| 2. СВОЙСТВА ЖСС
В настоящее время известно два различных подхода к классификации свойств формовочных смесей.
П. П. Берг подразделяет свойства формовочных материалов и самих смесей на первичные и вторичные. Первичные свойства относятся в основном к исходным форвомочным материалам, а вторичные — к формовочным смесям. Вторичные свойства смесей условно делятся на четыре группы:
1) физические (теплопроводность, теплоемкость, огнеупорность);
2) гидравлические (пористость, газопроницаемость, газотворность);
3) механические (прочность смесей во влажном состоянии и после нагрева);
4) технологические (текучесть, пригораемость, долговечность).
Б. Б. Гуляев и В. С. Кривицкий, исходя из схемы кругооборота смесей в литейном цехе, подразделяют их свойства на три группы:
1) технологические, которые проявляются на стадии переработки смесей и формовки (например, прилипаемость, живучесть, текучесть, выбиваемость и др.);
2) рабочие, проявляющиеся на стадии взаимодействия смеси с металлом (например, газопроницаемость, газотворность, пригораемость и пр.);
3) общие, характеризующие формовочную смесь как дисперсную систему (например, объемная масса, пористость, влажность и др.).
Как видим, классификация свойств смесей носит условный характер и определяется теми классификационными признаками, которые положены в ее основу. Что касается жидких самотвердеющих смесей, то остановимся лишь на основных, наиболее характерных свойствах, в значительной мере определяющих специфические особенности этих смесей.
К таким свойствам ЖСС можно отнести текучесть, живучесть, прочность, продолжительность твердения, гидравлические свойства и выбиваемость. Из гидравлических свойств ЖСС следует выделить газопроницаемость и газовый режим стержней и форм. Прочностные свойства жидких смесей и продолжительность их твердения были подробно рассмотрены выше.
Для удобства изложения свойства смесей условно разделены на две группы: 1) свойства при нормальных температурах; 2) свойства при высоких температурах.
К первой группе свойств мы относим текучесть, живучесть, прочность, газопроницаемость и взаимосвязь основных свойств между собой.
Вторая группа свойств включает газовый режим, прочность смесей при нагреве и после охлаждения, в том числе свойства, определяющие выбиваемость смеси, ее податливость и деформацию.
Основные свойства жидких смесей рассматриваются на примере ЖСС с жидким стеклом и феррохромовым шлаком. Свойства других составов жидких смесей приводятся главным образом для сравнения и сопоставления.
Изучению свойств ЖСС посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей.
Большинство из опубликованных работ носят разрозненный характер, в них рассматривается какое-то одно свойство ЖСС
в отрыве от других их характеристик и не дается достаточно полного представления о специфических свойствах жидких смесей.
Как будет показано ниже, важной особенностью ЖСС является то, что их основные свойства тесно взаимосвязаны. Свойства ЖСС должны оцениваться комплексно, с одновременным контролем нескольких характеристик смеси.
Текучесть
Под текучестью формовочных смесей в общепринятом понимании подразумевают их способность перемещаться под действием внешних сил или собственного веса и воспроизводить конфигурацию стержневого ящика или модели. Течение смеси под воздействием собственного веса означает сыпучесть. В этих случаях текучесть определяется как технологическое понятие. Независимо от степени текучести обычных формовочных смесей, изготовление из них стержней и форм должно сопровождаться обязательным уплотнением смеси. Различия могут быть лишь в методах и усилиях уплотнения.
Применительно к жидким самотвердеющим смесям термин текучесть приобретает более точный физический смысл. Он больше соответствует своему буквальному значению. Здесь текучесть проявляется как самостоятельный фактор формирования стержня и формы, когда смесь действительно может течь под воздействием собственного веса, свободно заполняя полость стержневого ящика или воспроизводя конфигурацию модели без каких-либо механических усилий. Высокая текучесть ЖСС позволяет полностью отказаться от уплотнения смеси при формовке.
Обычная, нежидкая формовочная смесь представляет собой пористую дисперсную систему, обладающую определенной степенью связности или сцепления. Сопротивление сдвигу (τсд, кгс/см2) такой и аналогичной ей систем в соответствии с законом Кулона обусловлено действием сил трения и сцепления между частицами смеси:
где pн — нормальное напряжение, кгс/см2; φ — угол внутреннего трения, a tgφ представляет собой коэффициент внутреннего трения f; с' — сцепление на единицу площади, кгс/см2.
Силы сцепления вызываются рядом факторов: присутствием в смеси связующих компонентов, действием молекулярных и капиллярных сил. Для сухого песка силы сцепления практически равны нулю (с' = 0) и уравнение (20) принимает вид
При увлажнении песка силы сцепления сначала возрастают, затем, по мере увеличения толщины пленки, снижаются.
Коэффициент внутреннего трения зависит от крупности и формы зерен смеси, от степени уплотнения и величины пористости. Пески с остроугольными шероховатыми зернами обладают значительным внутренним трением.
П. П. Берг приводит следующие значения угла внутреннего трения φ°, сил сцепления с' для чистого кварцевого песка и песчано-бентонитовой смеси (10% бентонита, 6,5% воды) при различной плотности смеси р и текучести
 представляющей собой отношение нормального напряжения σ1 к боковому напряжению σ2 (табл. 39).
В табл. 40, поданным работы [97 ], приведены средние значения угла внутреннего трения φ и коэффициента внутреннего трения f для некоторых материалов, применяющихся в составах ЖСС.
По мнению С. С. Жуковского, сопротивление сдвигу для сыпучих самотвердеющих смесей типа ХТС зависит главным образом от сил сцепления с'. В жидких смесях вследствие разобщения твердых частиц смеси пузырьками пены силы внутреннего трения и сцепления снижаются до минимума. В этом случае коэффициент внутреннего трения смеси может характеризоваться ее вязкостью η, а силы сцепления — предельным напряжением сдвига θ и уравнение (20) превращается в уравнение Шведова- Бингама
Нашими работами, выполненными совместно с С. С. Жуковским, показано, что ЖСС относятся к числу структурированных жидкостей, не подчиняющихся законам Ньютона и Пуазейля. Для
Истинных ньютоновских жидкостей градиент скорости сдвига пропорционален приложенному напряжению:
где τсд — напряжение сдвига; η — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом вязкости; — градиент скорости.
Для ньютоновских жидкостей вязкость не зависит от скорости сдвига. Кривая течения для этих жидкостей в координатах напряжение — скорость сдвига имеет вид прямой, проходящей через начало координат с котангенсом угла наклона (рис. 77, кривая 1).
Для систем с пластическим течением уравнение Ньютона заменяется уравнением Бингама:
Жидкости, не подчиняющиеся закону Ньютона, называются аномальными или неньютоновскими. Изучая эту аномальность, Бингам в 1922 г. предположил, что в системе с малопрочной пространственной структурой течение может начаться тогда, когда напряжение сдвига τсд превысит некое критическое значение θ, необходимое для разрушения структуры, т. е. когда начнет соблюдаться условие τсд — 6 > 0. Такое течение Бингам назвал пластическим, а критическое (предельное) напряжение сдвига θ —
где η' — вязкость, соответствующая пластическому течению системы.
При отсутствии в системе пространственной структуры значение θ становится равным нулю и уравнение Бингама переходит в уравнение Ньютона, а пластическая вязкость η' — в истинную вязкость.
Таким образом, для неньютоновских жидкостей течение характеризуется двумя параметрами — предельным напряжением сдвига θ и пластической вязкостью η'. Бингам принимал, что после того как τсд превысит θ и система начнет течь, вязкость ее останется постоянной. В этом случае зависимость от τсд будет выражаться прямой линией с котангенсом угла β, образуемого прямой 2 (рис. 77) с осью абсцисс и равного пластической вязкости η'. На самом деле, для большинства структурированных систем зависимость от τсд выражается не прямой, а кривой (рис. 77, кривая 3). Объясняется это тем, что после достижения предела текучести пространственная структура в системе разрушается не сразу, а постепенно, с увеличением градиента скорости сдвига.
Соответственно можно различать три критических напряжения на сдвиг: 1) θн — минимальный предел текучести, отвечающий началу течения — начало разрушения пространственной структуры; 2) θв — предел текучести по Бингаму и 3) θm — максимальный предел текучести, при котором кривая переходит в прямую линию. θm соответствует тому напряжению сдвига, при котором структура в жидкости полностью разрушается.
ЖИДКИЕ САМОТВЕРДЕЮЩИЕ СМЕСИ
П.А. БОРСУК, А.М. ЛЯСС
МОСКВА, 1979 |
