Введение к работе
Актуальность проблемы. Введение рыночных отношений и необходимость интеграции отечественной промышленности в мировую обуславливают переход от экстенсивного к интенсивному методу хозяйствования.
Однако традиционная технология литейного производ
ства требует большие топливно-энергетические затраты и
почти удвоенный расход металла, сопровождается очень
высокими безвозвратными потерями и отходами, а также
существенным загрязнением окружающей среды. Но наи
более уязвимым местом литейного производства является
низкое качество продукции - высокий брак тонкостенных
отливок, достигающий 10 20 %, и во многих случаях вы
пуск морально устаревшей тяжеловесной (в 2,23 раза
большей, чем в США) продукции с низкими эксплуатаци
онными характеристиками (бв. ср. = 260 МПа).
Возникла настоятельная необходимость совершенствования существующих и создания новых прогрессивных технологий и организации производства отливок. Одной из ключевых проблем литейного производства является технология литейной формы, что и определяет актуальность диссертационной работы.
Цель и основные задачи. Целью диссертационной работы является улучшение качества отливок и повышение эффективности литейных процессов путем разработки и технологического использования высокопрочных литейных стержней и форм.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
обобщение информации и развитие теории формовочных смесей и литейных форм и обоснование возможности использования эпоксидно-диановых смол в качестве литейного связующего;
исследование кинетики, механизма и условий твердения песчаных смесей с эпоксидными смолами;
разработка и исследование связующих композиций на основе эпоксидных смол;
разработка и исследование физико-химических методов повышения удельной прочности песчано-смоляных смесей;
оптимизация составов и свойств и разработка технологий приготовления высокопрочных стержневых и формовочных смесей на основе эпоксидных смол для условий производства отливок из чугуна, стали и сплавов цветных металлов;
экспериментальные исследования воздействия формы на литейные процессы и свойства металлов и сплавов в отливках.
Научная новизна выносимых на защиту исследований и разработок Сформулирована концепция оценки качества и разработана научная классификация формовочных и стержневых смесей по величине удельной прочности, устанавливающая общие закономерности изменения свойств и применения формовочных и стержневых смесей, и позволяющая разрабатывать направления совершенствования и прогнозировать принципы создания высококачественных формовочных и стержневых смесей.
Графоаналитическим методом построено поле механических напряжений в литейной форме в процессе заливки расплавом, позволяющее рассчитывать технологически необходимую прочность литейной формы и сформулировать научные основы выбора формовочных смесей.
Предложена методика оценки связующей способности синтетических смол, используемых в качестве литейных связующих, по величине плотности энергии когезии (ПЭК). Показана возможность использования эпоксидно-диановых смол в качестве литехЧ-ного связующего.
Установлены кинетические закономерности твердения и разработаны аналитические модели формирования технологических и прочностных свойств стержневых и формовочных смесей на основе эпоксидных смол. Разработаны составы связующих композиций на основе эпоксидных смол и предложен новый отвердитель для эпоксидных полимеров на основе металлофосфатного раствора (МФР).
Вскрыты явления влияния малых активированных добавок (Буд. = 180...520 м2 / кг) и внешнего давления (3...5 МПа) на процесс отверждения смол и упрочнения песчано-смоляных стержневых и формовочных смесей. Получены аналитические зависимости, связывающие влияние значения удельной поверхности и количества добавки на прочностные свойства песчано-смоляных смесей.
Развиты теоретические представления о механизме и получены аналитические модели упрочнения песчано-смоляных смесей за счет активации кварцевых песков раствором ортофосфорной кислоты.
Уточнены закономерности воздействия литейных форм с повышенной тепловой активностью (Ьф = (1...15) »103 Вт с"2 / (м2 К) на жидкотекучесть и формозаполняёмость, кинетику охлаждения и усадки, отбел, литейные напряжения и деформации, структуру и физико-механические свойства металлов и сплавов в отливках. Новизна и приоритет технологических разработок, составляющих основу диссертационной работы, подтверждены 13 авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическая значимость работы. Разработаны высокопрочные стержневые и формовочные смеси на основе эпоксидно-диановых смол, характеризующиеся высокой удельной прочностью ( буд. > 3 МПа /1%), текучестью и пластичностью (Rw й 0,08 »105 Па), газопроницаемостью (К > 300 усл.ед.), минимальным газовыделением ( 7 см3/г»мин), отсутствием осыпаемости (Ос=0) и выделений фенола и формальдегида, негигроскопичностью, хорошей выбиваемостью и регенерируемостью (а. с. №1215826 и 1685030). В качестве огнеупорной основы смесей использовались формовочные кварцевые, цирконовые и металлические пески, чугунная и стальная дробь и углеродистые формовочные материалы (Ьф = (1... 15) К>10зВт«с"2/(м2»К).
Определены оптимальные режимы упрочнения стержневых и формовочных смесей на основе эпоксидных смол механической, гидромеханической и химико-термической (а.с. №1352741 ) активацией формовочных песков и отработанных формовочных смесей, введением в смесь твердых мелкодисперсных добавок (а. с. №1178528 и №1317764) и воздействием внешнего давления (3...5 МПа) на процесс отверждения смесей (а.с. №1108653), обеспечивающие сокращение расхода связующего в 1.3...2.2 раза.
Разработан алгоритм оптимизации состава и свойств высокопрочных стержневых и формовочных смесей.
Разработаны простые и более чувствительные приборы измерения адгезионной прочности смоляных литейных связующих и текучести вязкопластичных песчано-смоляных стержневых и формовочных смесей и технологические пробы на жидкотекучесть, отбел, усадку и литейные напряжения металлов и сплавов.
Отработаны промышленные технологии приготовления высокопрочных стержневых и формовочных смесей на основе эпоксидных смол и изготовления литейных стержней и форм с минимальным содержанием связующего (1,3...1,7%) в условиях единичного, мелкосерийного и массового производства отливок из чугуна, стали и сплавов цветных металлов, обеспечивающих высокую геометрическую точность, качество и эксплуатационную надежность: коэффициент точности по массе составляет 0.8...0.9; размерная точность соответствует 3...8 классам, а шероховатость поверхности -3...9 степеням точности (ГОСТ 26645-85).
Реализация работы. Результаты работы реализованы внедрением песчано-смоляных смесей холодного и горячего отверждения на эпоксидных литейных связующих для изготовления стержней (бр < 3.6 МПа) раструбной части водонапорных центробежно-литых труб диаметром от 100 до500 мм и длиной до 6 м из серого чугуна и ВЧШГ и литейных стержней (бР< 4,2 МПа) чугунных станочных отливок массой до 12 т и апробацией для изготовления фасонного литья из серого чугуна и сплавов цветных металлов, тракторных чугунных и стальных отливок массой 12...200 кг; стальных отливок массой до 16т и массой до 6 т из высоколегированной стали 110ПЗЛ. Общий экономический эффект от внедрения составил 945.7117 млн. рублей в год (в ценах по состоянию на апрель 1995г.)
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на всесоюзном семинаре "Современные методы изготовления литейных форм и стержней" (Москва, 1982), научно-техническом совещании "Состояние и перспективы получения отливок на основе ресурсосберегающих формовочных смесей ( Липецк, 1983), 11 Всесоюзном научно-техническом съезде литейщиков (Ленинград, 1983), Республиканской научно- технической конференции "Пути интенсификации технического перевооружения литейного производства и задачи повышения качества и снижения металлоемкости" (Ташкент. 1984), Республиканской научно-технической конференции "Совершенствование процессов литья и их интенсификация" (Кишинев, 1984), Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение качества фасонных отливок и экономия металла при их производстве" (Москва, 1984), Межреспубликанской научно-практической конференции "Феррифосфатные ХТС и технология получения на их основе высококачественных отливок" (Липецк, 1987), отраслевом семинаре "Технология и оборудование для получения высококачественных тонкостенных отливок из цветных сплавов для изделий гражданской продукции и товаров народного потребления" (Москва, 1990), семинаре "Современные направления повышения качества литых заготовок при литье в песчаные формы (Москва, 1990), научно-технической конференции "Развитие методов и процессов образования литейных форм и отливок (Комсомольск-на-Амуре, 1991), научно-технической конференции "Оптимизация технологических процессов и управление качеством при производстве фасонных отливок " (Ярославль, 1993), международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизации и технологии в машиностроении" (Рубцовск, 1994),заседаниях кафедр Литейного производства Липецкого государственного технического университета (Липецк, 1988, 1997), Уральского государственного технического университета (Екатеринбург, 1994) и технологии литейных процессов Московского государственного института (технологического университета) стали и сплавов (Москва, 1996), научном семинаре НПО ЦНИИТМАШ (Москва, 1996) и расширенном научном семинаре Липецкого государственного технического университета (Липецк, 1997).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 32 статьях и 13 авторских свидетельствах на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений и библиографического списка из 225 наименований, изложена на 322 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 58 таблиц.