Содержание к диссертации
Введение
2. Состояние вопроса 7
2.1. История процесса 7
2.2. Технология формирования керамических оболочек и основные исходные материалы 10
2.2.1. Огнеупорные наполнители 10
2.2.2. Связующие 12
2.2.3. Добавки и растворители 15
2.2.4. Технология формирования керамических оболочек 16
2.3. Исследования формообразования в литье по выплавляемым моделям 19
2.3.1. Особенности формирования структуры керамической формы 19
2.3.2. Исследования в области совершенствования технологии формирования оболочек и поиск новых формовочных материалов 22
2.4. Цели и задачи исследования 26
3. Методика проведения исследований 28
3.1. Выбор материалов для изготовления керамических форм 28
3.2. Определение физических параметров огнеупорной суспензии 39
3.3. Исследование процесса формирования структуры керамической формы в холодном и нагретом состоянии 47
3.4. Определение прочности керамической формы на изгиб 66
3.5. Определение шероховатости отливок 69
3.6. Расчет массопереноса в керамической форме 72
4. Результаты исследований 76
4.1. Определение физических параметров огнеупорной суспензии 76
4.2. Исследование процесса формирования структуры керамической формы в холодном и нагретом состоянии 80
4.3.Определение прочности керамической формы на изгиб 119
4.4. Определение шероховатости отливок 125
4.5. Теоретические и экспериментальные исследования массопереноса в формируемом слое керамической формы 127
5. Анализ результатов исследований 131
6. Промышленное опробование и внедрение 136
7. Общие выводы 148
8. Литература 150
9. Приложения 161
- Технология формирования керамических оболочек
- Исследования в области совершенствования технологии формирования оболочек и поиск новых формовочных материалов
- Исследование процесса формирования структуры керамической формы в холодном и нагретом состоянии
- Теоретические и экспериментальные исследования массопереноса в формируемом слое керамической формы
Введение к работе
Общая тенденция развития литейного производства идет в направлении увеличения объемов литья, изготовляемых специальными способами, которые обеспечивают более качественные и точные отливки. Одним из этих способов является метод литья по выплавляемым моделям.
Современная социальная обстановка в России сформировала значительный сектор литейного производства, поставляющего заготовки для художественных изделий. Оформление жилых и административных помещений, реставрация памятников культуры требует возрастающего объема точнолитых заготовок из медных сплавов.
От качества керамической формы в ЛВМ в значительной степени зависит качество изготовляемых отливок, в частности, их геометрическая и размерная точность, а также шероховатость их поверхности. Технологические и физико-механические свойства самой формы во многом определяются свойствами связующего и технологией его приготовления.
Одними из самых широко распространенных связующих в нашей стране являются этилсиликаты. Но ЭТС - это один из самых дорогих материалов, из применяемых в ЛВМ. Его использование для приготовления керамических форм требует применения органических растворителей и аммиака, что создает взрыво- и пожароопасную обстановку и вредные условия на производстве.
Решение задач по снижению себестоимости отливок и улучшению экологических условий производства требует поиска новых связующих материалов, не уступающих по своим свойствам ЭТС, а также разработки технологий получения из них керамических форм.
За рубежом уже отказались от органо-минеральных связующих и перешли на кремнезольные, которые выпускаются там под различными марками: Ludex, Siton, Клебозол, Сизоль и др. Использование кремнезольного связующего Сиалит-20, выпускаемого отечественной промышленностью, позволяет во многом решать поставленные задачи. Связующее Сиалит-20 в настоящее время в промышленном масштабе выпускает ЗАО "Силикат" в г. Елабуга. До сих пор Сиалит-20 не нашел широкого применения для изготовления керамических форм в ЛВМ.
Сиалит-20 является экологически чистым материалом, технология его использования в ЛВМ не требует применения вредных веществ. Суспензии на основе
Сиалит-20 обладают высокой живучестью, их можно хранить без потери свойств в течение шести и более месяцев. Стоимость Сиалит-20 в 3 раза ниже стоимости ЭТС. Таким образом, разработка технологии на основе Сиалит-20 является актуальной задачей.
Целью работы явилась разработка технологии изготовления керамических форм на основе Сиалит-20. Для этого необходимо было исследовать структуру и свойства керамических форм на основе Сиалит-20 и сравнить их с формами на основе ЭТС на различных стадиях технологического процесса их изготовления. На защиту выносятся следующие положения:
1. Прочность форм на кремнезольном связующем Сиалит-20 в 1,5 - 2 раза
превосходит аналогичные показатели форм на органо-минеральном связующем.
Остальные технологические показатели сопоставимы.
2. Свойства керамической формы (прочность, качество отпечатка,
взаимодействие с обсыпочными материалами, формирование контактной поверхности)
обусловлены явлением массопереноса в капиллярно-пористой среде.
Капиллярно-пористая среда - это самоструктурирующийся объект. Время самоструктурирования составляет менее 5 с.
Массоперенос в капиллярно-пористой среде сопровождается возникновением динамических структур, время существования которых не более 120 с.
Число участников формирования капиллярно-пористой среды составляет 106 -10 на 1 м керамической формы, что позволяет говорить о хаотическом распределении частиц маршалита в связующем.
6. Взаимодействие суспензии с обсыпочным материалом определяется
процессом массопереноса в капиллярно-пористой среде и скоростью диффузии
растворителя в окружающую среду.
Научная новизна выносимых на защиту результатов работы заключается в следующем:
Процесс формирования слоя керамической формы начинается с мгновенного образования капиллярно-пористой среды. Ее эволюция определяет прочность керамической формы, качество ее контактной поверхности и характер взаимодействия суспензии с обсыпкой.
В процессе формирования слоя керамической формы установлено явление интенсивного движения суспензии, определяющее создание глобулярных пространственных структур.
3. Разработана модель массопереноса жидкой фазы при формировании структуры керамической формы на основании уравнения материального баланса.
Разработанная технология позволила реализовать процесс получения
керамических форм на связующем Сиалит-20 для изготовления отливок из сплавов на
медной основе применительно к реставрации или изготовлению новых
художественных изделий. Результаты работы внедрены на фирмах ООО "Рестамп" и
$к 000 "Русский Модерн". Полученные отливки не уступают по чистоте поверхности и
размерной точности отливкам, изготовленным с использованием этилсиликатных оболочек. Годовой объем выпуска отливок только для фирм 000 "Рестамп" и 000 "Русский Модерн" составил свыше 1500 кг. Экономический эффект за счет сокращения расхода связующих материалов превысил 45000 рублей.
Работа выполнена на кафедре "Машины и технология литейного производства" Санкт-Петербургского Института Машиностроения под руководством профессора д.т.н. Бречко А.А. и научного консультанта доцента к.т.н. Емельянова В.О.
*>
2. Состояние вопроса
Технология формирования керамических оболочек
Технологический процесс формирования оболочек состоит из следующих стадий [68,113, 64, 56,59, 60,61, 108]: -приготовление связующего и суспензии, -смачивание суспензией блоков моделей, -обсыпка блоков зернистым материалом, -сушка оболочек. Этилсиликатные связующие растворы получают гидролизом ЭТС. Связующие растворы ЭТС можно разделить на 3 группы: 1.Органические связующие растворы (Орг-1, Орг-2, Орг-3), получаемые путем введения органических РР (ацетона, спирта и их смесей). 2.Водно-спиртовые связующие растворы (ВС-1, ВС-2, ВС-3), получаемые введением воды в качестве разбавителя. 3.Водно-спиртовые с упрочняющими добавками связующие растворы (ВС-1-К, ВС-2-Ф, ВС-З-ФК, ВС-4-АЖФ, ВС-5-АХФ), характеризующиеся малым содержанием SiCh, вводимого с ЭТС. Эти связующие растворы являются жидкой составляющей суспензии для оболочковых форм. Суспензия должна обладать следующими свойствами: иметь седиментационную устойчивость, хорошо смачивать поверхность блоков и сохранять технологическую вязкость до начала ее желатинизации (т.е. быть живучей) [6, 101, 35, 29, 45,43, 75,104].
Готовится суспензия раздельным или совмещенным способом. При раздельном способе пылевидную составляющую (наполнитель) замешивают в готовое связующее. При совмещенном способе получение связующих растворов совмещается с приготовлением суспензии. Этот способ разработан М.Н. Ефимовым и З.А. Анчеевой [68]. В.Н. Иванов и Г.М. Зарецкая предложили использовать воду вместо органических растворителей при совмещенном способе приготовления суспензий [68]. Замена токсичных и дорогостоящих органических растворителей на воду является перспективным направлением, по которому проводятся научные разработки для широкого внедрения этого метода в производство [49,19, 95, 74].
Суспензии с ВС-1 получают раздельным способом. Используют подкисленную воду без смачивателей. Требуется активное перемешивание. К недостаткам этих суспензий относится плохое смачивание ими воскообразных моделей, вследствие высокого поверхностного натяжения воды. Суспензии с ВС-2 и ВС-3 готовят совмещенным способом, используя подкисленную соляной кислотой воду и ПАВ, обеспечивающие хорошее смачивание. Применяют для этих целей анионоактивные ПАВ (метаупон, сульфанол, ДНС, авиноль). Все описанные суспензии имеют сравнительно низкую живучесть. Для ее повышения и для снижения расхода ЭТС, а также для увеличения прочности оболочек разработаны методы приготовления суспензий с различными добавками. Сушку проводят двумя способами: при атмосферном давлении и в вакууме. Если сушка проводится при атмосферном давлении, блоки помещают в шкаф или подвешивают на цепь конвейерного сушила. При использовании аммиака через 1 час после воздушной сушки включают вентилятор и при закрытых задвижках в течение 5 мин заполняют камеру влажным газообразным аммиаком из баллона. Блоки выдерживают в парах аммиака в течение 10-20 мин, затем следует 10 - 30-минутное проветривание камеры. При сушке в вакууме используется явление понижения температуры испарения жидкостей при понижении давления. Помимо сушки известны и другие способы отверждения. Они основаны на повышении водородного показателя (рН) связующих из ЭТС, в результате чего золь быстро и необратимо превращается в гель [68,61]. Эти способы можно разделить на три вида: -воздействие катализатором гидролитической поликонденсации (например, газообразньм аммиаком) или смачивание слоя оболочки в растворах щелочей (например, в растворе аммиака); -поочередное погружение блока моделей в суспензию из ЭТС (обладающей кислыми свойствами), а затем в суспензию с основными свойствами, с обсыпкой каждого слоя зернистым материалом. В результате диффузии связующих в оболочке образуется гель двуокиси кремния. Связующее с основными свойствами повышает рН связующего из ЭТС; -гелеобразование порошковыми отвердителями, вводимыми с обсыпкой. Связующее Сиалит-20 после удаления растворителя (воды) твердеет необратимо. Особенность процесса заключается в максимально быстром удалении влаги. Это позволяет сократить производственный цикл, а также существенно влияет на прочность керамики. После окончания технологического процесса формирования оболочек, их необходимо освободить от находящихся внутри моделей. Широко применяются два метода удаления моделей из оболочек после формовки блоков [68,32]: 1 .выплавление воскообразных моделей, 2.растворение солевых моделей. При выплавлении моделей продолжаются реакции гидролиза и поликонденсации этилсиликатного связующего и кристаллизация добавок, в результате чего оболочки получают дополнительную прочность. Далее следует процесс формовки, который представляет собой упаковку оболочек в опорный наполнитель. Лучшим вариантом является прокаливание и заливка оболочек без опорного наполнителя во избежание деформации и образования в них трещин. Если это невозможно, используют один из следующих способов: -формовка холодных оболочек с последующим прокаливанием и заливкой их в наполнителе; -прокаливание оболочек без наполнителя с последующей формовкой их в горячем наполнителе и заливкой. Как правило, оболочки заливают горячими, поэтому процесс прокаливания их неразрывно связан с заливкой. При прокаливании происходит удаление газотворных составляющих и остатков модельного состава, нагрев оболочек для лучшего заполнения расплавом и повышение их прочности вследствие продолжения гидролизной поликонденсации связующего и образованию в нем кристаллических структур.
Исследования в области совершенствования технологии формирования оболочек и поиск новых формовочных материалов
В последнее время проводились различные исследования по совершенствованию технологического процесса ЛВМ и поиску новых материалов для формирования оболочек. В. А. Рыбкин и А. А. Руденко (МГТУ им. Баумана) для повышения термостойкости керамических форм предложили использовать в качестве обсыпочного материала пористые зерновые огнеупоры (пеношамот, керамзит, аглопорит, зольный гравий, отходы ваграночного и доменного производств, шлаковые отходы) [96, 94]. Развитая поверхность огнеупоров позволяет единице массы связующего удерживать зерна большого размера, что приводит к увеличению толщины оболочки. Авторы провели сравнительное исследование свойств керамических оболочек с использованием пористых огнеупоров и без них. В своей работе они оценили термостойкость оболочек по потере прочности на изгибе (аИзг), изучили влияние температуры на газопроницаемость оболочек и определили линейное расширение керамики. В результате этих исследований получены следующие выводы: -образцы на основе пористых огнеупоров меньше теряют прочность, чем образцы без их использования; -газопроницаемость керамики на основе пористых огнеупоров в 4-5 раз выше, чем керамики без использования пористого материала; -пористый материал, используемый в качестве обсыпки, незначительно влияет на линейное расширение; -при заливке форм без опорного материала продолжительность охлаждения до температуры выбивки сокращается в 4-5 раз, а продолжительность затвердевания в - 2-3 раза. Проведенные авторами исследования и тот факт, что в качестве пористых зерновых огнеупоров применяются отходы производств (некоторые из них подлежат утилизации), показывают переспективность разработанной технологии. Основным недостатком электрокорунда (ЭК) в качестве обсыпочного материала является его высокий удельный вес (4000 кг/м3). Для снижения массы Н. М. Чернов (НАПО, г. Новосибирск) предложил в качестве обсыпочного материала вместо ЭК использовать сферокорунд (СК) [115]. Удельный вес СК значительно ниже и составляет 800-1200 кг/м3, т. к. СК состоит из полых зерен сферической формы. Испытания, проведенные Н. М. Черновым, показали возможность применения СК в качестве обсыпочного материала для изготовления оболочковых форм. И. Г. Сапченко (Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, г. Комсомольск-на-Амуре) проводил исследования пористости оболочковых форм, изготовленных разными технологическими способами [99, 27, 28, 106]: созданием аэрированных суспензий методом барбитажной обработки различных режимов и использованием в качестве обсыпочных материалов вспученного перлита и пенополистирола. В процессе проведенных исследований получены следующие результаты: -степень пористости оболочек из аэрированных суспензий составляет 11-12%, -степень пористости оболочек из вспученного перлита и пенополистирола составляет соответственно 19-25% и 30-35%.
Однако исследуемые оболочки показали низкую стойкость к разрушению при заливке их металлом в сравнении с оболочками, полученными по традиционной технологии.
Для формирования оболочек с податливыми лицевыми слоями И. В. Семенова, В.А. Никишин, Т. И. Харюткина и В. А. Виноградов предложили вводить в первые два слоя 3+7% порошка эмали ЭВК-103 [103].
Проведенные авторами исследования показали, что этот способ является универсальным для получения податливых слоев оболочковой формы при литье деталей с равноосной, направленной и монокристаллической структурами. Кроме того, введение в лицевые слои оболочки эмали ЭВК-103 обеспечивает наличие жидкой фазы в составе оболочки, что позволяет улучшить чистоту поверхности отливки.
Л. Г. Знаменский (Южно-Уральский Госуниверситет, г. Челябинск) проводил экспериментальные исследования одного из последних направлений развития технологии ЛВМ - метода "активации" гидролизованных растворов этилсиликата (ГРЭТС) без органических растворителей наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) [37].
Оболочковые формы на основе связующего ГРЭТС не обладают достаточной прочностью из-за нестабильности структурообразования ГРЭТС. При электроимпульсной обработке повышается степень гидролиза этилсиликата, улучшается смачивающая способность связующего и в нем появляется "сшитая" пространственная структура, упрочняющая керамическую форму более чем в 2 раза. Отмечено снижение живучести суспензии, но в технологически допустимых пределах.
На основе своих исследований автор разработал технологический процесс подготовки связующих с использованием метода НЭМИ и установил диапазон оптимальных значений параметров электрофизической обработки ГРЭТС.
Группой авторов (А. И. Евстигнеев, В. В. Петров, Н. И. Аласкаров, В. В. Черномас, В. И. Одиноков) проводились исследования трещиностойкости оболочковых форм, зависящей, главным образом, от их напряженно-деформированного состояния (НДС) [26]. Расчеты НДС проводились численным бескоординатным методом. Исследования проводились на оболочках, сформированных на гидролизованном растворе ЭТС-40, с различным количеством слоев, при разных температурных режимах прокаливания и при заливке оболочек металлом. Расчеты, проведенные авторами, показали, что максимальные термонапряжения возникают именно при заливке оболочек металлом и только на первых слоях. Между 2-м и 3-м слоями образовались трещины, и произошло расслоение оболочек. Авторы пришли к выводу, что для каждой рецептуры суспензии, каждого вида наполнителя и обсыпочного материала существует критический температурный перепад между слоями, при котором образуются трещины и оболочка разрушается. Прокаливание не оказывает существенного влияния на образование трещин, т. к. перепад температуры между слоями не достигает критического значения. Среди различных армирующих материалов для оболочек (асбест, обрезки металлической проволоки и др.) наиболее приемлемым является рубленое стекловолокно (СВ), которое добавляется в суспензию. Изготовление оболочек из такой суспензии считается трудоемким и неэкономичным, т.к. в состав суспензии входят дорогостоящие материалы. И. Г. Сапченко (ИМ и М ДВО РАН) разработал новый состав суспензии с СВ диаметром 12-25 мкм, длиной 5-15 мм, с добавлением s ЭТС-40, подкисленной воды и пылевидного кварца ПК-1 - ПК-3. В результате своих исследований И. Г. Сапченко пришел к выводу, что СВ увеличивает седиментационную устойчивость суспензии, повышает прочность и теплоизоляционные свойства оболочек [98, 62]. В частности, получены следующие результаты: 1. Максимальное количество СВ не должно превышать 0,715% от количества наполнителя. При повышении процентного содержания СВ, в суспензии образуются комья, и ухудшается ее седиментационная устойчивость.
Исследование процесса формирования структуры керамической формы в холодном и нагретом состоянии
Капли огнеупорной суспензии для проецирования формировались на острие иглы с радиусом закругления 0,05 мм. Отрыв капель производился на высоте 25мм. Подложкой для капель служили пластины из модельного состава Р-3. Размер пластин определялся в зависимости от размера растекшихся капель и ограничений из-за сходящегося потока лучей от конденсора и составил 40мм 5мм 7мм.
Для исследований были приготовлены суспензии следующего состава: 1 .гидролизованный ЭТС-40 и кристаллический пылевидный кварц (маршалит); 2.Сиалит-20 и кристаллический пылевидный кварц (маршалит); 3.Сиалит-20 и плавленый пылевидный кварц. Все перечисленные виды суспензий приготовлялись с различным содержанием наполнителя, приходящегося на 1 л связующего раствора (1,6 кг; 1,8 кг; 2,0 кг). Гидролиз ЭТС-40 проводился раздельно. Приготовление суспензии осуществлялось в следующей последовательности: 1 .соляная кислота вливалась в воду и перемешивалась; 2.подкисленная вода вливалась в ацетон и перемешивалась; 3.затем вводилось ЭТС-40. Перемешивание производилось вручную путем встряхивания герметичной емкости до прекращения тепловыделения. Огнеупорная суспензия приготовлялась в керамической емкости. Количественное содержание наполнителя (1,6 кг; 1,8 кг; 2,0 кг), приходящееся на 1 л связующего раствора, определялось путем взвешивания на весах типа "Ладога СВП-1,5-3". Непосредственно перед каждым измерением огнеупорная суспензия тщательно перемешивалась керамической палочкой. Определение поверхностного натяжения огнеупорной суспензии. Молекулы жидкости, находящиеся в ее поверхностном слое, обладают дополнительной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Это объясняется тем, что при переходе молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой её кинетическая энергия переходит в потенциальную. То есть поверхностный слой жидкости имеет дополнительную энергию, которая является частью внутренней энергии жидкости. Так как условием равновесия жидкостей является минимум потенциальной (или свободной поверхностной) энергии, то при отсутствии внешних сил жидкость будет принимать форму с минимальной поверхностью, т. е. форму шара. Величина поверхностного натяжения определяется силой, которая действует на единицу длины периметра смачивания и направлена по касательной к свободной поверхности жидкости, перпендикулярно к участку, на который эта сила действует. Поверхностное натяжение сильно зависит от примесей (ПАВ), адсорбирующихся на поверхности раздела и уменьшающих свободную поверхностную энергию, и от температуры. При повышении температуры коэффициент поверхностного натяжения уменьшается, а при критической температуре он равен нулю [36, 1,107,16,15,30]. Интересно было определить, как меняется коэффициент поверхностного натяжения огнеупорной суспензии в зависимости от концентрации наполнителя. Известны несколько методик измерения поверхностного натяжения жидкости, подробно освещенных в монографии Адамсона А. [1]. Это - метод предельного давления в газовом пузырьке, метод отрыва от кольца, метод капиллярного поднятия, метод счета капель. При выборе методики измерения поверхностного натяжения огнеупорной суспензии руководствовались следующими предварительными данными: 1 .Испаряемость суспензии со скоростью 5 10"6 кг/с требует высокой скорости измерений. 2.0седание наполнителя затрудняет использование зеркала жидкости в кюветах. 3.Ожидаемое низкое значение поверхностной энергии вследствие присутствия в растворе поверхностно-активных веществ, уменьшающих ажг., требует высокой чувствительности метода измерений. Наиболее приемлемым для определения поверхностного натяжения огнеупорной суспензии (с ожидаемым малым значением ажг) оказался метод счета капель с последующим уточнением результатов поправочными коэффициентами, приведенными в монографии [1]. Процесс формирования капель при вытекании жидкости через малые отверстия объясняется поверхностным натяжением. Образование капли начинается с того, что под действием силы тяжести происходит выгибание сфероидальной поверхности, постепенно принимающей форму сложной фигуры вращения. В верхней части капли образуется сужение, диаметр которого уменьшается до тех пор, пока вес капли не превысит поверхностное натяжение по периметру отрыва. Вследствие низкой седиментационной устойчивости суспензии время от окончания перемешивания до начала формирования первой капли составляло не более Юс. Капли формировались на торце трубки с наружным диаметром 4,14 10"6 м и внутренним - 2 10"6 м. Т.к. формирование капель происходило по наружному диаметру, то за периметр отрыва капли принималась длина окружности именно с наружным диаметром. Торец трубки шлифовался наждачной бумагой. Время формирования двадцати капель составляет 25- ЗОс. Затем сформированные капли взвешивались на весах ВЛР-200г с точностью до 10"5 кг. Для оценки погрешности метода, возникающей из-за оседания наполнителя в суспензии внутри трубки и потери веса сформированных капель вследствие испарения растворителя (в случае с ЭТС-40), время между окончанием формирования капель и началом взвешивания варьировалось от 10 до 40 с. Разброс полученных значений составил менее 10%. Этот показатель вполне соизмерим с измерением значения стжг, вносимым поправочным коэффициентом. В результате опытов было установлено, что потеря массы двадцати капель по причине испарения растворителя (в случае с ЭТС-40) в течение 30-40 с составляет в среднем 5 10"6 кг.
Теоретические и экспериментальные исследования массопереноса в формируемом слое керамической формы
Измерения прочности на изгиб проводили в интервале температур от 300 С до 900 С через каждые 100 С. Нагрев образцов в печи осуществляли со скоростью 300 С в час. Каждое измерение производили по 3 раза. Образцы для проведения испытаний помещали в печь, предварительно нагретую до температуры не выше 50 С. При достижении заданной для измерения прочности температуры образец разрушали. На крюк закреплялась емкость, в которую постепенно насыпали песок. После излома образца песок взвешивали на весах типа "Ладога СВП-1,5-3". Прочность на изгиб керамической формы определялась также и до прокаливания в печи, сразу после удаления из формы модельного состава. В этом случае использовалось то же приспособление, но печь при этом не нагревалась. Снижение шероховатости поверхности отливок имеет немаловажное значение для сокращения затрат по зачистке изделий и улучшения их эксплуатационных свойств. Одним из преимуществ литья по выплавляемым моделям является низкая шероховатость фасонных поверхностей и заготовок [124, 114, 67, 33, 102, 91, 86, 129]. Согласно источнику [68] нормой шероховатости является Rz=20. Для художественных отливок этот показатель является одним из основных критериев качества. Эксперименты, проведенные по методике исследования рельефа поверхности контактного слоя керамической формы, показали, что эта поверхность имеет сложный геометрический профиль. Вопрос воспроизведения этого профиля в отливке зависит от многих факторов, которые достаточно глубоко рассмотрены в источниках [61,16,14,2, 46, 60,111] по механическому пригару. Представляло интерес определить шероховатость отливок, полученных на базе вышеисследуемых керамических форм. Для изготовления отливок использовали латунь ЛС-59-1 и бронзу Бр05Ц5С5. Шероховатость отливки, получаемой методом ЛВМ, определяется двумя факторами: структурой контактной поверхности керамической формы и поверхностным натяжением заливаемого расплава. Влияние также оказывает Ь. температура формы и перегрев металла. Для получения отливок были изготовлены образцы керамических форм (рис. 3.5.1). Схема выплавляемой модели с образцами представлена на рис. 3.5.2. Таким образом, были изготовлены керамические формы с наполнителем кварцевым песком на основе связующих ЭТС-40, Сиалит-20 и Сиалит-20 с добавками КМЦ и огнеупорной глины на первом слое. Керамические образцы формировали аналогично образцам 2-, б-, 7-, 8-го вида, используемым в методике определения прочности (табл. 3.3.1). Добавки использовались для повышения седиментационной устойчивости суспензии. Предполагалось также с их помощью получить контактную поверхность формы с меньшим числом дефектов и, соответственно, отливки с низкой шероховатостью. Керамические оболочки формировали в опорный наполнитель. Прокалку осуществляли в контейнерах из жаропрочной стали. Нагрев проводили в печи сопротивления до температуры 750 С. Контроль температуры оболочек осуществляли хромель-алюмелевой термопарой. Термопару опускали в стояк до уровня образцов. Плавку металла осуществляли в индукционной тигельной печи, оснащенной генератором СЧГЗ-100/10. Плавку латуни и бронзы проводили под покровным флюсом из прокаленного древесного угля. Перед заливкой бронзу раскисляли фосфористой медью. Температура латуни перед заливкой составила 950 С - 980 С, бронзы - 1150 С - 1200С. Шероховатость отливок измеряли на профилографе. С помощью микроскопа МБС-9 и цифрового фотоаппарата "Canon А60", дающего дополнительное увеличение объекта, была произведена фотосъемка поверхности образцов полученных отливок. Общее увеличение изображения составило 140 раз. Представляло интерес исследовать состояние контактной поверхности отработанных керамических форм. Фрагменты оболочек после заливки и извлечения отливок с помощью микроскопа МБС-9 оценивали по методике исследования рельефа поверхности контактного слоя керамической формы. Процесс формирования керамической оболочки, сопровождающийся образованием геля ортокремниевой кислоты, состоит из ряда последовательных структурных превращений. Огнеупорная суспензия, представляющая собой равномерно распределенную дисперсную фазу наполнителя в дисперсионной среде связующего, после нанесения на выплавляемую модель претерпевает быстропротекающее структурное преобразование (быстрое относительно жизнеспособности суспензии).
В ходе испарения растворителя, выделяющегося при поликонденсации, происходит рассеивание энергии. Учитывая, что все объекты-участники формируемого слоя хаотично расположены в пространстве и имеют в большинстве три степени свободы, происходит образование пространственных структур как статического, так и динамического характера.
При исследовании прочностных свойств керамических форм была замечена следующая особенность: чем интенсивнее движение суспензии в период образования кремнегеля, тем ниже прочностные характеристики керамических форм. Активность этилсиликатных суспензий выражается интенсивным массопереносом к границе "жидкость - газ", а также динамической структурой в виде кругового движения. Прочность форм на ЭТС-40 значительно ниже, чем у форм на водном растворе кремнезоля (рис. 4.3.1).
