Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние литья по выплавляемым моделям 9
1.1. Характеристика способа литья по выплавляемым моделям 9
1.2. Материалы для изготовления керамических оболочек 11
1.2.1. Огнеупорный наполнитель 11
1.2.2.Связующие материалы 15
1.3. Металлофосфатные связующие в литье по выплавляемым моделям 18
1.3.1. Современное состояние технологии применения фосфатных связующих 21
1.3.2. Механизм твердения металлофосфатных связующих композиций 22
1.3.3. Характеристика железосодержащих отвердителей 24
1.3.4. Основные типы фосфатных связующих 27
1.4. Методы физико - механической активации керамических суспензий 30
Выводы и задачи работы 33
Глава 2. Методика исследований 35
2.1. Характеристика исходных формовочных материалов 35
2.1.1. Огнеупорные материалы 35
2.1.2. Металлофосфатные связующие 35
2.1.3. Отвердители связующих 35
2.1.4. Поверхностно - активные вещества 37
2.1.5. Прочие материалы 38
2.2. Технологическое оборудование, применяемое в исследованиях... 38
2.3. Физико - механические методы исследования свойств
керамических суспензий и форм з
2.3.1. Определение вязкости 39
2.3.2. Определение кроющей способности 39
2.3.3. Определение живучести и времени твердения 42
2.3.4. Определение прочности 44
2.3.5. Определение пористости 59
2.3.6. Определение трещиноустойчивости 60
2.4. Математические методы исследования 61
ВЫВОДЫ 65
Глава 3. Разработка составов керамических суспензий на основе фосфатных связующих для литья по выплавляемым моделям 66
3.1. Разработка составов связующих композиций 67
3.2. Определение оптимального отношения «связующая композиция -огнеупорный наполнитель» и необходимого количества воды и ПАВ
3.3. Разработка технологии применения суспензий разработанных составов 95
3.4. Разработка методов снижения трещинообразования оболочек из суспензий разработанных составов 99
3.4.1. Снижение трещинообразования оптимизацией технологии выплавления моделей 99
3.4.2. Исследование технологии применения упрочняющей добавки борной кислоты 101
3.4.3. Снижение трещинообразования применением обсыпочных материалов 102
ВЫВОДЫ 112
Глава 4. Разработка методов физико - механического воздействия на керамические суспензии 116
4.1. Влияние принудительного механического перемешивания на свойства керамических суспензий и оболочек 116
4.2. Увеличение прочности оболочек применением предварительного подогрева суспензий 124
4.3. Разработка метода магнитной обработки керамических суспензий и их компонентов 126
4.4. Разработка метода ультразвуковой активации керамических суспензий 138
Выводы 150
Глава 5. Опытно - промышленные испытания разработанной технологии и расчет экономической эффективности 152
Выводы по работе 157
Литература
- Материалы для изготовления керамических оболочек
- Отвердители связующих
- Разработка технологии применения суспензий разработанных составов
- Увеличение прочности оболочек применением предварительного подогрева суспензий
Введение к работе
Актуальность проблемы. Особенностью состояния современного литейного производства является снижение производства литья, получаемого по выплавляемым моделям (ЛВМ). Статистика свидетельствует, что на долю данного способа приходится менее 0,13% от общего числа произведенных в России отливок
Более широкое распространение ЛВМ в машиностроении сдер-живается высокой стоимостью исходных формовочных материалов. Так керамическая форма на этилсиликатном связующем (ЭСС) с цирконовым огнеупорным наполнителем почти в 40 раз дороже сырой песчано - глинистой формы.
Изыскание технологии, позволяющей снизить себестоимость керамических форм по выплавляемым моделям, будет способствовать дальнейшемуразвитию ЛВМ и увеличению доли отливок, полученных этим способом
Целью работы является разработка технологического процесса с применением металлофосфатных связующих (МФС), позволяющего уменьшить себестоимость литья по выплавляемым моделям.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
разработка методов определения физико - механических характеристик керамических суспензий и оболочек;
разработка составов керамических суспензий для ЛВМ на основе фосфатных связующих и отвердителей - железосодержащих отходов метал-лургических' производств;
разработка методов повышения трещиностойкости оболочковых форм;
разработка методов и лабораторного оборудования для физико - механической активации материалов и суспензий в ЛВМ и экспериментальное выявление возможности улучшения физико - механических свойств суспензий и керамических форм;
опытно - промышленное опробование разработанной технологии.
Основные научные результаты:
разработаны методики определения кроющей способности суспензий и трещиноустойчивости оболочек;
установлен механизм взаимодействия фосфатных растворов с отверди-телями и выявлена зависимость прочности оболочек от типа фосфатного раствора и количества отвердителя; выявлены причины, приводящие к снижению активности прокаленного отвердителя;
установлен механизм растрескивания оболочек и выявлены мероприятия, снижающие растрескивание - увеличение скорости выплавления моделей, применение упрочняющей добавки и обсыпочных материалов органической и неорганической природы;
аналитически установлена зависимость прочности оболочек от размер и формы гранул, применяемых в качестве обсыпки;
выявлен механизм воздействия интенсивного механического переме шивания, предварительного подогрева, магнитной и ультразвуковой оС работки на свойства суспензий и оболочек;
разработана математическая модель, позволяющая прогнозироват
свойства суспензий и форм в зависимости от количества ингредиенте
или параметров активации.
Праісгические результаты:
спроектированы и изготовлены лабораторные установки для определе
ния кроющей способности суспензий и предела прочности на изгиб обе
лочек;
разработаны составы керамических суспензий на алюмохромофосфат ном связующем, отвердителях - отходе дробеметной очистки, непрокг ленном и прокаленном отходе обнаждачивания отливок, пыли сталеїш вильного производства и активирующей добавке - ортофосфорной к* слоте; разработана технология их применения;
разработана методика и изготовлено лабораторное оборудование дп физике* - механической активации суспензий;
проведено промышленное опробование разработанной технологии н АО«ЧАЗ».
Апробация работы. Основные положения диссертации прел ставлены и обсуждены на научно - технических конференциях аспиран тов, преподавателей ЧГПУ г. Чебоксары в 1998, 1999,2000 г. г., на науч но - практической конференции литейщиков в НГТУ г. Н. Новгород ; 1999 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано Ш ра бот, получено 1 'положительное решение по заявю №99126582/03(027930) от 15.12.1999 на выдачу патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вве дения, пяти глав, основных выводов, библиографии и приложений. Со держание работы изложено на/Л> страницах. Работа содер жит_таблиц,53рисун-ков. библиографический список включа ет /19 наименований. Общий объем диссертации W страниц.
Во введении обоснована актуальность работы, показаны ее на учная и практическая значимость. Сформулирована цель исследования.
Материалы для изготовления керамических оболочек
К основным требованиям, предъявляемым к современным технологическим процессам литья, относятся высокая точность размеров, низкая шероховатость поверхности отливок, снижение материалоемкости и трудоемкости их производства, повышение эксплуатационных характеристик деталей. Способ литья в керамические формы по выплавляемым моделям наиболее полно отвечает всем указанным запросам развивающейся промышленности [28, 95, 96 и др.].
Отличительной особенностью изготовления керамических оболочек является применение операции их прокаливания при температурах 973 - 1373 К [28, 95 - 97, 103 и др.], что придает им высокие механические свойства - прочность керамических оболочек на изгиб достигает 15,0 МПа [90, 96, 97 к др.].
Керамические формы обладают практически нулевой газотворностью, хотя и невысокой газопроницаемостью (порядка 0,5-1,0 ед.), стабильностью геометрических размеров при нагреве, высокой огнеупорностью, гладкой, почти зеркальной поверхностью, химической инертностью к заливаемому сплаву [28, 96 и др.]. Кроме того, формы заливаются в горячем состоянии, что позволяет получать отливки с тонкими, протяженными стенками (во-первых, за счет гладкой поверхности формы с низким коэффициентом трения на границе металл - форма и, во-вторых, за счет уменьшения термического удара при попадании сплава в форму, что позволяет ему более долгое время находится в жидком состоянии, спокойно заполнять все полости формы и получать отливки без газовых включений) [28, 95 и др.].
Способ литья в керамические формы позволяет получать отливки из различных сплавов с температурой плавления до 2273 К (в зависимости от применяемого огнеупорного наполнителя) любой твердости, особенно когда либо невозможно, либо затруднительно проводить обработку резанием [46], позволяет получать низкую шероховатость отливок от Rz = 20 мкм до Ra = 1,25 мкм (ГОСТ 2789 - 73) [28, 96, 97 и др.], обеспечивает получение отливок высокой точности до 8 - 10 квалите-тов по ГОСТ 25347 - 82 или до 3 - 5 классов точности по ГОСТ 26645 - 85 [28, 97], благодаря химической инертности литейной формы к заливаемым сплавам поверхность получаемых отливок не имеет трудноотделяемого пригара [28, 95].
Процесс формования оболочки для литья по выплавляемым моделям заключается в послойном нанесении на модельный блок суспензии, состоящей из связующего и огнеупорного наполнителя. Получаемая таким образом оболочка в зависимости от массы заливаемого металла может содержать до 8 - 10 слоев [71, 95, 96].
Наличие опорного наполнителя на стадии прокаливания и заливки оболочек позволяет значительно повысить качество поверхности отливок при применении более дешевых огнеупорных наполнителей керамических суспензий [95 - 97 и др.], однако эта технология связана с большими энергетическими затратами и большим циклом производства отливок, поэтому исключение опорного наполнителя из технологии точного литья выгодно производству.
Благодаря своим очевидным преимуществам литье по выплавляемым моделям наиболее распространенный способ получения точных отливок. Однако дороговизна исходных формовочных материалов, а следовательно, высокая себестоимость точного литья сдерживает более широкое распространение ЛВМ. По данным [28] стоимость керамической формы на цирконовом песке в 40 раз превышает стоимость песчано - глинистой формы. Поэтому толчком к дальнейшему развитию точного литья должно стать изыскание технологий, позволяющих резко снизить стоимость керамических форм за счет применения более дешевых исходных формовочных материалов.
Основными компонентами керамических суспензий для изготовления многослойных форм в ЛВМ являются порошкообразный огнеупорный наполнитель, свя зующая композиция и добавки, повышающие технологические свойства суспензий и механические свойства керамических форм [17, 20, 28, 55, 71, 96, 97 и др.].
В ЛВМ огнеупорный наполнитель является основой керамической формы, входит в состав суспензии, образуя твердую ее фазу, и применяется как обсыпоч-ный материал [17, 28, 71, 95 - 97 и др.]. Обсыпка применяется для наращивания толщины оболочки и увеличения адгезии между слоем затвердевшей и незатвер-девшей суспензии [55, 95, 96 и др.]. Рекомендуемый размер зерна в суспензии 0,01 -0,02 мм, для обсыпки 0,2 - 0,36 мм, [20, 96 и др.].
Применение различных огнеупоров обусловлено различным требуемым качеством отливок. Для отливок повышенного качества применяют электрокорунд, дистен - силлиманит, плавленый кварц, кварцит, циркон. Для отливок обычного качества - кварцевый песок, шамот. Такое подразделение образовалось потому, что на размерно - массовую точность литья оказывает влияние, прежде всего, изменение размеров формы при нагреве, определяемое коэффициентом линейного термического расширения (КЛТР). Чем меньше КЛТР применяемого наполнителя, тем выше точность получаемых отливок. В таблице 1.1, составленной по данным [17, 20, 28, 47, 53, 56, 71, 74, 75, 80, 81, 87, 95 - 97, 102 и др.], приведены свойства применяемых в ЛВМ огнеупорных наполнителей.
Анализ приведенных в таблице данных показывает, что максимальным КЛТР обладает кристаллический, а минимальным - плавленый кварц, что объясняется кристаллическим строением кристаллического и аморфным строением плавленого кварца.. При температуре 700 - 750 К кристаллический кварц претерпевает превращение из Р в а модификацию, сопровождающееся изменением объема примерно на 1,7%, что приводит к растрескиванию уже сформировавшихся оболочек и непригодности их к дальнейшему использованию.
Отвердители связующих
Для понижения вязкости керамических суспензий в экспериментах использовалась вода дистиллированная по ГОСТ 6709 - 72.
В качестве добавки, пассивирующей железосодержащие отвердители, применялся лигносульфонат технический (ЛСТ) по ГОСТ 969 - 86.
С целью упрочнения керамической оболочки применялась упрочняющая добавка - борная кислота по ГОСТ 9656 - 73.
Для снижения трещинообразования применялись следующие обсыпочные матералы: пенополистирол гранулированный, мука древесная, опилки древесные. Пенополистирол марки 20 по ГОСТ 15588 - 70, изготовляется беспрессовым способом вспениванием в горячей воде суспензионного вспенивающегося полистирола ПСБ и поставляется в виде плит. Для проведения экспериментов плита дробилась на гранулы размером 2 - 3 мм.
Мука древесная по ГОСТ 16361 - 70 - пылевидный продукт сухого механического измельчения отходов лесопиления и деревообработки древесины лиственных и хвойных пород. Опилки древесные (продукт нестандартизирован) - отходы деревообработки в виде частиц удлиненной угловатой формы длиной до 5 мм.
При проведении исследований для осуществления технологических процессов по изготовлению оболочек применялось следующее оборудование: - навеска жидких и порошкообразных компонентов суспензии проводилась на аптекарских весах с точностью до 0,001 г; - приготовление суспензий осуществлялось в мешалке с дисковым перемешивающим устройством частотой вращения 1250 об/мин, разработка которой описана в главе 4; - сушку слоев оболочек с целью ускорения проводили в потоке воздуха скоростью 5 м/с, нагнетаемого вентилятором марки «Орбита- 10 AM»; - выплавление моделей проводилось в низкотемпературной печи. Температура контролировалась ртутным термометром с пределом измерений 200С и ценой де ления 1С; - прокалка оболочек велась в муфельной электрической печи марки ПМ - 8 с мак симальной рабочей температурой 1173 К. Контроль температуры проводился ХА термопарой. Вязкость керамических суспензий оценивалась с помощью вискозиметра ВЗ - 4 по времени истечения 100 мл суспензии через калиброванное отверстие диамет ром 4 мм. На точность, эффективность и трудоемкость изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям значительное влияние оказывает кроющая способность (смачиваемость) выплавляемой модели и затвердевших слоев керамической суспензией.
Известно, что смачиваемость характеризуется краевым углом смачивания [78]. Смачивают твердую поверхность только те жидкости, которые понижают поверхностное натяжение твердого тела на границе с воздухом и краевой угол смачивания которых меньше 90. Например, вода хорошо смачивает высокополярные минеральные вещества с ионной или полярной связью. Поверхность выплавляемых моделей, в состав которых входят вещества органической природы, является гидрофобной, т. е. водной суспензией смачивается плохо. Для того, чтобы повысить смачиваемость, в состав суспензий необходимо вводить жидкие углеводороды -вещества, родственные веществу поверхности по строению и химсоставу [78].
Известны несколько методов, позволяющих измерять поверхностное натяжения на границе раздела трех фаз - жидкости (суспензии), твердого тела (поверхность формы) и газа (воздуха), в частности метод наибольшего давления образования пузырьков (прибор Ребиндера), метод счета капель (сталагмометр); метод отрыва кольца [29, 30, 78 и др.].
Все указанные методы относятся к кинетическим и пригодны для определения поверхностного натяжения лишь чистых жидкостей и истинных растворов [78].
Для измерения поверхностного натяжения высокомолекулярных соединений и коллоидов, характеризующихся очень медленным формированием поверхностного слоя, более приемлемы статические методы, к которым относится метод капиллярного поднятия жидкости.
Так как в состав керамических суспензий входит наполнитель, армирующие материалы различных фракций, то метод капиллярного поднятия для измерения поверхностного натяжения суспензий применен быть не может. Поэтому с целью снижения трудоемкости проведения экспериментов и упрощения применяемого оборудования была отработана методика определения краевого угла смачивания керамических суспензий [60].
С целью максимального приближения условий испытания к реальным условиям кварцевое предметное стекло микроскопа МБМ покрывалось раствором модельного состава в керосине. Капля огнеупорной суспензии, нанесенная на такое стекло, принимает форму части сферы радиусом ОА (рис. 2.1). В сечении образуется сегмент с хордой АВ. Известен метод определения краевого угла смачивания -угла между перпендикуляром к ОА в точке А и прямой АВ - по известной высоте подъема п, определяемой либо с помощью горизонтальноотсчетного микроскопа МПБ - 2, либо проецированием на экран [29, 30, 78 и др.].
Разработка технологии применения суспензий разработанных составов
С учетом вышесказанного были выбраны следующие размеры образцов: (L + 10) = 60 мм, b = 20 мм, толщина варьировалась в зависимости от смачивания суспензией поверхности формы от 2 до 4 мм.
Керамические образцы получались путем заливки керамической суспензии в форму (рис. 2.10) с последующим ее твердением на воздухе. В качестве разделительного слоя на разогретую до 330 К форму наносился слой модельного состава, что повышало сродство поверхности формы к поверхности выплавляемой модели.
Как известно из технической механики [72, 104, 105 и др.], предел прочности на изгиб определяется по формуле: aH = M/Wx, (2.11) где М - максимальный изгибающий момент, равный произведению усилия на траверсе Pi на кратчайшее расстояние до опоры образца L/2, т. е. М = Pi L/2, (Н мм), (2.11) а Wx - момент сопротивления изгибу прямоугольного сечения образца, равный Wx = b-h2/6,(MM3) (2.12) где b - ширина образца, мм; h - толщина образца, мм. Так как усилие на траверсе равно произведению веса воды в емкости Р на передаточное отношение механизма установки, т. е. Pi=25-P, (2.13) а расстояние между опорами равно 50 мм, то величина прочности на изгиб будет определяться по формуле аи = 25 Р 50/2 6 / b h2 = 3750 Р/ b h2, (МПа). (2.14) Силу веса воды в емкости (Н) удобно выразить через ее массу m (кг): P = rng=10m, (2.15) Таким образом, искомая прочность на изгиб: ст = 37500 m/ b h2 (кг/мм2) = 3750 m / b h2 (МПа) (2.16). С целью упрощения процесса многократного проведения расчетов прочности, была разработана программа (см. приложение 2), позволяющая проводить рас четы по формуле (2.16). От пользователя программы требуется ввести число средних прочностеи L, которые необходимо определить, и число повторений эксперимента для определения какой - либо конкретной прочности М. Например, лусть требуется провести расчеты по определению двух прочностеи, причем каждая прочность является средней арифметической трех повторений экспериментов. Тогда пользователем вводится L = 2, N = 3 и значения Р, b, h для каждого из повторений. Программа выведет сначала 3 промежуточных значения прочности отдельных повторений для первой прочности и среднее значение этой прочности, затем 3 промежуточных значения для второй прочности и среднее значение этой прочности.
С целью увеличения точности проводимых экспериментов определение прочности керамических образцов проводилось не менее 5 раз для каждого параметра эксперимента.
Согласно принятой методике [92], пористость оценивали по разности плотностей затвердевшего образца и того же объема образца растертого до порошкообразного состояния. Образец для испытания на пористость изготавливался в форме, обеспечивающей четкие его линейные размеры, которые снимались для каждого образца, и произведение которых определяло его объем. Измерение линейных размеров проводили штангенциркулем с точностью до 0,05 мм. Взвешивание образцов проводили с точностью до 0,001 г. Определяли плотность образца как отношение его массы m к объему V: р = m / V (кг/м3). (2.17)
Далее образец разрушался и перетирался в фарфоровой ступке до получения однородной фракции. Насыпной объем полученного порошка определялся засыпанием его в мензурку. Проверялась масса порошка и определялась его плотность как отношение массы порошка т0 к его насыпному объему V0: р0 = т0/Уо(кг/м3). (2.18) Под пористостью данного образца П понимали величину, равную разнице между плотностями образца р и порошка р0, выраженную в процентах: П=100%(р-ро)/р. (2.19) Для определения пористости эксперимент проводился троекратно.
При несоответствии предела прочности керамики и разрушающей нагрузки керамические оболочки растрескиваются, что, чаще всего, приводит к невозможности их дальнейшего использования. Методы физической активации исходных компонентов и суспензий, введение различных добавок в суспензию и в обсыпку значительно влияют на трещинообразование керамики. Для определения эффективности того или иного мероприятия по уменьшению трещинообразования необходим контроль трещиноустойчивости керамических форм.
Для оценки трещиноустойчивости из модельного состава изготавливались модели образцов в виде полукольца внутренним диаметром d = 0,032 м, наружным диаметром D = 0,044 м и шириной b = 0,015 м. Площадь поверхности S такой моде-ли принималась равной 0,0508 м .
На модель наносилось в зависимости от того или иного эксперимента необходимое число слоев керамики с холодным их отверждением и последующей сушкой. Далее проводилось выплавление модели по режимам, оговоренным конкретным экспериментом.
Появление трещин на выплавленном образце оболочки оценивалось визуально с помощью увеличительного стекла (10 крат). Обнаруженная трещина посыпалась маршалитом для более четкого выявления ее границ. Штангенциркулем ценой деления 0,05 мм оценивалась длина каждой из образовавшихся трещин. Определялась суммарная длина трещин, возникших на данном образце.
Увеличение прочности оболочек применением предварительного подогрева суспензий
Например, сравнивая значения пористости и прочности при применении пульпы и опилок, видно, что пористость отличается незначительно, хотя прочность оболочек, армированных опилками, значительно ниже прочности образцов, армированных пульпой.
Указанное явление объясняется следующим образом. Огнеупорная керамика по структуре подразделяется на плотную, пористую и пористо - трещиноватую [77]. В плотной структуре пористость практически нулевая, а прочность максимальна. Пористая структура отличается значительной пористостью при сохранении высокой прочности. Структура пористо - трещиноватая характеризуется высокой пористостью и незначительной прочностью.
Реальная прочность керамики на 2 порядка ниже прочности теоретической, рассчитанной, исходя из сил атомного взаимодействия [104, 105]. Это связано с тем, что реальная прочность хрупких керамических материалов определяется наличием в их структуре (даже с невысокой пористостью) большого числа дефектов -микротрещин, на концах которых имеют место большие концентрации напряжений.
Согласно теории Гриффита [77], реальная прочность керамики может быть определена по формуле пс , (3.1) где у - удельная поверхностная энергия; Е - модуль упругости; 2с - длина трещины. Данная зависимость позволяет судить о том, что, во - первых, реальная прочность отличается от теоретической, а, во - вторых, прочность зависит от величины и числа трещин. Прочность - наиболее структурочувствительное свойство керамики. При одном и том же ее химсоставе, но при различных структурных факторах - пористости, размерах и форме пор прочность значительно изменяется.
Так как гранулы пульпы имеют правильную округлую форму, получаемые при ее применении поры имеют подобную округлую форму, концентрация напряжений в таких порах практически отсутствует. Поры, полученные при использовании древесных опилок, имеют неправильную ограненную форму, которой свойственна значительная концентрация напряжений, наличие которой способно приводить к разрушению керамики даже при незначительных разрушающих нагрузках р«с.312).
Влияние формы гранул применяемой обсыпки на прочность оболочек подтверждается нижеприведенными расчетами. Прочность структуры с равномерно распределенными порами стп можно выразить в соответствии со средним уменьшением площади контактных сечений через пористость П этой структуры и прочность структуры без пор ст [77]: стп = ст(1-П).(3.2) С учетом значений пористости образцов обсыпанных пульпой Пп = 0,31 (31%) и опилками П0 = 0,36 (36%), и значением прочности необсыпанных образцов ст = 7,2 МПа, прочность обсыпанных образцов должна быть равной -при обсыпке пульпой: стп = ст (1 -П) = 7,2 (1 - 0,31) = 5,00 МПа; (3.2) при обсыпке опилками: ст0 = ст (1-П) = 7,2 (1-0,36) -4,60 МПа. (3.3) Реальные прочности при обсыпке пульпой и опилками соответственно (Jr,1 = 4,5 МПа и Сто1 = 3,4 МПа, при чем расхождения с предполагаемыми прочностями -для пульпы: 8П = 100 (стп - стпУстп= 100 (5,0 - 4,5)/5,0 = 10%; (3.4) для опилок: 50 = 100 (ст0 - ст01)/а0= 100 (4,6 - 3,5)/4,6 = 24%. (3.5) Трещинообразование керамических образцов, изготовленных с применением АХФС (слева направо): без обсыпки армирующими материалами (ОДТ = 0,022 мм"1); с обсыпкой гранулами пенополистирола (ОДТ - 0); с обсыпкой пластинами кузнечной окалины (ОДТ = 0); с введением упрочняющей добавки - борной кислоты (ОДТ = 0,012 мм" )
To есть, при применении для обсыпки гранул сфероидальной формы расхождения прочности ожидаемой и реальной гораздо меньше, чем при применении обсыпки с ограненными гранулами, что объясняется большими концентрациями напряжений в пористо - трещиноватой структуре.
Таким образом, при прочих равных условиях форма получаемых пор оказывает решающее влияние на прочность образцов, этим и объясняется уменьшение прочности при применении древесных опилок.
С целью выявления влияния армирующих слов и параметров прокалки на свойства керамических оболочек прокалка проводилась по следующей технологии. Образцы помещались в муфельную печь и прокаливались при температуре 1073 К в течение 6 ч., причем для определения оптимального времени прокалки через каждый час процесса образцы вынимались из печи с охлаждением на воздухе для определения их механических характеристик.
Важным технологическим параметром технологии изготовления оболочек является скорость подъема температуры и время прокаливания оболочек. Зависимость прочности керамических образцов, обсыпанных кварцевым песком и различными материалами, от времени их прокалки представлены на рис. 3.2 3. Результаты показывают, что прочность всех образцов резко падает после первых двух часов прокаливания и практически не изменяется при последующей прокалке. Данное явление связано с удалением модельного состава, остающегося на поверхности оболочек после выплавления, который способствует дополнительной их прочности, а также с процессами дегидратации фосфатного связующего оболочек.
Визуально отмечено, что длина трещин, образовавшихся при прокаливании оболочек как с песчаной обсыпкой, так и с обсыпкой различными материалами остается практически неизменной, что позволяет судить о том, что трещинообразова-ние происходит, в основном, на стадии выплавления моделей. Для выяснения влияния скорости повышения температуры при прокаливании оболочек на их прочность и трещинообразование прокалка проводилась с различной скоростью повышения температуры, которая регулировалась помещением образцов в холодную (283 К/мин), в разогретую до 773 К (373К/мин) и до 1073К (1073К/мин) печь. Данные эксперимента приведены нарис. 3.24. Результаты свидетельствуют о том, что прочность оболочек при увеличении скорости нагревания несколько уменьшается, что связано с неравномерным прохождением процесса дегидратации связующего и появлением внутренних напряжений в оболочке при более быстром нагреве. Трещинообразование при увеличении скорости нагрева не изменилось, что позволяет предположить возможность заливки армированных оболочек без опорного наполнителя.
Анализ литературы и проведенные эксперименты показали высокую эффективность применения всех рассматриваемых обсыпочных материалов для повышения трещиноустойчивости. Из всех органических материалов минимальное снижение прочности оболочкам обеспечивают гранулы пенополистирола и древесная пульпа. Из неорганических материалов более пригодными можно считать пластины кузнечной окалины, так как при выгорании волокнистого асбеста происходит его термодеструкция, сопровождающаяся вредными газовыделениями.
При сравнении материалов органической и неорганической природы предпочтение следует отдать неорганическим материалам, так как при выгорании органики выделяется значительное количество угарного и углекислого газа [93].
Таким образом, установлено, что наиболее перспективным армирующим материалом являются пластины кузнечной окалины, так как обеспечивают оболочкам максимальное снижение трещинообразования, минимальную пористость и максимальную прочность. Кроме того, указанный материал является наиболее дешевым, так как является невостребованным отходом производства.
