Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор и задачи исследования
1.1 Работа адгезии и когезии в составах формовочных смесей 12
1.2 Адгезия жидкости и смачивание 17
1.3 Прилипаемость формовочной смеси к модельно- технологической оснастке и факторы, влияющие на данное взаимодействие 20
1.3.1 Влияние процессов смешивания, уплотнения и прочности смеси на возникновение прилипаемости 21
1.3.2 Влияние влажности формовочной смеси на прилипаемость 26
1.3.3 Влияние материала модели на прилипаемость формовочной смеси к материалу модельно-технологической оснастки 27
1.4 Методики определения прилипаемости формовочных смесей к модельно- технологической оснастке 28
1.5 Способы снижения адгезионного взаимодействия формовочной смеси с модельной оснасткой 35
1.5.1 Формовочные припылы (сухие разделительные покрытия) 37
1.5.2 Жидкие разовые разделительные покрытия 40
1.5.3 Полупостоянные разделительные покрытия 46
Выводы по,главе 1 49
Цели и основные задачи исследований 50
2. Методика проведения исследования
2.1 Методика определения краевых углов смачивания и работы адгезии жидких связующих к поверхностям модельно-технологической оснастки 51
2.2 Определение поверхностного натяжения методом П.А. Ребиндера (метод отрыва пузыря) 54
2.3 Определение прилипаемости формовочной смеси к модельно-технологической оснастке 55
2.4 Седиментационный анализ 63
2.5 Метод определения динамической вязкости 63
2.6 Хромато-масс-спектрометрический метод исследования 65
2.7 Дифференциально-термический и термогравиметрический анализ 65
2.7 Метод определения шероховатости поверхности 66
Выводы по главе 2 67
3. Расчеты, определяющие условия прилипания сырых песчано-глинистых смесей к модельно-технологической оснастке
3.1 Приближенный расчет предела прочности сырых песчано-глинистых смесей 68
3.2 Приближенный расчет предела прочности сырых песчаных смесей, учитывающий действие сил когезии 70
3.3 Условия разрушения склеенной массы наполнителя при статическом растяжении 75
3.4 Условия отсутствия прилипания пленки связующего к материалу модели 77
Выводы по главе 3 95
4. Исследование адгезии песчано-глинистых смеси и ее компонентов к поверхностям кварца и модельно-технологической оснастки 96
4.1.1 Влияние компонентов песчано-глинистых смесей на адгезию к модельно-технологической оснастке 97
4.1.2 Влияние зернового состава песчано-глинистой смеси на величину предела адгезионной прочности к модельно-технологической оснастке 103
4.1.3 Влияние шероховатости поверхности стальной оснастки на предел адгезионной прочности 110
4.2. Разработка состава разделительного покрытия для сокращения прилипаемости песчано-глинистой смеси 113
4.2.1 Влияние разделительного покрытия на адгезию компонентов песчано-глинистой смеси к поверхностям стальной модельной оснастки и огнеупорного наполнителя 120
4.2.2 Влияние разделительного покрытия на предел адгезионной прочности песчано-глинистой смеси к модельной оснастке 131
4.2.3 Влияние разделительных покрытий на предел адгезионной прочности к стальной модельной оснастке с различной шероховатостью поверхности 137
Выводы по главе 4 141
5. Применение в составе песчано-глинистой формовочной смеси органоминеральной технологической добавки для получения качественной литейной формы 142
5.1 Выбор материала и исследование его структуры 142
5.2 Исследование влияния кека на свойства песчано-глинистых смесей 152
5.3 Влияние добавки кека на прилипаемость смесей к модельно-технологической оснастке 158
5.4 Влияние шероховатости поверхности стальной оснастки и добавок, вводимых в состав формовочных песчано-глинистых смесей, на предел адгезионной прочности 161
5.5 Влияние органоминеральной добавки кека на величину образования пригара, дефектов газового происхождения и экологичности атмосферы литейного цеха. 164
Выводы по главе 5 168
6 Промышленные испытания разработанного разделительного покрытия и формовочной смеси 169
6.2 Расчет экономической эффективности от применения разработанного разделительного покрытия и состава формовочной смеси 176
Выводы по главе 6 178
Общие выводы 179
Список используемых источников 181
Приложения 196
- Влияние процессов смешивания, уплотнения и прочности смеси на возникновение прилипаемости
- Определение прилипаемости формовочной смеси к модельно-технологической оснастке
- Приближенный расчет предела прочности сырых песчаных смесей, учитывающий действие сил когезии
- Влияние зернового состава песчано-глинистой смеси на величину предела адгезионной прочности к модельно-технологической оснастке
Введение к работе
Актуальность работы. Современное машиностроение требует постоянного совершенствования технологии получения отливок, повышения производительности за счет сокращения цикла их изготовления, улучшения чистоты поверхности, значительного сокращения вредных для здоровья технологических операций. Поэтому создание новых и совершенствование существующих методов изготовления отливок имеет большое значение.
Качество литых заготовок зависит не только от правильно выплавленного металла, выбора и расчета литниковой системы, но и от качества изготовленной формы. В большинстве случаев разовая литейная форма состоит из огнеупорного наполнителя, связующих и технологических добавок. Качество данных формовочных материалов, их физико-химические и технологические характеристики требуют тщательного анализа. В свою очередь геометрическая точность отливки и чистота ее поверхности зависят от качества отпечатка формы, на который влияет взаимодействие компонентов формовочной смеси с материалом модельной оснастки.
Работы, выполненные известными российскими учеными в области процесса формообразования и формовочных материалов Карловым К.Н., Бергом П.П., Рыжиковым А.А., Аксеновым П.Н., Ляссом A.M. Баландиным Г.Ф., Васиным Ю.П., И.Е. Илларионовым, С.С. Жуковским, А.А. Волкомичем, в области физической и коллоидной химии А.Д. Зимоном, Ребиндером П.А., а также другими известными учеными, позволили разработать методы оценки адгезионного взаимодействия формовочной смеси с модельно-технологической оснасткой и меры по его снижению.
Несмотря на накопленный богатый производственный опыт, проблема прилипаемости песчано-глинистых формовочных смесей до настоящего времени не является окончательно изученной. Снижение адгезии смеси получают за счет применения подогрева модельной оснастки, использования методов электролитической защиты, нанесения жидких разделительных покрытий и прочих способов. В производстве широкое распространение получили разовые разделительные покрытия, состоящие из целевых, дорогостоящих материалов и требующих частого нанесения на поверхность оснастки. Эти покрытия значительно ухудшают санитарно-гигиенические условия труда и пожарную безопасность. В то же время в промышленности образуется значительное количество отходов, имеющих стабильный химический состав, которые возможно использовать для создания разделительных покрытий и составов формовочных смесей.
Таким образом, научно обоснованное создание условий получения качественного отпечатка литейной формы и снижение прилипаемости песчано-глинистых смесей в процессе формообразования является актуальной задачей.
Цель и задачи исследований. Целью данного исследования является получение бездефектных песчано-глинистых форм и отливок в них за счет снижения адгезионного взаимодействия смеси с материалом модельно-технологической оснастки на основе разработки ресурсосберегающих технологий изготовления смесей и разделительных покрытий.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать комплексную методику, оценивающую прилипаемость смеси к оснастке, учитывающую силы адгезии и взаимодействие связующего с материалом модели;
подобрать недефицитные компоненты для разделительного покрытия и составов песчано-глинистых смесей из числа отходов нефтехимической промышленности;
изучить влияние предлагаемых добавок на свойства разделительных покрытий и формовочных песчано-глинистых смесей;
разработать составы разделительных покрытий и формовочных песчано-глинистых смесей с низким пределом адгезионной прочности к поверхности модельной оснастки, отвечающих требованиям изготовления качественных литейных форм;
провести промышленные испытания разработанных составов формовочной смеси и разделительного покрытия.
Объект исследования: формовочная смесь и ее компоненты, материалы модельно-технологической оснастки, чугунные отливки.
Предметом исследования является технологичность формовочных смесей и разделительных покрытий и их взаимодействие с модельно-технологической оснасткой в процессе формообразования.
Научная новизна:
Научная новизна состоит в выявлении особенностей и закономерностей протекания процесса взаимодействия компонентов формовочной смеси с поверхностью модельно-технологической оснастки при формообразовании литейных форм и разработке мер по снижению адгезионного взаимодействия путем применения ресурсосберегающих разделительных покрытий, обладающих низким поверхностным натяжением и формовочных смесей:
- впервые получены условия неприлипания сырых песчано-глинистых
формовочных смесей к материалу модельно-технологической оснастки, завися
щие от отношения толщины пленки к диаметру зерна огнеупорного наполнителя
(—) и от вида его укладки; с увеличением степени укладки до координационного
числа К=12 увеличивается область неприлипания формовочной песчано-глинистой смеси. С помощью теоретической модели установлены рецептуры смесей с минимальной способностью к прилипанию;
установлено, что работы адгезии 5-ти и 10-ти % водноглинистых сус-пензий к стальной подложке (сталь 25Л) составляют 106,36... 110,48 мДж/м , к сплавам на основе алюминия (АЛ9) 91,32...96,28 мДж/м2 и меди (Бр05Ц5С5) 86,15... 92,81 мДж/м , и говорит о большей склонности стальной оснастки к прилипанию; при этом уточнено, что с увеличением шероховатости поверхности стальной модели с Ra 0,011 мкм, до Ra 11,5 мкм возрастает работа адгезии гли-нистой суспензии с 97,73 до 114,12 мДж/м ;
установлено, что при возрастании гранулометрического состава песча-но-глинистой формовочной смеси (с 0,16 до 0,99 мм) увеличивается предел прочности на сжатие во влажном состоянии (с 0,074 до 0,113 МПа) и снижается
предел адгезионной прочности к материалам моделей: сталь 25Л - с 0,011 МПа до 0,006 МПа; алюминиевый сплав АЛ9 - с 0,009 МПа до 0,006 МПа; бронза Бр05Ц5С5 - с 0,008 МПа до 0,005 МПа;
- выявлено и установлено влияние ресурсосберегающей органоминераль-ной добавки, кека - отхода нефтеперерабатывающего завода, на физико-механические и технологические свойства формовочных песчано-глинистых смесей; при этом повышается предел прочности смеси на сжатие во влажном состоянии до 0,1 МПа, текучесть по пробе Орлова - до 67%, предел адгезионной прочности к стальной модели снижается до 0,005 МПа, что улучшает отпечаток литейной формы и влияет на повышение качества чугунного литья.
Практическая значимость работы. Определены параметры формовочных песчано-глинистых смесей, влияющие на прилипаемость к модельной оснастке.
Предложена оригинальная методика для оценки физико-химического взаимодействия компонентов формовочных смесей с материалом модельной оснастки и предела адгезионной прочности контактной пары «формовочная смесь-модель», с помощью которой получены экспериментальные зависимости, подобраны составы разделительных покрытий и формовочных смесей.
Разработанные составы разделительного покрытия и формовочной песча-но-глинистой смеси прошли промышленные испытания на заводах ФГУП ПО «Баррикады» и ОАО «ВолгоградНефтемаш». Ожидаемый экономический эффект от внедрения может составить 889 тыс. рублей в год; возможные источники эффекта: замена материалов технологических добавок формовочных смесей, разделительного покрытия; снижение затрат на очистку отливок, повышение качества литья.
Экологический эффект заключается в применении отхода производства -кека в составах формовочных смесей, что сократит площади его захоронения, а также сократит газовыделения смеси по сравнению с аналогичными смесями, в состав которых входят целевые материалы.
Достоверность результатов обеспечивалась использованием высокоточного сертифицированного оборудования и средств измерения и подтвердилась положительными результатами производственных испытаний разработанных составов формовочных смесей и разделительных покрытий. В экспериментальных исследованиях свойств смесей использовались стандартные и оригинальные методики контроля формовочных смесей, а также лабораторное оборудование фирмы WAD АР (Польша), Микро-Фурье реометр MFR-2100.
Личный вклад автора состоит:
в постановке задач исследования;
в определении условий отсутствия прилипания формовочных смесей к модельно-технологической оснастке на основе дополнений теории прочности формовочной смеси Лясса A.M.;
в создании комплексной методики, оценивающей взаимодействие формовочных смесей с материалом модельно-технологической оснастки;
в проведении экспериментов по определению свойств формовочных смесей и разделительных покрытий, обработке и анализе полученных результатов;
в организации промышленных испытаний в производственных условиях
На защиту выносятся:
теоретическая модель, позволяющая оценивать взаимодействие
формовочных смесей с модельно-технологической оснасткой и определять их
рецептуры;
основные факторы, влияющие на прилипаемость наиболее применяемых в серийном производстве формовочных песчано-глинистых смесей к материалам модельно-технологической оснастки;
уточнение методики комплексной оценки взаимодействия компонентов и составов формовочных смесей с поверхностью модельно-технологической оснастки;
новые составы формовочных смесей и разделительных покрытий для чугунолитейных цехов с серийным и массовым характером производства, прошедшие промышленное апробирование.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены на VI и VIII Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород (2007 г., 2009г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин (2008 г.); на Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение - 2009», г. Москва (2009 г.); на X, XI, XII, XIII, XIV региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград (2005-2009 г.); на ежегодных научно-практических конференциях в Волгоградском государственном техническом университете (2005-2009 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ. Из них 3 статьи в изданиях по перечню ВАК, 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений. Общий объем работы - 201 страница машинописного текста, 59 рисунков, 25 таблиц, 73 формулы, 143 наименование списка литературы. В приложении представлены документы, подтверждающия промышленные испытания полученных результатов исследований.
Влияние процессов смешивания, уплотнения и прочности смеси на возникновение прилипаемости
Формовочная смесь состоит из огнеупорной основы-наполнителя и связующего материала. Теория прочности формовочных смесей впервые была исследована и опубликована Ляссом А. М. По этой теории процесс связывания отдельных частиц зерен наполнителя формовочной смеси рассматривается как процесс склеивания, где адгезивами-клеями являются связующие материалы [V].
В данной работе рассматриваются песчано-глинистые смеси, применяемые для получения разовых литейных форм, прочность которых необходиморассматривать с точки зрения изучения взаимодействий между связующим и наполнителем, основываясь, прежде всего, на исследовании адгезии и когезии связующих материалов. Преобладание адгезионных сил связующего к поверхности огнеупорного наполнителя над когезионными силами может приводить к прилипаемости после уплотнения в процессе протяжки.
Чтобы снизить возможность отрыва частиц компонентов смеси необходимо, кроме применения вспомогательных материалов, разделительных покрытий, припылов, уделять внимание рецептурам формовочных смесей, смесепри-готовлению, распределению связующего по поверхности зерен смеси и её уплотнению.
Формовочная песчано-глинистая смесь должна обладать достаточной прочностью после уплотнения, необходимой для обеспечения операций протяжки, сборки и транспортировки. Технологические свойства формовочных (стержневых) смесей зависят от равномерности распределения воды, глины, связующих материалов, специальных добавок по объему смеси, а так же от того, насколько равномерно покрыты зерна песка оболочкой связующего [22].
Процесс смешивания формовочных материалов условно можно разделить на два этапа: 1) смешивание сухих составляющих формовочной (стержневой) смеси — «сухое перемешивание»; 2) обволакивание зерен песка глинистой суспензией или связующим - «мокрое перемешивание» [22].
Некоторые авторы считают, что порядок введения в смешивающие бегуны компонентов смеси должен иметь определенную последовательность [23]. Так, для придания песчано-глинистым смесям большей сырой прочности Баландин Г.Ф. и Васильев В.А. предлагают сначала загружать в бегуны отмеренное количество кварцевого песка, затем вводить воду и, в конечном итоге, глину. Это необходимо для создания на поверхности частицы двойного электрического слоя и более интенсивного физико-химического взаимодействия, протекающего на границе: кварц-глинистая суспензия [23].
Процесс обволакивания песчинок глиной при смешивании представляет собой сложный комплекс физико-химических явлений. Поверхность зерен
В.А. Закутаев 23 Кандидатская диссертация кварца состоит из слоя растворимого кремнезема (Si02)B р, находящегося на различных стадиях аморфности, толщина этого слоя составляет около 0,03 мкм. При смешивании песка с водой часть кремнезема (SiC B Р растворяется, образуя гель. Элементарные объемы воды, окружающие слабополяризующиеся ионы Si4+ в поверхностном слое зерна кварца, теряют свою подвижность в результате структурных изменений. Ионы Si4+ связывают шесть ионов ОН" (рисунок 1.4), такая вода называется жесткой и неподвижной [22]. Повышение растворимости зерен кварца должно приводить к увеличению сил механической и химической адгезии [24].
Если Si4+, находящийся в оболочке вокруг одной песчинки, притягивает ион ОН", находящийся в соседнем слое зерен песка, они несут отрицательный электрический заряд. Частицы бентонита несут положительный заряд, а поверхность кварцевых зерен, несущих отрицательный заряд, покрыта водой.
Прочность песчано-глинистой смеси во влажном состоянии обусловлена физическими и физико-химическими силами взаимодействия материала зерновой основы, глины и воды [24]. Водородные связи между атомами водорода и атомами электроотрицательных элементов являются основными, однако, в формировании прочности принимают участие также силы поверхностного натяжения воды, капиллярные силы и силы межмолекулярного взаимодействия.
Гуляев Б.Б., Корнюшкин О.А., Кузин А.В. [25] в своей работе, основанной- на анализе существующих теорий и гипотез, приводят классификацию основных типов связующих добавок, которые образуют, прочность в формовочных смесях. Данная классификация (рисунок 1.5) ценна тем, что наглядно показывает разнообразие применяемых связующих материалов, а также описывает механизм образования прочности и область применения данных смесей.
Из классификации, приведенной на рисунке 5, видно, что возникновение прочности песчано-глинистых смесей обусловлено адгезией глинистой пленки к поверхности кварца. При этом глинистые оболочки деформируются, образуя к поверхности кварца. При этом глинистые оболочки деформируются, образуя контактные связи - манжеты между зернами песка. Прочность такого монолита невелика, но достаточна для применения его в качестве элементов формы [25]. Следовательно, для повышения прочностных характеристик смеси и соответственно снижения возможности прилипаемости к оснастке необходимо в её состав вводить технологические добавки, придающие смесям лучшие механические, противопригарные, гидравлические, а также технологические свойства. Данные материалы должны иметь в составе минеральной части преимущественно алюмосиликаты, интенсифицирующие процесс гелеобразования, а также должны увеличивать поверхность контакта между кварцевыми зернами за счет своей дисперсности.
Процесс уплотнения песчано-глинистых и других формовочных смесей также влияют на прилипаемость к модельной оснастке. Существует мнение [21], что с уменьшением степени уплотнения формовочной смеси извлекае-мость модели из формы улучшается и прилипаемость несколько снижается. Так, очень плохо извлекаются модели, которые протягиваются из песчано-глинистых форм, уплотненных под высоким давлением прессования [21], что можно объяснить эффектом «заклинивания» моделей ввиду деформации смеси.
С увеличением степени уплотнения возрастают и силы адгезии, следовательно, повышается прилипаемость смеси к модельно-технологической оснастке. Таким образом, для проверки данного тезиса необходимо определить условия возникновения прилипаемости, учитывая степень уплотнения и пределы прочности адгезионных соединений внутри смеси и на границе с поверхностью модельно-технологической оснастки.
Определение прилипаемости формовочной смеси к модельно-технологической оснастке
В начале эксперимента выбирается испытательный цилиндр d 50 мм, изготовленный из исследуемого модельного материала и имеющий заданную шероховатость внутренней рабочей поверхности. В зависимости от задачи исследований на эту поверхность наносится исследуемое разделительное покрытие, либо проводятся испытания без покрытия. Цилиндры с различной шероховатостью поверхности собираются со стандартным поддоном. В собранную оснастку засыпается исследуемая проба 170-180 г формовочной смеси. Наполненный цилиндр уплотняется тремя ударами копра, формируя стандартный цилиндрический образец из смеси. Испытательный цилиндр извлекается с рабочей поверхности копра и переворачивается на 180, далее производится аккуратный съем поддона. Готовый к испытанию образец устанавливается на траверсу противодавления 4. С помощью установки LRuTS производится перемещение траверсы нагружения 5 с закрепленным на ней пуансоном 1 до соприкосновения с поверхностью образца, находящегося в испытательной гильзе. Далее производится испытание, при котором траверса нагружения 5 медленно воздействует на образец 2 с помощью пуансона, а индуктивный датчик регистрирует усилие, предаваемое ему траверсой противодавления 4 и штоков 6. Полученные изменения индуктивности регистратор преобразует в предельную нагрузку, т.е. в силу, требуемую для преодоления адгезионного контакта (формовочная смесь - материал модели). Отношение данной силы к площади контакта характеризует предел прочности адгезионного контакта.
Когезионная прочность исследуемых смесей оценивалась пределом прочности на разрыв стандартного цилиндрического образца во влажном состоянии. Для этого использовалась приставка к универсальному аппарату типа LRu для исследования прочностных свойств формовочных и стержневых масс [89]. Данное устройство работает по принципу рычага первого рода. Оборот рычага вокруг точки под влиянием силы, созданной плечом 3 универсального аппарата, ведет к растягиванию цилиндрической пробы, заформованной в разрезной втулке [90]. Верхняя втулка имеет две цапфы в линдрические призмы, определяющие ее положение в ярме 6. На втором конце рычага 1 подвешен противовес 7. Кронштейн 8 рычага и ярмо прикреплены к основанию 9. В основание вдавлены два штифта 10 с отверстиями, предназначенными для закладки клиньев 11. Нажим на рычаг устройства происходит через конус 12, закладываемый в плечо универсального аппарата. Между рычагом и основанием прикреплен амортизатор 13, заполненный амортизаторным маслом (рисунок 2.8).
Определение прочности на разрыв во влажном состоянии ведется на стандартных образцах, выполненных из исследуемых смесей d=50 мм и h=50. Предел измерений от 0 до 0,033 МПа.
Данная методика позволяет оценивать предел когезионной прочности формовочных смесей во влажном состоянии, при этом возможно зарегистрировать изменение данной характеристики в зависимости от составов и свойств, применяемых формовочных материалов и смесей. Кандидатская диссертация физико-механические, гидравлические и технологические свойства формовочных смесей и связующих материалов определялись по стандартным методикам. В работе использовались следующие стандартные методы исследования формовочных смесей: 1) предел прочности на сжатие во влажном состоянии [106, 107, 108]; 2) предел прочности на разрыв во влажном состоянии [84, 85, 103, 107]; 3) газопроницаемость формовочных смесей [35, 106, 107];. 4) текучесть смесей по ступенчатой пробе Орлова [35, 108, 109]; 5) ускоренный метод определения влажности [35, 109, ПО]; 6) гранулометрический состав формовочных песков [35, 109, 111]; 7) метод определения плотности жидких связующих с помощью ареометра [38]; 8) условная вязкость по вискозиметру ВЗ-4 [38]. Данная комплексная методика, состоящая из вышеперечисленных методов исследования, заключается в определении способности материалов формовочной смеси и модельной оснастки к взаимодействию, сил прилипания к вертикальным поверхностям моделей и когезионной прочности. При этом в качестве моделей использовались «штыри» и «гильзы», выполненные из разных материалов и обработанных с различной шероховатостью поверхности. Комплексная методика позволяет исследовать взаимодействие компонентов формовочных смесей с материалом оснастки, количественно определить предел адгезионной прочности смеси к модели, а также определить изменение этих параметров при применении разделительных покрытий и различных составов смесей. Для исследования размеров частиц кека был проведен седиментационный анализ минеральной части, т.е. исходного порошка -фильтра-перлита, с использованием торсионных весов, (рисунок 2.9) [81, 82]. Метод седиментации позволяет измерять изменения массы чашечки, опущенной в водную суспензию фильтра-перлита с водой Первые отсчеты делают через 15 секунд от начала опыта, затем интервал времени увеличивают до 1, 3, 5 минут. Далее производятся расчеты. По данным анализа определяли удельную поверхность (поверхность 1 ед. объема или массы), наиболее вероятный размер и число частиц [81].
Приближенный расчет предела прочности сырых песчаных смесей, учитывающий действие сил когезии
Для более углубленного исследования технологической добавки, вводимой в формовочную смесь, органическую часть присадки подвергли хромато-масс-спектрометрии. Этот метод позволяет анализировать сложные смеси органических соединений различного происхождения [93]. Органоминеральная, технологическая добавка - кек (отход производства присадки к моторным маслам) подвергался экстракции эталонным изооктаном с одновременным нагреванием, а после охлаждения и фильтрования раствор подвергался хромато-масс-спектральному анализу. Хроматограмма экстракта кека и масс-спектры углеводородов органической части кека необходимы для установления качественного и количественного углеводородного состава. Качественный состав кека определяли по величинам молекулярных масс компонентов, каждому из которых соответствует определенный пик на хроматограмме. Количество компонента в кеке определяли по площади соответствующего пика.
Исследования проводили на приборе «Varian МАТ-111» при ионизирующем напряжении 70 В и токе эмиссии катода 240 мкА. Для регистрации суммарного масс-спектра использовали систему прямого ввода, то есть непосредственный ввод образца в ионизационную камеру. Нагрев осуществляли до 80 С.
Для оценки поведения технологической добавки, применяемой в составах песчано-глинистых смесей при нагревании, были проведены термогравиметрические исследования на дериватографе марки Паулик-Паулик-Эрдей.
Термоаналитические методы служат для исследования химических реакций и физических превращений, происходящих под влиянием тепла в химических соединениях, или в случае многокомпонентных систем между отдельными соединениями. Термогравиметрический анализ использовали в сочетании с дифференциально-термическим анализом. Одновременная сопряженная по температуре автоматическая регистрация кривой изменения массы (ТГ) и дифференциальной кривой нагревания (ДТА) обеспечивала в одном эксперименте идентичность условий опыта и позволяла более качественно расшифровывать термические эффекты, происходящие в исследуемом веществе.
Исследования изучаемых материалов проводили при нагревании на дериватографе системы Ф. Паулик, И. Паулик и Л. Эрдей. В ходе проведения эксперимента температуру повышали со скоростью 10 7мин до 650С. Масса навески изучаемого материала составляла - 200 мг. Чувствительность термовесов составляет - 2 мг.
Действие профилометра-профилографа основано на ощупывании неровностей измеряемой поверхности алмазной иглой с радиусом кривизны щупа 10 мкм и преобразовании его колебаний пропорционально в колебания электрического напряжения, последние из которых обрабатываются в отсчетном устройстве, или персональном компьютере по специальной программе. Результат обработки выводится в цифровом виде на индикатор отсчетного устройства или в цифровом, или графическом виде на экран монитора. Данный прибор имеет сертификат RU.C.27.004.A №8213 и свидетельство о поверке №Г-07-06177. 1. Приведенные данные анализа показывают, что способы и методы оценки прилипаемости дают либо качественный анализ [5, 102, 105], либо определяют взаимодействие модельного материала с формовочной смесью через коэффициенты внешнего трения [19]. 2.Выбраны методы исследования физико-механических и технологических свойств разовых разделительных покрытий и технологических добавок для песчано-глинистых смесей. 3. Модернизирована установка для определения физико-химического взаимодействия формовочной смеси с поверхностью материала модели методом лежащей капли. 4. Разработана комплексная методика и изготовлена оснастка для исследования прилипаемости, совокупно оценивающая физико-химические факторы возникновения адгезии, предел прочности адгезионного контакта с вертикальными стенками при протяжке модели из полуформы и когезионную прочность формовочных смесей наряду с её стандартными характеристиками. В своих работах авторы (Лясс A.M., Баландин Г.Ф., Васильев В.А.) принимают формовочную смесь как механическую смесь наполнителя, скрепленного между собой жидкими или твердыми связующими [7, 14, 23, 96]. Образование прочности в формовочных смесях по теории Лясса A.M. происходит в результате действия сил адгезии и когезии связующих материалов с огнеупорным наполнителем. В нашем случае формовочная смесь является, как указывалось в главе 1, дисперсной системой, в которой первостепенное значение приобретает общая величина поверхности частиц - зерен наполнителя [14].
В соответствии с этими представлениями Лясс A.M. разработал модель, которая рассматривала взаимодействие связующих материалов и кварцевых зерен формовочной смеси как клеев со склеиваемыми материалами. Также были приняты допущения, в которых: преодоление сил когезии происходит путем разрушения пленки связующего по наименьшему сечению; преодоление сил адгезии происходит по поверхности зерен песка, все частицы смеси шарообразной формы с идеально гладкой поверхностью и одинаковыми размерами [96].
Данная теоретическая модель предусматривает разрушение склеенной массы либо путем преодоления сил когезии (рисунок 3.1, а), либо путем преодоления сил адгезии и когезии (рисунок 3.1, б). Случай разрушения склеенной массы вследствие разрыва самого зерна наполнителя является маловероятным и его не рассматривали.
При различной степени уплотнения, меняющегося в зависимости от выбранного способа формообразования, частицы смеси могут занимать различное положение друг относительно друга. Для расчета предела прочности на растяжение формовочных смесей Лясс A.M. предложил учитывать систему укладки зерен наполнителя при двух крайних случаях: 1) кубическая укладка — «рыхлая», обладающая минимальной прочностью, смесь будет соответствовать координационному числу К=6 (рисунок 3.1 а, б): 2) плотная - пирамидальная укладка соответствует координационному числу К=12 (рисунок 3.1 в).
В данной работе за основу был положен известный расчет предела прочности смесей, выполненный выше указанными авторами, однако, отличие предлагаемого подхода от известного заключается в применении расчета не для смесей, прошедших сушку и отверждение, а для сырых формовочных смесей, в частности, песчано-глинистых.
Влияние зернового состава песчано-глинистой смеси на величину предела адгезионной прочности к модельно-технологической оснастке
Далее провели исследования, представленные на рисунке 4.8 (позиция 2) при применении кварцевого формовочного песка с фракционным составом (0,2-0,314 мм). Оценивая взаимодействие стальной модельной оснастки со смесью, можно сделать следующие выводы: как и в случае с песком (0,16-0,19 мм) наибольший предел прочности присущ стальной модели 0,1048 105 Па. Меньшие значения показывают алюминиевая и медная оснастки 0,098 и 0,078 105 Па соответственно.
При неизменных условиях соотношения компонентов формовочной песчано-глинистой смеси в следующем эксперименте применили огнеупорный наполнитель с фракцией (0,315-0,399 мм). Экспериментальные данные, представленные в таблице 4.3 и на рисунке 4.8 позиция 1, показали, что предел адгезионной прочности контактного взаимодействия пары - стальная модель - формовочная смесь оставляет 0,087 105 Па, т.е. больше, чем при применении алюминиевой и медной оснасток. Более низкие значения предела прочности адгезионного контакта для всех типов модельных материалов объясняются более высоким пределом прочности на сжатие в сыром состоянии формовочной смеси.
Далее в исследовании в качестве основного компонента формовочной смеси использовали кварцевый песок фракции (0,4-0,62 мм). При этом, как уже выше отмечалось, для чистоты эксперимента огнеупорный наполнитель содержал зёрна размером только в интервале значений (0,4-0,62 мм). В таблице 4.3 и на рисунке 4.8. представлены данные по физико-механическим и технологическим свойствам песчано-глинистых смесей. Из приведенных данных следует, что смесь обладает весьма высокими показателями по пределу прочности на сжатие во влажном состоянии 0,09 МПа и газопроницаемости 295 ед. Для стальной модели предел адгезионной прочности составляет 0,0868 105 Па, при использовании алюминиевой оснастки снижается до уровня 0,068 105 Па, медной - 0,06 105 Па, соответственно.
Аналогично исследовали свойства смесей с величиной зерен огнеупорного наполнителя (0,63-0,99 мм), хотя пески с таким фракционным составом в реальных формовочных смесях практически не используются. Исходя из приведенных в таблице 4.3 данных, можно сделать следующие выводы, что формовочная песчано-глинистая смесь этой фракции огнеупорного наполнителя отличается повышенной газопроницаемостью, наряду с высокими прочностными показателями и когезионной прочностью (пределом прочности на разрыв во влажном состоянии). Текучесть, замеряемая по ступенчатой пробе Орлова, по методике, представленной в главе 2, обладает низкими значениями, что объясняется высокой прочностью смеси и крупным размером зерен кварцевого песка.
Максимальным значением предела адгезионной прочности для смесей с фракционным составом (0,63-0,99 лш), 0,0673 105 Па обладает контактная пара стальная модель - формовочная смесь. При применении алюминиевой оснастки данное взаимодействие при страгивании модели снижается и составляет 0,055 105 Па, а для медной оснастки предел адгезионной прочности контакта составил 0,047 105 Па.
Анализируя полученные в ходе экспериментов данные, можно сделать выводы, что увеличение фракционного состава огнеупорного наполнителя формовочной смеси ведет к снижению прилипаемости вследствие сокращения удельной поверхности огнеупорного наполнителя и площади контакта с оснасткой, а также ростом прочности смеси [122]. Материал модельной оснастки влияет на величину взаимодействия с формовочной смесью и является максимальным на всех составах формовочных смесей при использовании стальной модельно-технологической оснастки в качестве субстрата, ввиду большей работы адгезии глинистой пленки к поверхности модели. Применение оснастки из алюминиевых и медных сплавов снижает адгезию смеси вследствие более низких значении адгезии глинистой пленки к материалу моделей.
В выше приведенных исследованиях установлено, что сталь, как модельный материал, отличается более высокой склонностью к адгезии глинистой пленки связующего песчано-глинистой смеси, так и большим пределом адгезионной прочности при протяжке образца модели из уплотненной смеси. Необходимо также отметить, что наибольшее распространение в цехах с массовым и крупносерийным характерами производств получили модели, изготовленные из стали т.к. сталь более доступна и имеет высокие физико-механические характеристики [35, 124]. Вследствие этого для исследования величины предела адгезионной прочности между материалом модели с различной шероховатостью поверхности и формовочной смесью, была использована модельная оснастка, выполненная из стали 25Л ГОСТ 977-88.
Исследования проводили по методу выталкивания стандартного цилиндрического образца из специальной гильзы по методике, представленной в главе 2. Величина предела адгезионной прочности формовочных смесей, полученных по рецептурам в соответствии с таблицей 4.3, исследовалась на приборе LRuTS с применением стальных цилиндров диаметром 50 миллиметров с различной шероховатостью поверхности (a) Ra 1,25 мкм; б) Ra 6,3 мкм; в) Ra 9 мкм). Были взяты 3 смеси из таблицы 8 со следующим гранулометрическим составом огнеупорного наполнителя (0,16-0,19, 0,2-0,314, 0,315-0,399 мм). В ходе проведения эксперимента получены следующие данные, которые представлены в таблице 4.4 и на рисунке 4.9.
