Введение к работе
Актуальность работы
Современное машиностроение требует постоянного совершенствования технологии получения отливок, обеспечения высокого уровня качества литых заготовок деталей машин, снижения ресурсопотребления и повышения экологической безопасности выполняемых технологических операций.
В данной связи пристальное внимание специалистов привлекают вопросы выбора и разработки материалов, способов изготовления и конструкции литейных стержней, в значительной мере определяющие направления решения ставящихся задач.
Эти вопросы в течение длительного времени находятся в сфере научных интересов ведущих отечественных ученых-литейщиков Г.А. Анисовича, Г.Ф. Баландина, П.П. Берга, А.Н. Болдина, П.А. Борсука, И.В. Валисовского, В.А. Васильева, Ю.П. Васина, Б.Б. Гуляева, С.П. Дорошенко, А.И. Евстигнеева, С.С. Жуковского, И.Е. Илларионова, Н.А. Кидалова, Б.А. Кулакова, Г.М. Орлова, И.Б. Куманина, И.О. Леушина, А.М. Лясса, Я.И. Медведева, А.А. Рыжикова, И.В. Рыжкова, А.А. Степанова, Г.И. Тимофеева, Е.А. Чернышова и др.
Данная работа направлена на развитие и уточнение некоторых результатов исследований упомянутых вопросов применительно к стержням из жидкостекольных смесей (СЖСС) для стального и чугунного литья. В последнее время такие стержни, как не достаточно технологичные, вытесняются из производства в связи с широким применением холоднотвердеющих смесей (ХТС) на основе синтетических смол. Однако это не всегда оправдано, особенно в условиях мелкосерийного и серийного производства, из-за высокой стоимости и недостаточной экологической безопасности -set, -set и других ХТС - процессов. Несмотря на имеющиеся недостатки (затруднённая выбиваемость, низкая регенерируемость), потенциал применения СЖСС достаточно высок и до конца не исчерпан. Основными их достоинствами являются относительно низкая стоимость и экологичность изготовления и использования. Именно поэтому СЖСС по-прежнему представляют интерес для исследований.
В данной работе, в отличие от предшественников, исследования СЖСС проводились в аспекте поиска путей повышения их технологичности, по мнению автора, объединяющей технологичность материала литейного стержня, технологичность изготовления (формообразования) стержня как изделия и технологичность применения стержня как конструктивного элемента литейной формы, несущего особую функциональную нагрузку. При этом во главу угла ставились необходимость совершенствования научно-теоретической базы практических разработок и такие приоритеты, как обеспечение экологической безопасности, использование производственных отходов и ресурсосбережение.
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Министерства образования и науки РФ (2007-2010 гг.) в рамках договоров с рядом предприятий Волго-Вятского региона при грантовой поддержке Правительства Нижегородской области.
Цель работы: повышение технологичности литейных стержней на жидкостекольном связующем при изготовлении стального и чугунного литья.
Для достижения цели в работе решались следующие задачи:
сформулировать понятие «технологичность литейного стержня»;
уточнить схемы упрочнения и разупрочнения СЖСС, полученных при СО2-отверждении и тепловой сушке;
обозначить основные направления повышения технологичности СЖСС;
показать принципиальную возможность и выявить условия применения технологических добавок органического происхождения (ТДОП), технологических добавок неорганического происхождения (ТДНП), физических методов воздействия и их комбинаций в качестве средств, повышающих технологичность СЖСС для стального и чугунного литья;
разработать и испытать в условиях производства технологии изготовления СЖСС с использованием ТДОП, ТДНП, физических методов воздействия и их комбинаций, обеспечивающих качество стальных и чугунных отливок на уровне, не ниже имеющегося;
провести оценку экологической безопасности и экономической целесообразности применения данных технологических решений.
Объект исследования: стержневая смесь, способ изготовления и конструкция СЖСС, стальные и чугунные отливки.
Предметом исследования является технологичность СЖСС как комплекс их характеристик, свойств и параметров.
Научная новизна работы:
впервые сформулировано понятие «технологичность литейного стержня», включающее в себя комплекс характеристик и свойств стержня одновременно как изделия, как элемента литейной формы и как материального объекта;
уточнены схемы упрочнения и разупрочнения СЖСС, полученных при СО2-отверждении и тепловой сушке, а именно, выявлен двухстадийный характер формирования СЖСС; обнаружены различия в свойствах СЖСС, изготовленных по СО2-процессу и с применением тепловой сушки, связанные с термодеструкцией карбонатов при прогреве СЖСС металлическим расплавом;
обозначены основные направления повышения технологичности СЖСС, связанные с применением ТДОП, ТДНП, физических методов воздействия и их комбинаций;
доказана принципиальная возможность применения ТДОП (скоп), ТДНП (перманганат калия, бихромат калия, алюмокалиевые квасцы, карбонаты кальция и бария), физических методов воздействия (вакуумирование и СВЧ-обработка) и их комбинаций в качестве средств повышения технологичности СЖСС при производстве отливок из чугуна и стали;
выявлены основные условия повышения технологичности СЖСС, касающиеся присутствия в составе стержневой смеси «сшивающих» добавок или применения физических методов воздействия, повышающих поверхностную прочность стержня; а также использования разупрочняющих добавок, увеличивающих податливость и уменьшающих работу выбивки стержня в процессе охлаждения отливки.
Практическая значимость работы:
разработаны и успешно прошли промышленное опробование в условиях действующего производства новые технологии изготовления СЖСС, характеризующихся повышенной технологичностью и обеспечивающих получение качественных стальных и чугунных отливок;
ожидаемый экономический эффект от внедрения разработок на базовых предприятиях составляет более 300 тыс. рублей на годовую программу выпуска литья; возможные источники эффекта: замена материала стержней; снижение затрат на утилизацию, повышение регенерируемости и уменьшение работы выбивки СЖСС при сохранении качества литья;
экологический эффект заключается в замене низкоэкологичных смесей (-set, -set и других) на экологически безопасные жидкостекольные стержневые смеси.
Достоверность результатов обеспечивалась использованием высокоточного сертифицированного оборудования и средств измерения, подтверждалась положительными результатами опытно-промышленных испытаний разработанных СЖСС. В экспериментальных исследованиях свойств смесей использовалось лабораторное оборудование фирмы CentroZAP (Польша).
При испытаниях использовались стандартные методики контроля прочности смеси при разрыве и сжатии, влажности, газотворности, газопроницаемости, живучести и выбиваемости смеси, а также методики определения поверхностной прочности П.А. Борсука и Чжоу Яо-хо, регенерируемости А.М. Лясса, управляемости процесса С.П. Дорошенко и экологической безопасности С.С. Жуковского.
Личный вклад автора состоит:
в постановке задач исследования;
в уточнении схем упрочнения и разупрочнения СЖСС при СО2-отверждении и тепловой сушке;
в проведении экспериментов по определению параметров технологичности СЖСС с использованием ТДОП, ТДНП, физических методов воздействия и их комбинаций;
в обработке и анализе полученных результатов;
в организации опытно-промышленных испытаний в условиях действующего производства.
На защиту выносятся:
сформулированное автором понятие «технологичность литейного стержня», охватывающее все стадии жизненного цикла стержня как технического объекта;
уточненные схемы упрочнения и разупрочнения СЖСС, полученных при СО2-отверждении и тепловой сушке;
основные направления повышения технологичности СЖСС;
основные условия повышения технологичности СЖСС, касающиеся присутствия в составе стержневой смеси «сшивающих» и разупрочняющих добавок (ТДОП и ТДНП) и применения некоторых физических методов воздействия (вакуумирование и СВЧ-обработка);
новые составы жидкостекольных смесей и технологии изготовления СЖСС для стального и чугунного литья, прошедшие промышленное опробование в условиях действующего производства.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: VII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева в 2007 и 2008 гг.;
Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; Межрегиональной научно-практической конференции «Заготовительные производства и материаловедение» г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009 г.; на семинарах и совещаниях кафедры «Литейно-металлургические процессы и сплавы» НГТУ им. Р.Е. Алексеева в 2007-2010 гг.; промышленном опробовании в литейных цехах предприятий ООО «Метмаш» и ООО «Булат» в 2009-2010 гг.
Публикации
По теме диссертации в период 2007 - 2010 гг. опубликовано восемь научных работ, три из которых - в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ; получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Текст изложен на 168 страницах компьютерного набора и включает 35 таблиц, 54 рисунка, список литературы из 136 наименований. Приложения содержат два акта промышленного опробования разработок на предприятиях.
