Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 14
1.1. Основные задачи повышения качества, снижения себе стоимости и усовершенствования технологии изготовления отливок, получаемых с применением порошков термитных смесей 15
1.2. Технологии с применением порошков термитных смесей 19
1.3. Выводы 69
ГЛАВА 2. Основные методики исследований 70
2.1. Постановка экспериментов и объекты исследований 70
2.2. Исходные материалы для приготовления термитных смесей и изготовления форм 72
2.3. Приготовление составов термитных смесей 75
2.4. Контроль свойств и качества порошкообразных термитных смесей 76
2.5. Методики исследования свойств форм 82
2.6. Методики исследований процесса протекания экзотермической реакции 84
2.7. Методика проведения расчета технологических параметров при изготовлении термитных моделей 88
2.8. Исследование свойств моделей 92
2.9. Методики исследования свойств отливок 97
2.10. Выводы 101
ГЛАВА 3. Обоснование выбора материалов и техно логического процесса получения отливок 102
3.1. Обоснование выбора технологического процесса получения отливок , 104
ЗЛ.1. Предпосылки выбора метода получения отливок 104
3.1.2. Физико-химические и теплофизические принципы, лежащие в основе метода 116
3.2. Обоснование выбора материала, применяемого для изготовления высокотемпературной оснастки и оболочковых форм 121
3.3. Обоснование выбора применяемых модельных материалов 124
3.4. Выводы 134
ГЛАВА 4. Технологические особенности изготвления и свойства термитных моделей 135
4.1. Технологические свойства исходных формовочных ма териалов 135
4.1.1. Исследование насыпной плотности и плотности утряски применяемых термитных смесей 135
4.1.2. Исследование угла естественного откоса применяемых термитных смесей 141
4.1.3. Исследование формуемости и уплотняемости порош ков термитных смесей 143
4.1.4. Исследование газотворной способности термитных смесей 147
4.2. Исследование свойств получаемых термитных моделей... 155
4.2.1. Исследование влияния давления прессования на плотность термитных моделей 155
4.2.2. Исследование упругого последействия термитных моделей 163
4.2.3. Исследование скорости горения термитных моделей 174
4.2.4. Исследование термического расширения моделей 179
4.3. Особенности протекания экзотермической реакции в
термитных смесях 183
4.3.1. Исследование процесса протекания экзотермических реакций и особенности получения отливок 183
4.3.2. Исследование химического состава получаемого термитного металла 196
4.3.3. Исследование жидкотекучести получаемых термитных материалов 198
4.3.4. Определение физико-механических свойств образцов,
изготовленных из исследуемых сплавов 201
4.4. Выводы 204
ГЛАВА 5. Практическое использование результатов исследований 208
5.1. Качество и свойства отливок, полученных с использованием кокильного литья 208
5.2. Качество и свойства отливок, полученных с использованием разовых форм 210
5.3. Качество и свойства отливок, полученных с использованием метода ЛВМ 211
5.3.1. Сравнительный анализ качества и свойств термитных и выплавляемых моделей 212
5.3.2. Качество и свойства отливок, полученных по разработанным моделям 215
5.4. Выводы 229
Основные выводы 230
Библиографический список
- Основные задачи повышения качества, снижения себе стоимости и усовершенствования технологии изготовления отливок, получаемых с применением порошков термитных смесей
- Контроль свойств и качества порошкообразных термитных смесей
- Обоснование выбора материала, применяемого для изготовления высокотемпературной оснастки и оболочковых форм
- Исследование формуемости и уплотняемости порош ков термитных смесей
Введение к работе
Литейное производство как раньше, так и сейчас является одной из основных отраслей машиностроения. Среди заготовительных производств, оно, по объему выпускаемой продукции занимает второе место после сварочного и значительно превосходит производство заготовок обработкой давлением. Литейное производство получило широкое распространение благодаря дешевизне литых деталей по сравнению с другими процессами металлообработки и постоянно совершенствующимся технологиям получения отливок. Сегодня литейное производство это не просто узкое направление традиционного литья, а сложный и разносторонний процесс, подразумевающий под собой использование, не только традиционных, но и новых прогрессивных видов получения литых заготовок, а так же их синтез. Новые прогрессивные виды литья позволяют получать отливки с высокой геометрической и размерной точностью, с высокими механическими свойствами. Некоторые виды литья позволяют сократить, а в отдельных случаях упразднить определенные операции технологического цикла, а так же дают возможность использовать отливки без дополнительной механообработки.
Совершенствование применяемых на сегодняшний день методов литья и разработка новых, позволяющих получать отливки повышенного качества с одновременным снижением себестоимости готовой продукции и повышением производительности, являются основными задачами литейного производства. Анализ и рассмотрение этих задач с последующим их решением, позволит литейному производству получать высококачественную, экономичную и технологичную литейную продукцию.
На сегодняшний день одной из ключевых задач, которая требует немедленного разрешения, при производстве стальных отливок является увеличение выхода годного металла, который в среднем по машиностроению
составляет около 60 % от металлозавалки, что ведет к перерасходу шихтовых материалов.
Большое потребление литейным производством шихтовых материалов, а это 1,55 млн. т. только при стальном литье, в значительной мере вызвано неэкономным их использованием. На сегодняшний день общая масса выпускаемых стальных отливок в год составляет 0,93 млн, т. Суммарное количество металлоотходов, при этом составляет, 0,62 млн. т. Это свидетельствует об отсутствии серьезных сдвигов в совершенствовании технологии литья и создании условий, стимулирующих экономию металла в литейном производстве. Из общего количества отходов металла при производстве отливок из стали на угар и безвозвратные потери приходится 16,0 %; на брак литья 10,1 %; на литники, прибыли и другие отходы 73,9 %.
Значительное количество металлоотходов образуется при механической обработке отливок. В среднем 16,8 % массы отливок из стали, составляют припуски на механическую обработку. В процессе удаления припусков на обработку более 90 % их массы переводится в один из наименее технологичных видов металлоотходов - стружку, дальнейшее использование которой сопровождается в 1,5-2 раза большими безвозвратными потерями по сравнению с кусковыми отходами.
Из сказанного следует что, основная доля металлоотходов, повышающая себестоимость литья, связанна с несовершенством существующих методов питания. Себестоимость, возрастает так же, из-за недостаточно эффективной переработки отходов, которые подвергаются основному на сегодняшний день виду переработки, переплаву, в результате чего увеличиваются безвозвратные потери металла.
Таким образом, разработка технологий литья позволяющих: экономить материалы и снизить себестоимость литья, использовать в производстве отходы машиностроительной отрасли, усовершенствовать питание
отливок, получая при этом качественную продукцию, является в настоящее время приоритетным направлением исследований.
Наиболее полно поставленным требованиям отвечают технологии с применением термитных смесей, позволяющие максимально эффективно перерабатывать малотехнологичные металлоотходы, уменьшить потребление жидкого металла, сократить количество металлотходов и увеличить технологический эффект, по сравнению с традиционными видами металлообработки.
Применяемые экзотермические облицовки и вставки, изготовленные из термитных смесей, позволяют повысить температурный градиент в системе прибыль-отливка на 50-100 С и на 10-15 % снизить расход металла на прибыль. Выход годного стального литья при этом составляет около 68 % и коэффициент использования металла 0,21. Но они не нашли широкого применения из-за своего не высокого экономического эффекта.
В последнее время широко разрабатывается способ питания отливок, позволяющий получить существенную экономию металла и электроэнергии в сталелитейном производстве с использованием малоотходных технологических процессов с применением экзотермических прибылей с высоким температурным градиентом (400 - 500 с С). Этот способ позволяет повысить потребление вторичных материалов, увеличить выход годного стального литья до 90 %. Так же к вышеизложенным преимуществам данного метода хотелось бы добавить увеличение физико-механических свойств отливок, качества поверхности и однородности структуры отливки.
Важной технологической задачей в процессе производства отливок с применением прибылей с высоким температурным градиентом является достижение градиента температур 400 - 500 С в системе прибыль-отливка и получение оптимального количества жидкого металла, с необходимым химическим составом, из экзотермической прибыли для получения качест-
венной отливки. Это достигается за счет применения оптимальных экзотермических составов.
Хотелось бы отметить, что снижение себестоимости литья требует комплексного подхода к решению проблемы снижения затрат на производство, т.е. снижение себестоимости литья может осуществляться не па одной, а на нескольких стадиях, вносящих львиную долю в стоимость литья, а именно на таких как плавка, разливка, заливка и затвердевание отливки, за счет увеличения потребления вторичного сырья.
Таким образом, актуальным направлением исследования является снижение себестоимости литья за счет увеличения потребления вторичного сырья на всех стадиях производства, а именно исследование возможности получения отливки целиком из термитной стали. Данная технология позволит сократить затраты на производство литья на стадиях плавки металла, разливки, заливки и затвердевания отливок, что в свою очередь принесет колоссальный экономический эффект. Так же данная технология дает возможность упразднения некоторых технологических операций при производстве, а так же возможность снижения количества вредных выбросов в атмосферу образующихся при плавке металла, не говоря уже об увеличении качества отливок.
Целью настоящей работы является разработка технологии позволяющей достигать снижения себестоимости литья по средствам увеличения применения вторичных материалов, упразднения операций традиционной плавки и разливки, и усовершенствование операций заливки форм и питания отливок, а так же повышения качества последних.
Для достижения поставленной цели определены следующие приоритетные задачи:
- анализ традиционных технологических вариантов получения отливок с применением вторичных материалов;
анализ существующих ресурсосберегающих технологий и технологий с высокими требованиями по качеству литья;
исследование возможности усовершенствования операций традиционной заливки формы и питания отливки;
исследование процессов протекания экзотермических реакций в термитных смесях, влияние состава композиций, свойств исходных материалов, определение необходимых параметров получения оптимального количества термитного металла;
исследование и определение материалов для изготовления форм;
исследование влияния составов термитных композиций и технологических условий получения отливок на их физико-механические, химические, технологические свойства;
разработка новых технологий получения отливок из стальных сплавов, с использованием термитных смесей;
исследование возможности получения термитных моделей с необходимыми технологическими свойствами;
исследование физических и технологических свойств термитных моделей в зависимости от используемых термитных композиций;
проведение испытаний технологического процесса получения отливок с использованием термитных смесей различных составов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
анализ методов применения вторичных материалов и обоснование выбора методов получения отливок;
влияние температурных параметров протекания экзотермических реакций, материала форм, количества вводимых добавок на количество, качество и свойства получаемого термитного металла;
выбор материалов применяемых для составления термитных композиций предназначенных для получения Ст45Л, 35ХГСЛ и 110Г13Л, технологические свойства этих композиций;
технологические особенности получения термитных прессовок из композиций, предназначенных для получения Ст45Л, 35ХГСЛ и 110ПЗЛ и их свойства;
особенности получения отливок по предлагаемым методам, пути сокращения времени технологического цикла получения отливок;
разработанные методы получения стальных отливок с применением термитных смесей;
результаты опытного опробования способов получения стальных отливок из термитных смесей.
Научная новизна представленной работы состоит в следующем:
предложен новый подход в технологии получения стальных отливок из термитных композиций, позволяющий устранить операцию традиционного получения жидкого металла, при этом отливки получают целиком, из металла образующегося в результате экзотермической реакции;
установлено влияние температурных режимов подогрева термитных смесей и соотношение составляющих их компонентов на газотворную способность, скорость процесса горения термитных смесей и жидкотеку-честь получаемого термитного металла;
определено влияние соотношения компонентов термитных смесей на их насыпную плотность, плотность утряски и формуемость;
установлено влияние соотношения компонентов термитных смесей и давления прессования на уплотняем ость, плотность и упругое последействие получаемых из них термитных моделей;
исследовано влияние соотношения компонентов термитных смесей и температурных режимов подогрева на термическое расширение полученных из них термитных моделей;
определено влияние набора компонентов термитных смесей и температурных параметров подогрева на количество получаемого термитного металла;
- обоснован выбор формовочных и огнеупорных материалов для получения отливок из термитных смесей.
Научная новизна подтверждается 3 поданными заявками на предполагаемые изобретения.
Практическая значимость работы определяется следующими основными положениями:
Разработаны композиции термитных смесей для получения металла определенного химического состава.
Разработан технологический процесс и режимы получения термитных моделей с требуемыми физическими, технологическими, химическими и эксплуатационными свойствами.
Разработаны принципы проектирования и изготовлена специальная оснастка для получения термитных моделей.
Отработана оптимальная технология получения оболочковых форм по термитным моделям.
Разработанные технологические процессы получения отливок из термитных смесей прошли опытные испытания в лабораториях ИМиМ ДВО РАН где показали свою работоспособность, а так же внедрены и успешно используются в научно-исследовательском и производственном процессах ИМиМ ДВО РАН для получения отливок с определенным химическим составом и свойствами, необходимых для создаваемых машин и механизмов.
Результаты работы в виде новых методик, экспериментальных установок и оснастки по определению определенных свойств материалов используются сотрудниками и аспирантами ИМиМ ДВО РАН при выполнении научно-исследовательской работы.
Актуальность работы подтверждается тем, что исследования проводились в рамках Госбюджетной НИР, утвержденной Президиумом ДВО РАН по теме «Исследование структуры и свойств многокомпонентных по-
ристых систем із литье по выплавляемым моделям (ЛВМ)»> № гос. регистрации 01.2.00.102361 (2001-2006 г.г.).
Основные задачи повышения качества, снижения себе стоимости и усовершенствования технологии изготовления отливок, получаемых с применением порошков термитных смесей
В последнее время в связи с быстрым развитием новой техники и технологий во всем народном хозяйстве перед литейным производством ставятся задачи повышенной сложности. Сложность поставленных задач заключается в их двоякости, с одной стороны требуется сократить затраты и время технологического цикла на производство отливок, с другой стороны увеличить качество и номенклатуру последних. Эти задачи требуют внимательного изучения всех технологических циклов производства отливок. Решения поставленных задач позволит обеспечить машиностроение дешевыми и качественными литыми изделиями.
Наряду с развитием машиностроительного комплекса, оскудение известных природных запасов, а так же непроведение разведки новых месторождении и нестабильная экономическая ситуация в стране, являются дополнительными факторами при выборе направления разработок, новых технологий литейного производства. Повышение качества отливок, использование для получения продукции отходы производства, повышение коэффициента использования металла и снижение брака литья, а как следствие снижение себестоимости, оправдывают дополнительные затраты на создание новых и более эффективных технологий.
В настоящее время структура себестоимости отливок такова: энергозатраты и затраты на топливо составляют 50-60%; исходные материалы (пески, глины, краски, смолы, шихтовые материалы и ферросплавы) - 30-38%; зарплата-8-17%.
Превалирующее влияние на увеличение себестоимости литья оказывают: несовершенство методов питания отливок, брак литья и безвозвратные потери металла. Несовершенство методов питания является причиной низкого коэффициента использования металла, и достигает в отдельных случаях, в зависимости от технологии и вида применяемой прибыли, до 0,08 и низкого выхода годного металла составляющего в зависимости от технологического процесса и вида применяемой прибыли, до 50%, на который еще оказывает влияние брак литья. Брак стального литья в среднем по машиностроению составляет 10%. Для сравнения ниже приведена таблица технико-экономической эффективности различных прибылей для питания стальных отливок.
Приведенные цифры свидетельствует о том, что наиболее эффективными с точки зрения экономии металла являются прибыли с высоким температурным градиентом и экзотермическим обогревом, принцип действия которых базируется на применении термитных смесей. Термитные смеси позволяют создать градиент температур в системе прибыль-отливка, это обстоятельство позволяет снизить расход жидкого металла на прибыль. Основа термитов это механическая смесь порошков окалины и алюминия, с введением в нее различных компонентов (том числе стружки черных металлов), в зависимости от того для чего применяется данный вид смеси (обогрев, питание, получение отливок, модифицирование или легирование сплавов) и от марки получаемого материала. Порошки окалины и алюминия являются технологическими отходами, поэтому их применение является экономически обоснованными.
В настоящее время на машиностроительных предприятиях имеется большое количество не утилизированных отходов, которые при правильной постановке вопроса могут стать дополнительной статьей доходов. Большую долю этих отходов составляет металлическая окалина и стружка черных и цветных металлов. Накопившиеся металлоотходы не в полном объеме внедряются в процесс производства, так как существующие на сегодняшний день методы переработки отходов производства либо малоэффективны, либо дороги и поэтому находят ограниченное применение.
Окалина является неизбежным технологическим отходом прокатных и кузнечных цехов и составляет приблизительно 1-2 % от массы выпускаемой продукции, к примеру, на Челябинском металлургическом комбинате, в год таких отходов образуется около 50 тысяч тонн, а в среднем по заводам России в шламонакопителях имеется около 1,5 млн. тонн. Окалина относится к 4 категории экологической опасности. Утилизация окалины требует дорогостоящих методов, например, технологии получения железо-окисленного пигмента для изготовления лакокрасочных материалов, окраски пластмасс, бумаги, стройматериалов, и специфического оборудования, а так же требует, дополнительные мощности, площади, энергозатраты и т.д., что не всегда экономически обоснованно. Как правило, же окалина не утилизируется, а сбрасывается в шламонакопители. Шламонакопители крупнейших заводов содержат сотни тысяч тонн окалины, которая используется в строительстве (в качестве наполнителя в бетоны) и в других целях имеющих к литейному производству самое далекое отношение. Стоимость окалины, по которой она реализуется сторонним организациям, несравненно мала по отношению к стоимости готовой продукции и составляет от нее порядка 2-4 %.
Контроль свойств и качества порошкообразных термитных смесей
Контроль порошкообразных термитных смесей осуществляется исследованием их химических, физических и технологических свойств.
Химический состав порошков оценивают содержанием основного металла, примесей, окислов и газов.
Физическими свойствами порошков являются форма частиц, размеры и распределение их по крупности, удельная поверхность, пикнометри-ческая плотность и микротвердость.
Технологические свойства выражают через насыпную плотность, плотность утряски, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формуємось, угол естественного откоса /17,19/.
Химический анализ алюминиевого порошка на содержание активного алюминия проводится по ГОСТ 6058-73, на содержание примесей железа, кремния, меди и марганца - соответственно по ГОСТ 12697.7-77, ГОСТ 12697.6-77, ГОСТ 12697.8-77, ГОСТ 12697.3-77. В порошке железной окалины проверяется содержание FeO, Fe203, фосфора и серы соответственно по ГОСТ 23581.18-81, ГОСТ 23581.3-79, 23581.20-81. Содержание влаги в материалах определяют по ГОСТ 23581.1-79. Определение химического состава порошков производится для расчета и составления металлотерми-ческих шихт, в зависимости от марки и вида получаемого сплава.
Химический анализ металлических порошков проводят по методикам, аналогичным общему анализу металлов.
Исследование формы частиц осуществляется визуально-оптически. Определяются два фактора формы: фактор неравноосности частиц - отношение максимального и минимального размера частиц (1тах) и фактор развитости поверхности - отношение квадрата наблюдаемого периметра частицы к занимаемой ею площади. Исходя из проведенных исследований, заключается вывод о форме частиц порошков и влиянии ее на другие свойства смесей, а так же на ход процесса и на качество отливок.
Порошки алюминия, окалины, ферросплавов, графита, стальной стружки и т.д. представляют собой полидисперсные системы, состоящие из частиц различной крупности. В зависимости от набора частиц порошок характеризуется гранулометрическим (фракционным) составом. Исследование гранулометрического состава порошков осуществляется ситовым методом. Исследование гранулометрического состава порошков позволяет теоретически рассчитать насыпную плотность смеси, а как следствие, позволяет заведомо смоделировать процесс протекания экзотермической реакции, и если надо откорректировать фракционный состав.
Удельная поверхность порошка термитной смеси представляет собой суммарную поверхность всех частиц, составляющих единицу объема. Она определяется дисперсностью, формой, и состоянием поверхности. Чем качественней поверхность частиц порошков, тем меньше удельная поверхность. Порошки одного и того же материала и одного и того же гранулометрического состава полученные разными методами имеют разную удельную поверхность. Методы определения удельной поверхности дисперсных тел основаны на газопроницаемости порошка. Установка Товарова по определению удельной поверхности и методы вычисления приведены в /19/. Удельная поверхность частиц порошков является одним из определяющих факторов, наряду с выше описанными свойствами смесей, влияющих на процесс экзотермической реакции. Поэтому ее исследование крайне необходимо.
Микротвердость частиц позволяет косвенно оценить их способность к деформированию. Микротвердость определяют по величине отпечатка (метод Виккерса), оставленного при вдавливании алмазного наконечника конусной формы с углом при вершине 136 в полированную поверхность частиц порошка, закрепленных в шлифе. Для определения микротвердости используют прибор ПМТ-3 с нагрузкой на индентор 15 - 20 г.
Насыпная плотность смеси - это масса единицы объема порошка при свободной насыпке, представляющая собой его объемную характеристику. "см где тсн -масса смеси, кг; VCM - насыпной объем смеси, м3.
Ее величина зависит от угла естественного откоса смеси, определяющего плотность укладки (упаковки) его частиц при свободном заполнении ими какого-либо объема. Она тем больше, чем крупнее и более правильной формы частицы композиции. Наличие выступов и неровностей на поверхности частиц, а также увеличение поверхности в связи с уменьшением размера частиц повышают межчастичное трение, что затрудняет их перемещение относительно друг друга и приводит к снижению насыпной плотности порошка. Существенное значение имеет гранулометрический состав смеси, особенно при наличии в нем тонких фракций, т.е. частиц достаточно малого размера; с увеличением их содержания, как правило, уменьшается насыпная плотность композиции из-за возрастания поверхности трения, однако при большой разнице размерах мелких и более крупных частиц (примерно в 7 - 10 раз) насыпная плотность порошка может возрасти из-за заполнения мелкими частицами промежутков между крупными частицами.
Знание насыпной плотности смеси необходимо, прежде всего, для расчета высоты матрицы пресс-формы при ее конструировании. Исследование насыпной плотности позволяют определить наряду с другими свойствами смесей основные технологические параметры протекания экзотермических реакций, таких как температуру, теплотворную способность, динамику реакции.
Обоснование выбора материала, применяемого для изготовления высокотемпературной оснастки и оболочковых форм
В работе при исследовании возможности получения стальных отливок с применением термитных смесей в качестве формовочного и огнеупорного материала используется графит в блоках и порошках. Применение графита обосновывается в первую очередь с тем, что экзотермические реакции сопровождаются выделением большого количества тепла, в результате чего температуры реакций достигают высоких значений (свыше 3000 С). Графит в нашем случае является именно тем материалом, который дает возможность проведения подобных исследований, так как имеет температуру плавления около 3500 С и при кратковременном взаимодействии с металлом не вступает с ним в реакцию /14, 26/. Большинство известных огнеупоров на основе оксидов и продукта их синтеза не могут конкурировать с углеродными материалами, так как не обладают необходимыми теплофизическими и огнеупорными свойствами и в процессе экзотермической реакции могут вступать с компонентами термитных смесей в нежелательное взаимодействие, что может пагубно отразиться на качестве металла и получаемых отливках /24, 41/.
Блочный графит применяется непосредственно для изготовления высокоогнеупорной оснастки и вырезания из него, различными видами меха нообработки, специальных форм, элементов форм, тиглей и т.д., для отливки экспериментальных образцов, исследования поведения жидкого металла в процессе заливки и установления характера взаимодействия между компонентами термитных смесей в ходе экзотермической реакции.
По выше описанным соображениям для изготовления оболочковых форм в ЛВМ, в отличие от традиционного способа на основе оксидов, применяется графит в виде классифицированных порошков различных фракций. Пылевидный графит (фракции менее 0063) используется в качестве наполнителя в связующее, а графит более крупных фракции (016, 02, 0315 по ГОСТ 10274-79) применяется в качестве обсыпочного материла /14/.
В качестве связующего материала применяется 40 - 50 %-ный раствор высокококсующейся фенолформальдегидиой (пульвербакелитовой) смолы в ацетоне. При изготовлении форм по выплавляемым моделям содержание связующего достаточно большое, что обуславливает большую усадку при карбонизации. Объемная беспористая усадка фенольных связующих составляет 55 - 65 %, а линейная 23 - 30 %. Экспериментальные значения линейной усадки тонких пленок термореактивных связующих составляют 15 -30%/14/.
На рис.3.2.1 представлен цилиндрический образец с нанесенной на него оболочкой.
Основные свойства углеродных оболочковых форм (точность, прочность, плотность и термохимическая инертность) зависят как от химического состава углеродной формовочной композиции УФК и соотношения в ней наполнителя и связующего, так и от характера механического и теплового воздействия при формообразовании /34, 26/.
Оптимальные массовые соотношения графитового наполнителя и смолы в суспензии обычно близки к соотношению 1:1. Соотношение связующего и растворителя поддерживается таким, которое обеспечит необходимые технологические свойства суспензии и, прежде всего, вязкость /14, 231/.
Процесс изготовления углеродньгх форм по выплавляемым моделям в основном аналогичен традиционному на основе оксидов. Формование углеродной оболочки на выплавляемой модели осуществляется последовательными циклами, состоящими в окунании блока моделей в суспензию, обсыпке крупнозернистым порошком графита в псевдоожиженном слое и подсушке блока. Термостабилизация форм осуществляется нагревом в безокислительной атмосфере до 1000-1200 С /14, 231/.
На практике для отверждения суспензии на модели в ее состав вводят различные катализаторы отверждения смолы: керосиновый контакт Петрова, бензолсульфокислоту, паратолуолсульфокислоту, соляную кислоту, ма-леиновый ангидрид и др., а с целью повышения прочности оболочек в состав суспензии вводят карбидообразующие порошки (например, титана) или проводят пропитку оболочек водно-ацетоновой эмульсией коллоидно-графитового препарата с последующим обжигом. Для улучшения заполняемое металлом тонких сечений формы ее изготавливают из менее теплопроводного, чем графит, термостабилизированного кокса каменноугольного пека/14/.
Исследование формуемости и уплотняемости порош ков термитных смесей
В этой работе формуемость термитных смесей определялась по барабанной пробе - методу оценки устойчивости прессовок к истиранию. Определение осуществлялось измерением массы осыпавшейся смеси отнесенной к массе образца. Оставшийся материал (в виде цилиндрических образцов) должен сохранить свою форму, приданную ему во время приложения давления прессования (не рассыпаться и не иметь расслоений).
Формуемость порошка зависит от формы, размеров и состояния поверхности частиц.
В таб. 4.1.3.1, 4.1.3.2, 4.1.3.3 представлены значения формуемости используемых в работе термитных смесей. Установлено, что после проведения испытания (нормативное время вращения барабана 15 мин) нет осыпавшегося материала с термитных моделей, имеющих интервал показателей пористости: 0,25 - 0,37 для термитных смесей предназначенных для получения металла соответствующего по химическому составу сплаву Ст45Л; 0,26 - 0,40 для термитных смесей предназначенных для получения металла соответствующего по химическому составу сплаву 35ХГСЛ; 0,28 - 0,40 для термитных смесей предназначенных для получения металла соответствующего по химическому составу сплаву 110Г13Л.
Формуемость используемых термитных смесей в заданном интервале давлений не меняется, цилиндрические образцы не имеют расслоений и не рассыпаются. Это обстоятельство, говорит о том, что формуемость исследуемых термитных композиций является удовлетворительной.
Уплотняемость термитных смесей характеризует их способность уменьшать объем под действием давления прессования.
Экспериментально установлено, что уплотняемость термитных смесей возрастает с увеличением в них суммарного количества добавок используемых нами фракций и увеличения давления прессования. Данное поведение этого свойства является очевидным, так как наполнитель стальная стружка имеет низкую насыпную плотность и при увеличении ее со держания в смеси происходит уменьшение насыпной плотности термитной композиции, а следовательно возможность уплотнения увеличивается. Так при содержании суммарного содержания добавок в смеси для получения стали Ст45Л 1,97 % (без введения стальной стружки) объем при прессовании сокращается в среднем в 2,45 раз (при этом уплотняемость составляет 59,16 %), а при 60 % объем сокращается в среднем в 5,99 раз (при этом уплотняемость составляет 83,29 %). В выбранном нами диапазоне давлений прессования изменение уплотняемости происходит несущественно, в сторону увеличения при увеличении давления прессования, при этом разность уплотняемостеи одной и той же смеси при приложении минимального (100 МПа) и максимального (140МПа) давления прессования не превышает 1,2 %.
Подобная картина наблюдается при использовании смесей предназначенных для получения сталей 35ХГСЛ и ИОПЗЛ с той разницей, что минимальное количество добавок составляет 5,46 % и 30 % (мелкодисперсные модификаторы) следовательно, уплотняемость будет ниже при адекватных давлениях прессования, соответственно и весь интервал значений уплотняемости смещается в сторону уменьшения. Так при суммарном содержании добавок в смеси 5,46 % и 30 % объем при прессовании сокращается около 2,18 и 1,97 раза (при этом уплотняемость составляет » 54,07 % и 49,19 %), а при 60 % объем сокращается около 5,62 и 3,02 раз (при этом уплотняемость составляет as 82,19 % и 66,86 %). В выбранном нами диапазоне давлений прессования для смесей предназначенных для получения сталей 35ХГСЛ и 1 ЮГ 13 Л, так же как для смесей для получения стали Ст45Л изменение уплотняемости происходит несущественно, в сторону увеличения при увеличении давления прессования, при этом разность уплотняемостеи одной и той же смеси при приложении минимального (100 МПа) и максимального (140МПа) давления прессования не превышает 1,5 % и 1,15 %, соответственно.
При протекании реакции в оболочке выделяется определенное количество газов, которые при нарушении технологического процесса могут разрушить форму. Поэтому важно знать, сколько выделится газов с единицы массы смеси и скорость выделения этих газов для того, что бы предупреждать брак литья в данном направлении и предусмотреть возможные пути устранения или уменьшения газового давления образующегося при горении термитной модели на оболочку.
Проведенными исследованиями установлено, что смеси содержащие в своем составе максимальное содержание наполнителей имеют меньшую газотворную способность по сравнению со смесями с минимальным содержанием наполнителей. Происходит это по той причине, что основным газообразователем является чистый термит (смесь окалины и алюминия без введения добавок), в результате горения которого выделяется пыль, содержащая оксиды металла, оксиды кремния, сажевые частицы и газообразные вещества в виде оксидов серы, азота, углерода. Наполнители, используемые в данной работе при введении их в чистый термит не оказывают увеличивающего воздействия на газотворную способность алюмо-термитных смесей. Помимо этого анализом полученных результатов была выявлена характерная закономерность увеличения выделения суммарного объема газов при горении термитных смесей в зависимости от температуры подогрева оснастки.
В таблице 4.1.5.1, 4.1.5.2 и 4.1.5.3 представлены газотворные способности термитных смесей, применяемые для получения стали Ст45Л, 35ХГСЛ и 110Г13Л соответственно.
Так при протекании реакции в термитной смеси, предназначенной для получения стали с содержанием суммарного количества добавок 1,97 % Ст45Л в интервале температур подогрева от 20С до 1000 С количество выделившихся газов увеличивается по мере увеличения температуры с 0,0032 м3/кг до 0,0035 м3/кг. Данный эффект вызван тем что с увеличением температуры подогрева оснастки увеличивается температура протекания реакции в термитной смеси, что вызывает повышенный угар элементов и образование избыточной газовой фазы в совокупности с газами атмосферы которые наносят ущерб не только оболочковым формам, но и непосредственно качеству металла.
