Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. 16
1.1 Поверхностное разрушение песчаных литейных форм в процессе заливки 16
1.2 Эрозия литейных форм и её связь с поверхностными дефектами отливок 21
1.3 Существующие методы оценки эрозионной стойкости литейных форм 37
1.4 Фильтрационное рафинирование расплава 50
1.5 Обогрев и теплоизоляция прибылей, как способ увеличения эрозионной стойкости песчаной литейной формы 55
1.6 Выводы по главе 1 57
1.7 Постановка задачи исследования 58
Глава 2. Обоснование выбора формовочных смесей и методики исследований
2.1 Выбор составов формовочных смесей 59
2.2 Определение физико-механических свойств 59
2.3 Метод определения теплопроводности смесей 63
2.4 Исследование термостойкости и деформативнои способности 65
2.5 Методика определения эрозионной стойкости формы 70 Выводы по главе 2 81
Глава 3. Исследование и сравнительный анализ материала песчаной литейной формы в рамках стойкости к эрозионному разрушению 83
3.1 Разрушение поверхности песчано-глинистых форм (ПГС). 83
3.2 Поверхностная стойкость форм из холоднотвердеющих песчано-смоляных смесей в процессе заполнения расплавом 89
3.3 Стойкость литейных форм с металлофосфатными связующими 93
3.4 Взаимодействие поверхности форм на основе жидкого стекла с расплавом 97
Выводы по Главе 3 99
Глава 4. Повышение эрозионной стойкости песчаных форм 102
4.1 Специальные формовочные смеси с отходами керамического производства (шликера) 102
4.1.1 Исследование физико-механических свойств специальной смеси в зависимости от содержания шликера 106
4.1.2 Исследование физико-механических свойств специальной смеси в зависимости от содержания связующего 111
4.1.3 Исследование деформации специальной смеси в зависимости от содержания шликера и жидкого стекла 115
4.2 Исследование влияния типа связующего на эрозионную стойкость литейной формы 120
4.3 Методы и мероприятия для улавливания продуктов эрозии формы 124
4.3.1 Центробежный шлакоуловитель 124
4.3.2 Новая эффективная центробежная система шлакоулавливания 129
4.3.3 Фильтрующие сетки 132
4.4 Исследование составов теплоизоляционных смесей и возможности их использования 134
4.4.1 Исследование теплофизических и физико-механических свойств 135
4.4.2 Влияние специально обработанной целлюлозы (СОЦ) на теплоизоляционные свойства формовочных смесей методом заливки. 150
4.4.3 Оптимизация состава формовочной смеси для теплоизоляции прибылей фасонных отливок 156
Выводы по главе 4 161
Глава 5. Промышленное опробование
5.1 Интенсификация работы прибылей с целью снижения металлоёмкости литейной формы 163
5.2 Применение центробежного шлакоуловителя с фильтрующими сетками при изготовлении стальных отливок 172
Выводы по главе 5 178
Общие выводы 179
Литература
- Существующие методы оценки эрозионной стойкости литейных форм
- Определение физико-механических свойств
- Взаимодействие поверхности форм на основе жидкого стекла с расплавом
- Исследование физико-механических свойств специальной смеси в зависимости от содержания шликера
Введение к работе
Темпы технического перевооружения и развития литейного производства, объёмы и требуемое качество выпускаемой продукции, заставляют литейщиков совершенно по-новому решать вопросы, касающиеся технологии изготовления отливок. Опыт работы литейных заводов показывает, что одним из перспективных путей повышения качества литья, снижения его себестоимости является разработка новых формовочных смесей, совершенствование существующих технологических процессов и способов изготовления отливок. До настоящего времени наиболее распространенным является способ получения отливок в песчаную форму. Одним из характерных недостатков данного способа литья является низкое качество поверхности получаемых отливок. В большинстве случаев отливки поражены песчаными засорами, которые располагаются как на поверхности отливок, так и внутри, под слоем металла. Снижение брака отливок по этим дефектам в реальных условиях производства достигается: использованием высококачественных и тщательно подготовленных формовочных материалов; внедрением автоматизированного контроля и управления процессами приготовления формовочных и стержневых смесей и горелой смеси; внедрением современных способов формообразования для достижения необходимого качества формы с достаточной эрозионной стойкостью; внедрением мероприятий внутриформенного рафинирование расплава и снижением металлоёмкости формы.
Однако даже выполнение всех перечисленных мероприятий не даёт гарантированного эффекта получения отливок без дефектов поверхности.
В последние годы, как в нашей стране, так и в странах Европы, Америке для получения отливок без дефектов поверхности широко используются методы глубокого рафинирования расплава в форме
различными фильтрующими системами и фильтрами [11, 17-19, 24-27 и др.]. Однако существующие шлакоулавливающие системы фильтрационной очистки не всегда дают желаемого результата на отечественных литейных заводах. Устаревшее формовочное оборудование и низкое качество формовочных материалов не позволяет изготавливать качественные формы, и поэтому имеющиеся системы очистки расплава работают не эффективно.
Наиболее приемлемым вариантом для повышения чистоты заливаемого металла является использование наряду с имеющимися системами его очистки, методов защиты всей рабочей полости литейной формы от разрушения. В настоящее время для этих целей при производстве средних и крупных отливок проводят защиту рабочей полости противопригарными красками, пастами и натирками. Данное мероприятие показало хорошие результаты [60], но противопригарная краска в большинстве случаев не способна длительное время выдерживать высокую температуру. Кроме того, заливочную воронку, стояк и зумпф выполняют с использованием керамического припаса, что частично решает данную проблему. Остаются незащищёнными остальные элементы ЛПС (литниковый ход, шлакоуловитель, питатели), которые сильно подвержены разрушению и являются источниками загрязнения металла отливке, даже при использовании вышеперечисленных систем фильтрации. Чтобы исключить эти недостатки необходимо использовать формовочные и стержневые смеси, а так же выполненные на их основе части ЛПС, в том числе и фильтрующие элементы, с повышенной эрозионной стойкостью, недорогие, не дефицитные, простые по технологии изготовления, хранения и применения.
Из известных типов песчаных смесей,' наиболее полно удовлетворяют данным условиям применения и работы, являются смеси на основе органических и неорганических связующих материалов со
специальными добавками [4, 8, 9, 12, 13, 15, 16 и др.]. Фильтрующие элементы, изготовленные из традиционных песчаных смесей на основе связующих, обладают достаточно высоким коэффициентом температурного расширения (КТР), но в подобных системах тоже используются ограниченно вследствие низкой термостойкости связующего. Такие фильтры при пропускании через них большого количества расплавленного металла (более 50 кг) с высокой температурой разрушаются по отверстиям и являются, таким образом, источником загрязнения расплава.
На сегодняшний день песчаные смеси с высокой эрозионной стойкостью, а так же сам механизм эрозионного разрушения литейной формы мало изучены. Разработка таких смесей, а так же мероприятий направленных на защиту формы от разрушения потоком заливаемого металла, совершенствование технологии литейной формы - является первостепенной задачей для получения в условиях отечественного литейного производства стабильного качества литья при получении отливок любой массы, конфигурации, серийности из сплавов цветных и чёрных металлов.
Известно, что в общую металлоёмкость литейной формы входит и
масса прибылей, которые, как правило, заливаются через общую с
отливкой литниковую систему. При производстве стального литья
прибыли занимают 60, а то и 70% от металлоёмкости формы [52, 54, 84, 85,
87,102,116,118], поэтому продолжительность взаимодействия
движущегося расплава с формой резко возрастает. Для снижения поверхностного разрушения песчаной литейной формы, необходимо снизить её металлоёмкость за счёт уменьшения объёма прибылей, входящих в литейный куст. Наряду с известными способами улучшения работы прибыли, их достоинствами и недостатками перспективным
является теплоизоляция прибылей экологически чистыми современными теплоизоляционными смесями.
Большой вклад в разработку и внедрение в производство теплоизоляционных смесей на основе экологически чистых теплоизоляционных материалов внёс академик И.Е.Илларионов. Именно он впервые начал использовать «эковату», как активную теплоизолирующую добавку для обогрева прибылей.
При использовании метода теплоизоляции прибылей повышается эффективность работы как открытых, так и закрытых прибылей. Теплоизоляция металла прибыли способствует замедлению отвода тепла и как следствие увеличивает время работы прибыли. При этом объём прибыли может быть уменьшен в два и более' раз, без снижения эффективности её работы.
Следует отметить, что даже выполнение всех вышеперечисленных мероприятий не позволяет исключить дефекты отливок по вине литейной формы, так как процессы разрушения поверхности песчаной формы малоизученны, а имеющиеся знания и опыт недостаточен для полного представления процессов, протекающих в поверхностных слоях формы при контакте с расплавленным металлом [4, 6-8, 61].
Для всестороннего изучения процессов разрушения песчаной литейной формы во время заливки в работе предлагается ввести расширенное понятие «Эрозия литейной формы». Эрозия литейной формы - это комплекс физико-химических процессов разрушения литейной формы потоком движущегося жидкого расплава, вследствие деструкции связующего формовочной смеси и деформации поверхностных слоев литейной формы. Термины «Эрозия поверхности формы», «Эрозия противопригарного покрытия» употреблялись ранее Х.Г. Левелинком, И.В Валисовским [61], но само понятие не было конкретизировано и не определены критерии его применения. Признанное специалистами и
)
узаконенное понятие «Эрозия литейной формы» необходимо для квалифицированного объяснения процессов протекающих в форме в совокупности с процессами, вызванными движущимся расплавом. Эти проблемы изложены в докладе на конференциях г, Барнауле, АТУ, 2002г, «Эрозионная стойкость литейной формы», и в г. С.Петербурге, 2003 г., «Оценка эрозионной стойкости литейной формы», в МИСИС, г. Москва, 2005г., на 3-ей Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» «Сравнительная оценка поверхностной прочности и склонности к эрозио'нному разрушению песчаных форм», в г. С.Петербурге, 2006 г., «Внутриформенное рафинирование расплава» [91,95, 101, 112].
Суть обобщённого понятия «эрозия литейной формы» заключается в том, что оно охватывает все процессы, происходящие в литейной песчаной форме во время заливки расплава, и раскрывает причину возникновения литейных дефектов под действием тепла, гидродинамических сил и других факторов. К дефектам от эрозионного разрушения поверхности литейной песчаной формы принято относить только песчаные засоры. Необходимо дополнить к ним засоры от отслоения формы (ужимины), а также дефекты от разрушения противопригарного покрытия. Эрозия в этом случае образуется на освободившейся от защитного слоя краски поверхности. Замечена связь и однотипность механизма образования засоров, ужимин, просечек, пригара в части деформации уплотнённого поверхностного слоя формы с возникновением трещин, напряжений, приводящих к отслоению с образованием вышеперечисленных дефектов.
В связи с этим, в данной работе упор делается на практическую сторону решения данного вопроса. На основании опыта работы литейного производства установлено, что основной причиной эрозионного разрушения литейной песчаной формы, является низкое качество исходных формовочных материалов, используемых для приготовления
формовочных и стержневых смесей, а так же низкое качество изготовления форм. Для качественной оценки литейной формы разработана методика и технологическая проба.
Большой научный и практический интерес представляют исследования процессов эрозионного разрушения литейной песчаной формы. Их появление, причины и поиск мероприятий и технологических приёмов, снижающих или исключающих эрозию литейной формы.
а) б)
Рисунок 1. а - отливка «Корпус» б - отливка «Груз»
На рисунках 1; 2 приведены в качестве примеров фотографии отливок, которые были забракованы бюро технического контроля (БТК) завода по дефектам поверхности из-за недостаточной эрозионной стойкости песчаной литейной формы. На рисунке 1а показана отливка «Корпус» изготовленная из стали 35Л массой 32 кг со следами эрозии в виде засора, расположенного на поверхности питания отливке металлом. На рисунке 16 представлена отливка «Груз» из СЧ 25 массой 500 кг. Верхняя часть отливки покрыта сеткой всевозможных дефектов (ужимины, просечки, засор), образовавшиеся вследствие эрозионного разрушения песчаной литейной формы.
На рисунке 2 показана отливка «Крышка гидронасоса» из СЧ 20, массой 20 кг со следами засора, который расположен как в верхней, так и нижней части отливки. Размер и расположение дефектов говорит о неэффективности работы традиционных шлакоулавливающих систем и о низком качестве изготовления литейной формы.
Рисунок 2 — Отливка «Крышка гидронасоса».
Как видно из рисунков, независимо от массы отливок, рода заливаемого сплава (его температуры), эрозионному разрушению и как следствие появлению характерных дефектов подвержены отливки разной весовой группы, разной сложности, полученные в песчаные формы.
Исходя из вышеизложенного, актуальной задачей для литейщиков является разработка и исследование эрозионностойких смесей. Разработка теплоизоляционных смесей, позволяющих до максимума снизить металлоемкость литейной формы, а так же технологических приёмов, использование которых позволит исключить рассмотренные выше дефекты поверхности отливок.
Цель работы: Разработка и промышленное освоение формовочных смесей и способов, обеспечивающих повышенную эрозионную стойкость литейных
песчаных форм для получения необходимого качества и
технологического выхода годного (ТВГ) отливок из сплавов чёрных металлов.
Практическая значимость этой работы заключается в том, что
- разработка и применение новых конкурентоспособных технологий,
снизит расход основных и вспомогательных материалов и энергоёмкость
процессов.
знания и закономерности о процессах эрозионного разрушения литейной песчаной формы позволит повысить общий уровень качества отливок различной сложности и различных весовых групп.
повышение качества литья снизит его себестоимость, улучшит санитарно — гигиенические условия труда в литейных цехах, тем самым увеличит экономическую эффективность производства.
Особое внимание в работе уделено изучению поведения формы и её элементов в контакте с расплавленным металлом. Исследования выполнены путём опытных заливок литейных песчаных форм изготовленных с использованием традиционных и разработанных эрозионностойких смесей, а также путём дилатометрирования образцов при высокой температуре. Сделан анализ и сопоставлены данные по термостойкости песчано-глинистых смесей (ПГС) и смесей на основе смоляных, металлофосфатных связующих и жидкого стекла и анализ их деформационных характеристик. Результаты исследований позволили объяснить причины эрозии литейной формы из песчаных смесей и разработать комплекс мер направленных на повышение эрозионной стойкости литейной формы при получении отливок из сплавов цветных и чёрных металлов.
В связи с вышеизложенным на защиту выносятся следующие основные положения;
Результаты исследований физико-механических свойств формовочных смесей
Разработанные составы формовочных и теплоизоляционных смесей, работающие в контакте с жидким металлом. Патент № 2224619, №2006109095/02
Результаты высокотемпературных исследований формовочных смесей, имитирующие реальные процессы при заливке на границе металл — форма и их связь с образованием поверхностных дефектов (засоров, ужимин).
Методика оценки и результаты исследований эрозионной стойкости песчаных форм
эрозионной стойкости
Математические модели теплоизоляционной смеси с экологически чистой добавкой
Результаты внедрений и опытно- промышленных испытаний.
Научная новизна
1. На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований установлена взаимосвязь между рабочими и технологическими свойствами формовочных смесей (термостойкостью, высокотемпературной деформативной способностью, теплопроводностью, прочностью, осыпаемостью, газопроницаемостью) и образованием поверхностных дефектов и эрозионной стойкостью. Определены оптимальные параметры этих свойств.
Выявлен механизм и основные факторы, влияющие на степень эрозионного разрушения литейной песчаной формы.
Разработана и запатентована методика исследования и оценки эрозионной стойкости песчаной формы. (Патент №2267377 С2, от. 10.01.2006).
Расширены и уточнены имеющиеся представления об эрозии и эрозионной стойкости песчаной литейной формы. Показана связь между известными дефектами (засор, ужимина и т. д.) и эрозией литейной формы.
По результатам выполненных исследований установлено влияние типа связующего (формовочной смеси) на деформативную способность, прочность, осыпаемость, ' газопроницаемость поверхности формы.
Разработан и опробован в производстве состав специальной формовочной смеси повышенной эрозионной стойкости на основе жидкого стекла с шликером (отходом керамического производства) (Патент №2224619, С2, от. 27.02.2004).
7. Исследован принципиально новый способ рафинирования
расплава в форме с помощью литниковой системы, позволяющий
резко уменьшить количество неметаллических включений в
отливке. Установлены соотношения элементов литниковой
системы.
8. Разработана математическая модель теплоизоляционной смеси с
добавкой экологически чистого продукта (СОЦ), позволяющая
получать оптимальные термомеханические свойства
(теплопроводность, прочность) в зависимости от изменяемых
факторов (основных компонентов смеси) и технологических
параметров изготовления отливки.
Основные результаты настоящей диссертации отражены в следующих работах [84-102, 104, 112 - 120].
Диссертация выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева.
Работа выполнялась по договору с Чебоксарским заводом ООО «Промтрактор-Промлит» по теме «Повышение качества изготовления отливок из чугуна и стали в разовых песчаных формах».
В настоящей научно-исследовательской работе приведены результаты, полученные автором самостоятельно и в сотрудничестве с коллективом кафедры «Технологии металлов и литейного производства» ЧувГУ, а так же с ОГМ завода ООО «Промтрактор-Промлит». При этом автору принадлежат:
1. Постановка проблемы в целом и отдельных задач.
Разработка методики оценки эрозионной стойкости песчаной литейной формы.
Проведение оценки эрозионной стойкости песчаной литейной формы.
Разработка эрозионностойких смесей.
Разработка комплексных мероприятий и приёмов, направленных на увеличение эрозионной стойкости песчаных литейных форм
Обобщение результатов и анализ
Автор искренне признателен за руководство, поддержку и практическую помощь при подготовке настоящей диссертации доценту, кандидату технических наук, заведующему кафедрой «Технологии металлов и литейного производства» Машиностроительного факультета Чувашского государственного университета ми И-Н. Ульянова А.А. Евлампиеву.
Существующие методы оценки эрозионной стойкости литейных форм
В большинстве случаев причины образования засоров в отливках связывают со свойствами формовочных и стержневых смесей. Если исключить возможность случайного попадания неметаллических частиц в форму и небрежность при отделке и сборке форм, то причиной засоров могут быть малая стойкость формы против механического воздействия протекающего металла (эрозионная стойкость) и её недостаточная термостойкость [4, 6, 7, 10] (способность длительное время выдерживать высокие температуры, не разрушаясь). В некоторой степени эти характеристики оценивают по механической прочности поверхностных слоев формы или образцов из исследуемых формовочных смесей. В реальных условиях характер взаимодействия формы и расплавленного металла — это сложный комплекс физических и химических процессов протекающих одновременно. При этом всегда важно знать участок формы, в большей степени подвергающийся эрозии, и пути переноса неметаллических частиц металлом при заполнении формы. Этому посвящены многие исследования в этой области. Повышенный интерес к явлению эрозии песчаной формы в процессе заливки в 80 -е - 90-е годы говорит о том, что эта проблема решается медленно и является актуальной и в настоящее время.
Существует несколько методов изучения процессов эрозии песчаной формы в процессе заливки. Самым точным до настоящего времени считается метод радиоактивных изотопов Он наиболее универсальный и позволяет получить полную картину эрозии формы [68, 69].
При изготовлении формы в смесь вводят радиоактивный изотоп какого-либо элемента. После затвердевания и охлаждения отливки изучают распределение в ней засоров с помощью радиографирования или счётчика. При выборе изотопа стремятся к тому, чтобы последний обладал достаточной Р-активностью, так как от этого зависит разрешающая способность метода; период полураспада изотопа должен быть большим для возможности длительной работы с ним. Желательно, чтобы изотоп можно было перевести в водный раствор для смешивания с водой, используемой при приготовлении смеси. Это способствует наиболее равномерному распределению изотопа по всему объёму смеси. Изотоп должен быть нейтральным по отношению к смеси и не влиять на её свойства. Активность изотопа должна быть достаточно низкой для безопасного с ним обращения.
Авторы работы [73] для исследований применяли изотоп фосфора, переводимый в водный раствор Н3РО4, нейтрализованный нашатырём.
Схема расположения активированного участка в форме определяется местом, подлежащим исследованию. На рисунке 1.10 показано расположение участков с изотопами для изучения влияния удара струи (1), размывающего действия струи (2) и процесса осыпания формы (3).
Стержни с радиоактивными изотопами изготовляли из смеси 100 вес. ч. кварцевого песка, 7 вес. ч. жидкого стекла и 4 вес. ч. воды, в которую добавляли радиоактивный раствор Н3РО4 (3 % веса воды).
Полученную опытную отливку в виде прямоугольного параллелепипеда весом 30 кг разрезали на пластины и с них снимали авторадиограммы на рентгеновской плёнке XX с выдержкой длительностью 4 суток. Таким образом, изучали распределение неметаллических включений по объёму отливки.
В качестве радиоактивного индикатора можно применять изотоп вольфрама W185, обладающий р- и мягким у-излучением, с периодом полураспада 74 дня (74). Энергия [З-частиц (0,43 мэв) и у-лучей (0,134 мэв) достаточно высока и обеспечивает необходимую глубину проникновения. Порошок радиоактивного вольфрама вводят в формовочную смесь в виде водной суспензии (15 г изотопа вольфрама на 1000 г смеси).
При исследовании размывающего действия жидкой стали на стенки каналов литниковой системы использовали отливки плиты 500x250x50 мм [74]. В горизонтальные каналы литниковой системы устанавливали стержни-втулки, изготовленные из формовочной смеси с радиоактивным изотопом. После остывания в форме верхнюю поверхность отливки очищали от приставшей смеси, и на неё накладывали рентгеновскую плёнку XX, помещённую в кассеты из светонепроницаемой бумаги. Продолжительность экспозиции 5-7 дней.
При других исследованиях металл заливали в формы из цирконового песка с добавкой радиоактивного циркония. С поверхности отливки после очистки песка снимали металл слоями по 0,07 мм и так же производили авторадиографирование. Таким образом, метод радиоактивных изотопов позволяет установить источник возникновения засоров и расположение их в теле отливки. Недостатками метода радиоактивных изотопов являются необходимость дополнительных мер по технике безопасности, связанных с использованием радиоактивных элементов, большой срок получения конечных результатов (4 суток и более), трудность равномерного распределения радиоактивного элемента в безводных смесях (песчано-масляньгх, фурановых) и т.д. Поэтому во многих случаях литейщикам проще применять другие методы, используя различные технологические пробы.
Одной из таких является проба Шренявского (рисунок 1.11) предназначена для изучения влияния удара струи металла на поверхность формы [75].
Определение физико-механических свойств
Влажность исследуемых смесей определяли согласно (ГОСТ 23409.5 - 78) нормальным методом. Метод основан на нахождении потери массы навески смеси после высушивания при 105 — 110 С до постоянной массы.
От пробы смеси, отобранной для испытания, взяли навеску массой 50 г и поместили в предварительно высушенную керамическую чашу. Чашу поместили в сушильный шкаф при 105 -ПО С. Сушили 30 мин и взвешивали. Каждое последующее взвешивание производили после высушивания в течение 15 мин до постоянной массы. После окончательного высушивания навеску смеси охлаждали в эксикаторе и взвешивали. Испытание проводили параллельно тна двух навесках. Массовую долю влаги (X) вычисляли по формуле, %: Х = 2х(т1 -т2), (2.1) где ті, 1П2 - масса чаши с навеской смеси до и после высушивания соответственно, г.
Метод определения газопроницаемости (ГОСТ 23409.6 — 78) основан на определении способности образца пропускать через себя воздух при испытании влажных, сухих и отверждённых формовочных и стержневых смесей.
Для определения газопроницаемости влажной смеси из неё готовили образцы в неразъёмной металлической гильзе с внутренним диаметром (50±0,025) мм, высотой 120 мм, уплотняя их с помощью лабораторного копра трёхкратным ударом падающего груза массой (6,35±0,25) мм с высоты (50±0,025) мм.
Для определения газопроницаемости сухого образца образцы готовили аналогично, а затем сушили в условиях, соответствующих требованиям, предусмотренным нормативно-технической документацией, на конкретные связующие материалы и смеси. Охлаждали на воздухе.
Готовые образцы имели установленную ГОСТ высоту (50±0,8) мм, которую контролировали тремя рисками, нанесёнными на станине и штоке копра. Испытания проводили на трёх образцах.
Определение прочности на сжатие, растяжение и срез регламентирует (ГОСТ 23409.7 — 78), который основан на определении сопротивления образца при приложении к нему соответствующей нагрузки. Образцы готовили по ГОСТ 23409.6 - 78, затем помещали в соответствующее приспособление прибора для определения прочности и результаты испытания фиксировали по показаниям прибора.
Метод определения осыпаемости (ГОСТ 23409. 9 - 78) основан на определении величины потери массы смеси в сыром, высушенном или отверждённом состоянии при трении его о стенки сетчйтого барабана.
Для проведения испытания применяли специальный прибор, который обеспечивает вращение барабана диаметром ПО мм в горизонтальной плоскости с частотой вращения (60±0,5) об/мин. Стенки барабана изготовлены из сетки № 2,5 по ГОСТ 3826 - 82.
Для проведения испытаний образцы готовили по ГОСТ 23409.6 - 78.
Их взвешивали, а затем помещали в центральную часть барабана, который вращается механическим приводом при испытаниях сырых образцов в течении 30 с, сухих - в течение одной минуты. Затем барабан останавливали, образец извлекали и снова взвешивали. Испытания проводили на трёх образцах.
Осыпаемость (X) вычисляли по формуле, % Х = = -х100, (2.2) т где ш, ті - масса образца до и после испытания соответственно, г. За результат испытания принимали среднее арифметическое результатов трёх параллельных определений. Для эффективной теплоизоляции прибыльной части отливок необходимо, что бы теплоизоляционная смесь имела низкий коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности X (Вт/м -К) определяется удельным тепловым потоком (количества теплоты на единицу поверхности), направленным по нормали к поверхности источника тепла, при изменении температуры в этом направлении на 1 на единицу длины.
Кажущуюся теплопроводность формовочных теплоизоляционных смеси (таблицы 5.1, 5.2) определяли нестационарным методом на экспериментальной установке, приведенной на рисунке 2.1, с использованием линейного источника тепла [61]. Источник тепла - зонд в виде трубки диаметром 18 мм и длиной 203 мм из нержавеющей стали заформовывали в образцы из различных теплоизоляционных смесей; диаметр образцов 28 мм, длина 200 мм. Внутри зонда устанавливали термопару, передающую показания на самопишущий потенциометр.
Зонд нагревается током, величину которого, а, следовательно, и температуру нагрева регулировали стабилизатором напряжения, автотрансформатором и реостатом. Для определения теплопроводности при высоких температурах испытуемый образец с зондом помещали в трубчатую печь со спиральным нагревателем.
Испытания проводили следующим образом. После установления по потенциометру постоянной температуры зонда подвод электроэнергии прекращали и снимали кривую «температура - время» по показаниям термопары, находящейся внутри зонда. Количество теплоты, выделенной при нагреве зонда, вычисляли по известному сопротивлению стальной трубки и по определённой заранее зависимости этого сопротивления от температуры. Кажущуюся теплопроводность X формовочных материалов находили по формуле
Взаимодействие поверхности форм на основе жидкого стекла с расплавом
В процессе заливки отвержденная жидкостекольная форма способна хорошо противостоять эрозии под воздействием жидкого расплава. Адекватна стойкость поверхности литниковой системы в данном типе форм. Высокая термостойкость и эрозионная стойкость формы, рассмотренная в Главе 2, обусловлены природой неорганического связующего и зависят, в основном, от способа отверждения и пропорциональны прочности уплотненной смеси после спекания. Недостаток жидкостекольной формы — плохая выбиваемость после заливки компенсируется высокой эрозионной стойкостью. Большинство литейных производств, выпускающих крупное единичное и мелкосерийное литье из черных сплавов, применяют данную технологию. Высокое качество отливок, отсутствие дефектов по засорам экономически оправдывают высокие затраты на выбивку при высоком расходе свежих материалов. Наибольшую поверхностную прочность имеют формы отвержденные тепловой сушкой. При обезвоживании связующего формируется весьма прочная стекловидная структура в виде кремнекислородного каркаса [7]. В процессе заливки происходит дополнительное упрочнение, спекание поверхностных слоев литниковых каналов, что способствует повышению их эрозионной стойкости.
Высокая эрозионная стойкость жидкостекольной формы подтверждена при получении отливки ступенчатой пробы, которая часто используется при исследовании пригара (рисунки 2.9 — 2.10). Отливка не имела засоров, форма после извлечения отливки не имела видимых разрушений.
Жидкостекольные формы отверждённые продувкой углекислым газом упрочняются за счет образования монокремниевой кислоты Si(OH)4 и ее последующей конденсации в силикагель. Прочность смесей в этом случае зависит от скорости образования кремниевой кислоты. При избыточной скорости, то есть избыточном количестве СОг прочность продукта отверждения резко падает, появляется осыпаемость поверхностных слоев, а это снижает эрозионную стойкость формы. При нормальном процессе отверждения эрозионная стойкость данных форм несколько ниже по сравнению с формами после тепловой сушки и пропорциональна поверхностной прочности.
Самотвердеющие смеси с двукальциевым силикатом в качестве отвердителя после уплотнения и затвердевания приобретают высокую поверхностную прочность и общую прочность в результате обменных реакций между жидким стеклом и силикатом кальция с образованием кальцийнатриевых гидросиликатов [12]. Прочность формы зависит и от модуля жидкого стекла. Низкий модуль увеличивает индукционный период твердения, продукт отверждения будет иметь более высокую адгезионно-когезионную способность.
Таким образом, пластические самотвердеющие смеси (ПСС) на жидком стекле после затвердевания могут приближаться по эрозионной стойкости к формам, отверждаемым тепловой сушкой.
Жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) В своем составе дополнительно содержат отверждаемым тепловой сушки пенообразователь и избыточное количество воды для обеспечения текучести, которые значительно снижают прочностные свойства формы в отвержденном состоянии. Конечная прочность отвержденной ЖСС составляет примерно 7-8 кг/см , что в несколько раз ниже, чем ПСС, а поверхностная прочность так же неудовлетворительна, так как структура ее становится рыхлой после разрушения пены. В результате сушки после удаления свободной влаги прочностные свойства отвержденной формы улучшаются незначительно. В процессе заливки пористая форма прогревается медленно, при прогреве до 600 — 700 С прочность не растет, а при высоких температурах идет разупрочнение [12], что обеспечивает снижение работы выбивки и эрозионной стойкости. Для сравнения формы отверждаемые продувкой ССЬ после заливки имеют два пика прочности при прогреве до 200 С и до 800 С, т.е. просматривается явное упрочнение и обеспечивается достаточная эрозионная стойкость.
Исследованиями подтверждено (Глава 2), что жидкостекольные формы имеют низкую деформативную способность в процессе прогрева во время заливки, что также будет способствовать эрозионной стойкости приповерхностных слоев формы и каналов литниковой системы.
Выводы по главе 3
1. Процесс эрозионного разрушения литейной формы зависит от типа связующего и продолжительности контакта жидкого металла с формой в процессе её заполнения.
2. При изготовлении отливок в песчано-глинистые формы часть засоров образуется от прямого механического воздействия расплава. Недостаточное уплотнение смеси является прямым источником засоров в результате эрозии, так как в этом случае ослабляется связь между отдельными песчинками, удерживаемыми манжетами связующего. Формы из ПГС в большей степени подвержены эрозионному разрушению, вследствие значительной склонности песчано-глинистых смесей к деформации расширения при температурах 1273 К. Они подвержены как первичной, так и вторичной эрозии.
Исследование физико-механических свойств специальной смеси в зависимости от содержания шликера
Второй этап исследований включает подбор оптимального содержания связующего — жидкого стекла в разрабатываемой специальной смеси. Для этого за основу выбираем состав смеси, показавший наилучшие результаты в ранее проведённых исследованиях. Базовая смесь имеет следующий состав: Песок кварцевый 1К2Ог025 - 80 %; шликер - 20 %. Состав и свойства разрабатываемый и испытуемых смесей приведены в таблице 4.2. Результаты исследований отражены на рисунках 4.6 - 4.9 Таблица 4.2 - Состав и свойства жидкостекольных смесей с различным содержанием связующего при содержании шликера 20%
Из рисунка 4.6 видно, что шликер, обладая свойствами глины, начинает проявлять свои связующие свойства только при достижении определённой влажности. Для специальной смеси с содержанием шликера 20 % и жидкого стекла 9-10 % прочность на сжатие 0"сж = 0,07 МПа, как показала практика, является минимальной манипуляторной прочностью, необходимой для изготовления образца, формы, стержня и для его транспортировки на дальнейшие технологические операции. При дальнейшем увеличении в смеси связующего (рисунок 4.6), прочность растёт и
достигает максимума 0,15 МПа при содержании в смеси жидкого стекла 13-14 %. Глинистая составляющая, содержащаяся в шликере, взаимодействуя с жидкой фазой, набухает и в большей степени проявляет свои вяжущие свойства. Содержание жидкого стекла в специальной смеси в количестве 13-14 % и шликера 20 % соответствует максимальной прочности на сжатие в сыром состоянии. Дальнейшее повышение содержания жидкого стекла, более 14 % увеличивает прочность на разрыв, но при этом увеличивается влажность специальной смеси, её податливость, живучесть, снижает прочность в сыром состоянии, что негативно сказывается на качестве изготовления форм, стержней.
2. Прочность специальной смеси в сухом состоянии (рисунок 4.7) также зависит от количества в составе связующего, которое расходуется на обволакивание зёрен наполнителя и влияет на толщину манжет между зёрнами и от температуры (Т С) и времени (т, с) сушки, которые зависят от размеров образца (стержня). Для нашего случая, при содержании шликера в специальной смеси 20% достаточным является содержание связующего 12-14 %. Дальнейшее увеличение жидкого стекла (ЖС) в составе смеси увеличивает прочность незначительно, и приводит к перерасходу связующего.
3. Минимальная осыпаемость (рисунок 4.8) специальной смеси при содержании шликера 20%, соответствует содержанию связующего 12-14 %. При увеличении в смеси связующего осыпаемость приближается к 0, что свидетельствует о максимальной поверхностной прочности при данном соотношении ингредиентов.
4. Газопроницаемость, согласно рисунку 4.9, с увеличением в составе смеси связующего с 9 до 15% уменьшается с 145 до 94 ед., так как увеличивается структурная плотность упаковки смеси.
На третьем этапе исследовали совместное влияние шликера и жидкого стекла на деформативную способность специальной смеси, чтобы определить механизм структурного упрочнения специальной смеси, повышающий её эрозионную стойкость. Для определения влияния шликера на деформативную способность из таблицы 4.1 исследовали три смеси с разным содержанием шликера: смесь № 5 - имеющую минимальную манипуляторную прочность 0,05 МПа, смесь № 7 — показавшую наилучшие по всем параметрам физико -механические свойства и смесь № 9 - с завышенным содержанием шликера; и три смеси из таблицы 4.2 с разным содержанием связующего: смесь № 1 — соответствует минимальной технологической прочности на сжатие в сыром состоянии, № 7 - с лучшими физико - механическими свойствами, № 9 - с. высокими физико — механическими свойствами и завышенным содержанием связующего.
Результаты дилатометрических исследований представлены на рисунках 4.10, 4.11.
Из рисунка 4.10 видно, что деформация исследуемых трёх смесей с различным содержанием в составе шликера имеет отрицательное значение. Это означает, что шликер не обладает значительным коэффициентом температурного расширения, и его содержание в специальной смеси даже 25% не будет ухудшать эрозионную стойкость форм, изготовленных из смесей на основе жидкого стекла. Деформационные изменения исследуемых смесей практически не отличается друг от друга и у всех начинаются в практически в одно время, через 3 с, так как во всех одинаковое количество связующего. Однако уже через 10 с деформация смеси № 5 с 15 % шликера больше отклоняется в отрицательное значение, так зсак шликер меньше препятствует размягчению смеси и её податливости, чем в смесях № 7 и № 9 с 20 и 25 % шликера. Через 35 с отрицательная деформация исследуемых смесей резко увеличивается, что свидетельствует о прогреве образца и о начале плавления составляющих шликера, которое продолжается до 55 с. После этого состояние образцов из исследуемых специальных смесей стабилизируется при температуре 1270 К и нагрузке 0,4 МПа.
Согласно результатам дилатометрических исследований выяснили, что:
1. Специальные жидкостекольные смеси с шликером, как и традиционная жидкостекольная смесь, имеют отрицательную деформацию при нагреве, (доказывая, что они имеют высокую эрозионную стойкость, согласно проведённым исследованиям).
2. Шликер, являясь отходом производства керамических изделий и содержащий в своём составе плавни, способен плавиться и при этом спекаться, т. е образовывать керамику при незначительной деформации.
3. Специальные смеси № 7, № 9 менее податливы, чем смесь № 5, за счёт содержания в составе большего количества шликера, который при высоких температурах спекается, увеличивая поверхностную прочность образцов и незначительно препятствует процессу деформации образцов, а в реальных условиях деформации поверхности литейной формы. Поэтому смеси с большим содержанием шликера, как менее податливые при высоких температурах, можно применять для изготовления элементов литейной формы, которые не будут препятствовать усадке металла. К примеру, заливочная воронка, элементы стояка, зумпф, сетчатые фильтры и т. д.
4. Смесь № 5, как обладающая необходимыми физико-механическими свойствами рекомендуется, кроме того, для изготовления литейных форм и стержней для мелких отливок.
