глинистой составляющей

Оптимальное содержание глинистых составляющих для достижения максимальной прочности формы составляет 5-15%. С увеличением содержания глины свыше 15% наблюдается значительное снижение газопроницаемости, что может приводить к дефектам в отливке.

3.2. Методика определения содержания глинистых составляющих

Определение содержания глинистых составляющих проводится методом отмучивания, который основан на различной скорости осаждения частиц разного размера в жидкости.

Принцип метода

Глинистые частицы размером менее 22 мкм остаются во взвешенном состоянии при перемешивании с водой, а более крупные зерна оседают на дно.

После отстаивания мелкие частицы сливаются, а оставшийся песок высушивается и взвешивается.

Разница в массе до и после отмучивания определяет содержание глинистых составляющих.

Порядок проведения испытания (ГОСТ 29234.1–91)

Навеска 50–100 г формовочного песка помещается в сосуд с водой.

Смесь перемешивается в течение 5 минут для отделения глинистых частиц.

Взвесь отстаивается в течение 30 минут, после чего верхний слой сливается.

Процедура повторяется до полной очистки песка.

Оставшийся песок высушивается и взвешивается.

Содержание глинистой составляющей определяется по формуле:

где:

m₁​ – начальная масса навески, г;

m₂ – масса песка после отмучивания, г.

Результат выражается в процентах от исходной массы образца

3.3. Определение содержания активной и неактивной глины

Глинистая составляющая подразделяется на активную и неактивную:

Активная глина – участвует в формировании прочности смеси, связывая зерна песка.

Неактивная глина – утратила связующие свойства из-за термического воздействия или примесей.

Определение содержания активной глины проводится методом адсорбции метилена голубого (ГОСТ 23409.14–78):

Навеска песка перемешивается с водным раствором красителя.

По изменению окраски раствора определяется количество активных глинистых частиц.

Чем больше метилена голубого адсорбируется, тем выше содержание активной глины​

Допустимое содержание активной глины:

Для сталелитейного литья – не более 5%.

Для чугунного литья – до 10%.

3.4. Определение выгорающих веществ и термически разлагаемых компонентов

Некоторые глинистые составляющие содержат органические примеси или карбонаты, которые могут разлагаться при высоких температурах. Это приводит к образованию газов, что негативно сказывается на качестве отливки.

Метод определения (ГОСТ 23409.18–78):

Навеска песка высушивается и прокаливается при 900–1000°C.

Разница массы до и после прокаливания показывает потери, вызванные разложением органики и карбонатов.

Допустимое содержание выгорающих веществ:

Для чугунного литья – до 4%.

Для стального литья – до 2%.

Если содержание летучих превышает нормы, это может привести к образованию газовых раковин и ухудшению механических свойств отливки

3.5. Практическое значение определения глинистых составляющих

Контроль содержания глинистых составляющих позволяет:
✔ Исключить пески с низкой газопроницаемостью и высоким риском образования дефектов.
✔ Оптимизировать состав формовочных смесей для различных типов литья.
✔ Разрабатывать регенерационные процессы для повторного использования песка.
✔ Повысить экологическую безопасность литейного производства за счет снижения отходов.

Современные лабораторные методы анализа (рентгенофазовый анализ, лазерная дифракция) позволяют определять содержание глинистых составляющих с высокой точностью, что снижает вероятность брака на литейных предприятиях

4. Заключение

ГОСТ 2138-91 устанавливает жесткие требования к содержанию глинистых составляющих в формовочных песках, поскольку этот параметр влияет на прочность, пластичность, газопроницаемость и устойчивость форм при заливке металла.

Определение содержания глинистых компонентов методами отмучивания, адсорбции метилена голубого и прокаливания позволяет контролировать качество формовочных песков, что в свою очередь повышает точность и качество литейных отливок.

Использование современных методик контроля состава песков обеспечивает минимизацию брака, снижение затрат и повышение экологической безопасности литейных процессов​.