Smėlio rūšys liejant smėlį: Išsami apžvalga

Turinys Parodyti

1. Įvadas

Smėlis tarnauja kaip stuburas Smėlio liejimas, formuoja pelėsių ertmę, kuri tiesiogiai formuoja kiekvieną liejinį.

Pakuodami smėlį aplink raštą, liejyklos sukuria neigiamą įspūdį, į kurį įteka išlydytas metalas, sukietėja, ir įgauna galutinę geometriją.

Smėlio pasirinkimas vaidina pagrindinį vaidmenį: tai daro įtaką paviršiaus apdailai, dujų pralaidumas, matmenų tikslumas, ir galiausiai, Kaina.

Tolesniuose skyriuose, nagrinėjame pagrindines smėlio sistemas – žalią, chemiškai sujungti, natrio silikatas, padengtas derva, ir specialus smėlis – išryškinant jų kompozicijas, savybių, ir idealus pritaikymas.

2. Žalias smėlis

Žalias smėlis tarnauja kaip darbo arklio pelėsių terpė per 70% pasaulinių smėlio liejimo operacijų.

Liejyklos jį mėgsta dėl mažos kainos, pakartotinio naudojimo paprastumas, ir prisitaikymas prie įvairių dalių dydžių ir geometrijų.

Kompozicija

Įprastame žalio smėlio mišinyje yra:

Komponentas	Tipinė proporcija	Funkcija
Silicio smėlis	85– 90 masės %	Suteikia ugniai atsparų skeletą ir apibrėžimą
Bentonito molis	5– 10 masės %	Suteikia plastiškumo, „žalioji jėga,“ ir sulankstymas
Vanduo	2– 4 masės %	Suaktyvina molio rišiklį; kontroliuoja pelėsių plastiškumą
Priedai (jūros anglis, 1– 3 masės %)	1– 3 masės %	Pagerina paviršiaus apdailą ir suteikia blizgios anglies

Pagrindinės savybės

Drėgmės kiekis (2–4 %)
Užtikrina gerą smėlio plastiškumą raštui įspausti. Per mažai drėgmės sukelia trupėjimą; per daug duoda prastą pralaidumą ir dujų defektus.
Žalioji jėga (30-50 psi)
Matuoja neiškeptos formos gebėjimą išlaikyti išlydytą metalą nesugriuvus.
Pralaidumas (200– 400 PN)
Nurodo, kaip lengvai dujos išsiskiria iš pelėsio ertmių – tai labai svarbu, kad būtų išvengta poringumo.
Sutraukiamumas (0.5– 1,5 mm)
Apibūdinama pelėsių kontroliuojama deformacija kietėjant, sumažinti karštų ašarų defektus.

Privalumai ir programos

Žalias smėlis Mažos įrankių kainos ($50– 200 USD už formą) ir pakartotinis naudojimas per 5–20 ciklų kad jis idealiai tinka dideliems,

sunkūs liejiniai, pavyzdžiui, variklio blokai, siurblių korpusai, ir žemės ūkio technikos komponentai.

Liejyklos taip pat naudoja žalią smėlį prototipų dalims, kur svarbi greita apyvarta ir minimalios išankstinės investicijos.

Apribojimai & Sušvelninimai

Matmenų tolerancija (± 0,5–1,5 %)
Žaliojo smėlio formų tolerancijos yra mažesnės nei dervos surišimo procesai. Inžinieriai griežtina tolerancijas tiksliai kontroliuodami molio ir drėgmės lygį.
Išplovimas plonose sekcijose
Ilgalaikis kontaktas su išlydytu metalu gali išgraužti smulkias detales. Molio kiekio padidinimas arba ugniai atsparių dangų padengimas pelėsių sienoms sumažina išplovimą.

3. Cheminiu būdu surištas smėlis

Chemiškai sujungtos smėlio sistemos paverčia paprastus silicio dioksido grūdelius į aukštos kokybės formas ir šerdis, kaip rišiklius naudodamos sintetines dervas.

Liejyklos pasirenka iš trijų pagrindinių dervų cheminių medžiagų – fenolio, furanas, ir epoksidinė medžiaga – kiekviena pritaikyta tam tikram stiprumui, išgydyti, ir dujų gamybos profiliai.

Dervos tipai ir savybės

Fenolio dervos: Pasiūlyti puikų šiluminį stabilumą (iki 300 ° C.) ir mažas dujų išsiskyrimas (≤ 0.2 L/kg smėlio).
Jie pasiekia 200–300 psi suolelio stiprumą (1.4– 2,1 MPa) per 5-10 minučių.
Furano dervos: Greitai išgydyti (1– 3 minutes) su vidutiniu dujų išsiskyrimu (0.3–0,5 l/kg).
Jų stendo stiprumas siekia 250–350 psi (1.7– 2,4 MPa), todėl jie idealiai tinka vidutinio ilgio plieno liejiniams.
Epoksidiniai rišikliai: Pateikite didžiausias jėgas (300-400 psi / 2.1– 2,8 MPa) ir minimali dujų išeiga (< 0.1 L/kg).
Nors gijimo laikas siekia 15–30 minučių, epoksidinis smėlis sukuria išskirtinai švarius plonasienių aliuminio dalių paviršius.

Perėjimas nuo dervos chemijos prie proceso pasirinkimo, liejyklos renkasi Nekepti ir Cold-Box metodai:

Nekepimo procesas

Mechanizmas: Sumaišykite smėlį su skysta derva ir katalizatoriumi; leiskite pelėsiui sukietėti aplinkos temperatūroje.
Privalumai: Paprasta sąranka, energetiškai efektyvus (nėra išorinio šildymo), talpina dideles formas (> 2 m ilgio).
Tipinė metrika: Suspaudimo stiprybės > 10 MPa per 2–5 minutes; stendo tarnavimo laikas 10–15 minučių formų surinkimui.

„Cold-Box“ procesas

Mechanizmas: Supilkite smėlio ir dervos mišinį į kolbą, tada praleiskite dujinį aminų katalizatorių per smėlį, kad greitai sukietėtų.
Privalumai: Ciklo laikas toks mažas kaip 30 sekundės, idealiai tinka didelės apimties gamybai ir sudėtingoms šerdims.
Tipinė metrika: Gniuždymo stipris 10–15 MPa žemiau 1 minutę; Mažas likutinis katalizatorius sumažina defektus.

Nors chemiškai sujungtas smėlis pristato stendo stiprumas iki 15 MPA ir sulankstymas tinka sudėtingoms geometrijoms, jie reikalauja griežto dujų valdymas.

Dėl per didelio dujų išsiskyrimo gali atsirasti skylių ir pūtimo angų; taigi, liejyklos reguliuoja dervos dozavimą,

optimizuoti šerdies dėžutės ventiliaciją, ir naudokite vakuuminį arba žemo slėgio liejimą, kad sumažintumėte defektus.

Paraiškos svyruoja nuo didelių laivų variklių blokų, kur matmenų leistinos nuokrypos yra griežtesnės iki ± 0.2 mm – į aviacijos ir erdvėlaivių turbinų korpusus, kuriems reikalingas Ra ≤ 2 µm apdaila.

Šiuose scenarijuose, chemiškai sujungtas smėlis atitinka matmenų tikslumo ir paviršiaus kokybės standartus, kurių žalias smėlis negali pasiekti.

4. Natrio silikatas (Vandens stiklas) Smėlis

Remiantis chemiškai sujungtomis sistemomis, natrio silikatinis smėlis– dažnai skambinama vandens stiklo smėlis– siūlo išskirtinį CO₂ kietėjimo mechanizmą, kuris subalansuoja greitį, stiprybė, ir paviršiaus kokybė.

Liejyklos jį pirmiausia naudoja šerdies gamybai ir vidutinio tūrio liejiniams, kur svarbu greitas apyvartumas ir gera apdaila.

Natrio silikatas (Vandens stiklas) Smėlis

Surišimo mechanizmas ir CO₂ kietėjimas

Maišymas: Operatoriai susimaišo silicio smėlis su skystu natrio silikato tirpalu (8-12 masės %).
Formos surinkimas: Technikai supakuoja arba nušauna šlapią smėlį aplink raštą arba šerdies dėžutę.
CO₂ kietėjimas: Srautas iš 100% CO₂ (debitas 4–8 m³/val) praeina per formą.
Nustatyti laiką: Susidaro silikatinis gelis 10– 30 sekundžių, gaunama tvirta forma, paruošta nedelsiant surinkti.

Dėl šio greito sukietėjimo, natrio silikato šerdys gali patekti į kolbą ir būti įpiltos 1– 2 minutes CO₂ poveikio, žymiai sutrumpina ciklo laiką, palyginti su dervos sistemomis.

Privalumai

Greitas Gydymas: Visiškas geliavimas apačioje 30 sekundės pašalina ilgus suolelio laikus, pralaidumo didinimas.
Gera paviršiaus apdaila: Sukietėjusių šerdžių paviršius yra nelygus Ra 3–5 µm, smulkesnis už žalią smėlį 30–50 %.
Mažas dūmų ir kvapo kiekis: Kietinant CO₂ susidaro nereikšmingi lakūs šalutiniai produktai, gerinti liejyklos darbo sąlygas.
Pakartotinis naudojimas: Tinkamai atgavus, natrio silikatinis smėlis gali cirkuliuoti 8–12 naudojimas prieš reikšmingą stiprumo praradimą.

Trūkumai

Melioracijos iššūkiai: Būtinas didelis natrio karbonato kiekis drėgna arba terminė melioracija 600–800 °C temperatūroje nuimti rišiklius – tai padidina energijos sąnaudas.
Sumažėjęs smėlio gyvenimas: Perdirbtas smėlis ilgainiui kaupia karbonatą ir smulkias daleles, žeminantis jėgą iki 15% po to 10 ciklai.
Jautrumas drėgmei: Aplinkos drėgmė aukščiau 70% gali iš anksto sukietėti mišinius arba sulėtinti CO₂ prasiskverbimą, reikalinga klimato kontrolė.

Paraiškos

Liejyklos naudoja natrio silikatinį smėlį, kai reikia greičio ir tikslumo balanso:

Šerdies kūrimas: Dujomis grūdintos šerdys siurblio sparnuotėms, vožtuvo kūnai, ir šilumos mainų kanalus.
Vidutinio dydžio plieno liejiniai: Kolektoriai ir pavarų dėžės korpusai (10-200 kg diapazonas) kuriems reikia nedidelių matmenų tolerancijos (± 0.3 mm).

5. Derva padengtas smėlis

Derva padengtas smėlis – dažniausiai naudojamas Korpuso formavimas– derinti chemiškai sujungtų sistemų tikslumą su didelės apimties gamybos greičiu.

Taikant ploną, iš anksto katalizuotas dervos sluoksnis kiekvienam smėlio grūdeliui, liejyklos sukuria tvirtus „apvalkalus“, kurie fiksuoja smulkias detales ir išlaiko išskirtinį matmenų tikslumą.

Korpuso formavimo procesas

Dervos danga: Gamintojai vienodai padengia didelio grynumo silicio dioksido smėlį (AFS 50–70) su 1– 2 masės % termoreaktingoji derva (fenolis arba epoksidinė derva).
Korpuso formavimasis: Jie varto padengtą smėlį aplink a iš anksto pašildytas modelis (175–200 °C); šiluma sukietina dervą, apytiksliai suformuojant standų apvalkalą 2–5 mm storas.
Šerdies surinkimas: Technikai pašalina nesurištą smėlį, sudėkite lukšto puses į kolbą, ir užpilkite nepadengtu smėliu atramai.
Liejimas: Greitai gaminant apvalkalą gaunamos liejimo formos – dažnai viduje 5 minučių modelio pašalinimas.

Pagrindiniai pranašumai

Išskirtinė paviršiaus apdaila: Liejiniai iš apvalkalo pasiekia Ra ≤ 2 µm – iki 80% lygesni nei žalio smėlio analogai.
Griežtos nuokrypiai: Matmenų tikslumas siekia ± 0.1 mm, sumažinant apdirbimą 30–40%.
Plonasienės galimybė: Sienos plonos kaip 1 mm su minimaliomis karštomis ašaromis ar išplovimu.
Patogus automatikai: Gaminamos ištisinės apvalkalo linijos 100– 200 kriauklių per valandą, palaiko didelį pralaidumą.

Išlaidų ir ciklo laiko svarstymai

Metrika	Korpuso formavimas	Žalias smėlis	Mirti liejimas
Pelėsių kaina	$500– 2000 USD už apvalkalą	$50– 200 USD už formą	$10,000– 100 000 USD/die
Ciklo laikas	5– 10 min/apvalkalas	20– 60 min	Sekundės vienam šūviui
Dalies tomas	1,000– 50 000 per metus	100– 10 000 per metus	10,000–1 000 000 per metus
Apdirbimo sumažinimas	30–40 %	0–10 %	40–60 %

Nors apvalkalo formavimas reikalauja didesnių išankstinių išlaidų, jo greiti ciklai ir sumažinta apdaila padaryti jį ekonomiškai patrauklų vidutinis gamybos eigos (1,000– 50 000 vienetų).

Tikslinės pramonės šakos ir programos

Automobilių turbokompresorių korpusai: Plonasienis, Aukštos temperatūros komponentai naudojasi korpuso formavimo tikslumu.
Oro erdvės pavarų dėžės korpusai: Griežtos nuokrypiai (± 0.1 mm) ir puiki apdaila atitinka griežtus sertifikavimo standartus.
Tikslieji medicinos prietaisai: Sudėtingos geometrijos su Ra < 2 µm paviršiams beveik nereikia jokių antrinių operacijų.
Elektronikos korpusai: Mažas, Sudėtingose slėginio liejimo alternatyvose naudojamos apvalkalo formos, kad būtų išvengta poringumo ir pagerintas EMI veikimas.

6. Specialūs smėlis ir priedai

Daugiau nei standartiniai silicio dioksido mišiniai, dislokuoja liejyklos specialus smėlis ir priedų spręsti aukštos temperatūros paslaugas, pagerinti paviršiaus kokybę, ir tiksliai sureguliuokite pelėsių elgesį.

Pritaikius smėlio chemiją ir grūdelių savybes, inžinieriai optimizuoja liejinius reiklioms reikmėms.

Aukštos temperatūros smėlis

Kai išlydyto metalo temperatūra viršija 1,300 °C arba kai svarbus atsparumas šiluminiam smūgiui, liejyklos pakeičia arba sumaišo ugniai atsparų smėlį:

Smėlio tipas	Kompozicija	Lydymosi taškas	Nauda	Tipiniai naudojimo atvejai
Cirkoninis smėlis	ZrSiO₄	> 2,200 ° C.	Išskirtinis atsparumas ugniai; labai mažas šiluminis plėtimasis (4.5 × 10⁻⁶/K); minimalus metalo įsiskverbimas	Super lydinio turbinos mentės; plieno luitų formos
Olivino smėlis	(Mg,Fe)₂SiO₄	~ 1,900 ° C.	Geras terminis stabilumas; mažas purumas; vidutinė kaina (10–20% virš silicio dioksido)	Sunkiųjų profilių plieno ir geležies liejiniai
Chromo smėlis	FeCr₂O4	> 1,700 ° C.	Aukštas šilumos laidumas (≈ 7 W/m · k); sumažinta smėlio ir metalo cheminė reakcija	Aukštos temperatūros lydinio investicinis liejimas; stiklo formos

Paviršiaus kokybės priedai

Norint pasiekti lygesni lieti paviršiai ir sumažinti išplovimą, liejyklos įveda smulkių organinių arba anglies turinčių priedų:

Anglies dulkės (Jūros anglis)

- Dozavimas: 1– 3 masės % smėlio mišinio
- Funkcija: Liejimo temperatūroje, lakiosios anglies medžiagos nusodina ploną anglies sluoksnį, kuris pagerina metalo tekėjimą ir sumažina smėlio susiliejimą, paviršiaus apdaila 20–30 % geresnė nei neapdorotas smėlis.

Blizgantys anglies priedai

- Chemija: Akmens anglių deguto pikio ir grafito mikrosferų mišinys
- Nauda: Formos ertmėje sukuria blizgančią anglies plėvelę, dar labiau padidina detales ir neleidžia metalui prasiskverbti į smėlio poras – tai labai svarbu didelio tikslumo aliuminio ir žalvario liejiniams.

Grūdelių dydis ir smulkumas

The Amerikos liejyklų draugija (AFS) Grūdų smulkumo skaičius veda smėlio pasirinkimą:

AFS numeris	Vidutinis grūdų skersmuo	Poveikis pelėsių elgesiui
30–40	0.6-0,8 mm	Didelis pralaidumas, grubi apdaila
50–70	0.3– 0,6 mm	Pralaidumo ir detalumo balansas
80–100	0.2– 0,3 mm	Puiki detalė (Ra ≤ 3 µm), mažesnis pralaidumas

Grubus smėlis (AFS 30–40): Idealiai tinka sunkioms atkarpoms, kur dujų ištekėjimas viršija paviršiaus reikalavimus.
Vidutinis smėlis (AFS 50–70): Darbinis arkliukas bendriesiems inžineriniams liejiniams, siūlantis kompromisą tarp užpildymo ir detalumo.
Smulkus smėlis (AFS 80–100): Reikalingas plonoms sienoms, aštrių kraštų, ir mažos funkcijos, bet dažnai maišomas su stambesniais grūdeliais, kad būtų išlaikytas dujų srautas.

7. Pagrindinės smėlio, skirto lieti smėliui, savybės

Nuosavybė	Svarba	Tipiškas diapazonas
Drėgmės kiekis	Plastiškumas vs. pralaidumas	2-4%
Žalioji jėga	Formos stabilumas prieš pilant	30-50 psi (0.2-0,3 MPa)
Pralaidumas	Dujų išbėgimas liejant	200–400 (pralaidumo skaičius)
Atsparumas ugniai	Atsparumas išlydyto metalo temperatūrai	1,200–1400 °C
Sutraukiamumas	Lengvas smėlio pašalinimas po sukietėjimo	0.5–1,5 mm deformacija
Grūdų smulkumas	Paviršiaus apdaila vs. pralaidumas	AFS 40–100

8. Smėlio pasirinkimas specifiniams liejimo darbams

Remiantis metalo tipu

Skirtingiems metalams dėl jų lydymosi taškų ir reaktyvumo reikalingos skirtingos smėlio charakteristikos:

Juodųjų metalų lydiniai (Lygintuvas, Plienas):
Šie metalai liejasi aukštoje temperatūroje, dažnai aukščiau 1,400 ° C., reiklus smėlis su puikiais atsparumas ugniai, atsparumas metalo įsiskverbimui, ir Šiluminis stabilumas.
Įprasti pasirinkimai apima:

- Chromo smėlis – puikus šilumos laidumas ir atsparumas sintezei
- Didelio grynumo silicio smėlis – ekonomiškas ir plačiai prieinamas, su vidutiniu atsparumu ugniai

Spalvotųjų metalų lydiniai (Aliuminis, Vario, Cinkas):
Šie liejami žemesnėje temperatūroje (600–1100 °C) ir yra jautresni dujų defektams bei paviršiaus šiurkštumui. Idealios smėlio sistemos apima:

- Cirkoninis smėlis – mažas šiluminis plėtimasis ir puiki paviršiaus apdaila
- Smulkiagrūdis kvarcinis smėlis – ekonomiškas ir pasižymintis aukšta detalių skyra

Remiantis liejimo sudėtingumu

Paprastos formos: Žalias smėlis gali būti ekonomiškas pasirinkimas, nes jį lengva formuoti.
Sudėtingos formos: Chemiškai sujungti smėliai (ypač Cold – Box) arba derva – dengtas smėlis, skirtas korpuso formavimui, yra geresnis dėl jų tikslumo ir detalumo – laikymo galimybių.

Remiantis gamybos apimtimi

Mažos apimties gamyba: Žalias smėlis yra populiarus dėl mažos kainos ir pakartotinio naudojimo.
Didelės apimties gamyba: Chemiškai sujungti smėliai (Šaltis – dėžutė) arba derva – padengtas smėlis užtikrina pastovią kokybę ir greitesnį ciklo laiką, nepaisant didesnių pradinių išlaidų.

9. Smėlio regeneravimas ir perdirbimas liejant smėlį

Smėlio melioracijos svarba

Aplinkosaugos: Sumažina gryno smėlio paklausą, tausojant gamtos išteklius, ir kuo labiau sumažinti sąvartynų atliekas.
Ekonominis: Sumažina smėlio įsigijimo ir šalinimo išlaidas, leisdami liejykloms daug sutaupyti.

Melioracijos metodai

Fizinė melioracija: Mechaniniai procesai, tokie kaip atranka, nusidėvėjimas, ir šveitimas, siekiant pašalinti rišiklius ir teršalus. Tinka smėliams su paprastais rišikliais (Pvz., Žalias smėlis).
Šiluminis regeneravimas: Naudoja šilumą, kad sudegintų rišiklius ir organinius teršalus. Veiksmingesnis sudėtingiems rišikliams, tačiau reikalauja daugiau energijos ir yra brangesnis.

Regeneruotas smėlis vs. Mergelės smėlis

Regeneruotas smėlis gali turėti šiek tiek kitokias savybes, pvz., grūdelių dydis ir rišiklio kiekis. Tačiau, su tinkama kokybės kontrole, jis gali atitikti daugelio liejimo programų reikalavimus.

Poveikio aplinkai ir sąnaudų – naudos analizė

Nors melioracija turi tam tikrą poveikį aplinkai (Pvz., energijos sunaudojimas šiluminėje regeneracijoje), bendra nauda aplinkai viršija tik gryno smėlio naudojimo poveikį.

Ekonomiškai, sutaupytos melioracijos paprastai viršija investicijas į įrangą ir procesus.

10. Ateities smėlio liejimo tendencijos

Naujų smėlio medžiagų kūrimas

Tyrimų pastangos sukurti naujas smėlio rūšis su patobulintomis savybėmis, pvz., pagerintas atsparumas ugniai, mažesnis šiluminis plėtimasis, ir geresnis aplinkos suderinamumas.
Alternatyvių tradicinių smėlio rūšių medžiagų tyrimas, pvz., sintetinis smėlis arba smėlis, gautas iš atliekų.

Binder technologijos pažanga

Aplinkai nekenksmingesnių rišiklių su mažesne emisija ir geresniu našumu kūrimas.
Kaip naujos rišiklių technologijos gali pagerinti stiprumą, pralaidumas, ir kitos smėlio formų ir šerdžių savybės, todėl gaunami aukštesnės kokybės liejiniai.

Smėlio tvarkymo ir apdorojimo automatika

Vis dažniau naudojamas automatizavimas smėlio liejimo procesuose, įskaitant smėlio maišymą, lipdymas, ir melioracija.
Kaip automatizavimas gali pagerinti smėlio tvarkymo nuoseklumą ir efektyvumą, sumažinti darbo sąnaudas, ir pagerinti bendrą liejimo proceso kokybę.

11. Išvada

Pasirinkus tinkamą smėlio tipą, susidaro sėkmingo smėlio liejimo pagrindas.

Nuo universalaus žalio smėlio iki tiksliai derva dengtų apvalkalų, kiekviena sistema suteikia unikalių pranašumų ir kompromisų.

Suprasdami smėlio sudėtį, pagrindinės savybės, ir melioracijos strategijos, liejyklų inžinieriai užtikrina aukštos kokybės liejinius, ekonomiška gamyba, ir aplinkos tvarkymas.

Tobulėjant smėlio technologijoms – naudojami ekologiški rišikliai, skaitmeninis procesų valdymas, ir priedų gamyba – liejimas smėliu ir toliau naudos naujoviškas programas įvairiose pramonės šakose.