Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1 Область применения жидкостекольных смесей 6
1.2 Определение выбиваемости жидкостекольных смесей 9
1.3 Изменение работы выбивки смеси в зависимости от температуры нагрева 13
1.4 Зависимость выбиваемости жидкостекольных смесей от различных факторов:
1.4.1 Влияние неорганических добавок на выбиваемость 24
1.4.2 Влияние органических добавок на выбиваемость 31
1.4.3 Влияние «хрупкой» усадки на выбиваемость 39
1.4.4 Влияние ускоренного охлаждения на выбиваемость 40
1.4.5 Влияние количественного ввода жидкого стекла на выбиваемость. 41
1.5 Выводы 42
ГЛАВА 2. Методики проведения эксперимента 43
2.1 Постановка экспериментов и объекты исследований 43
2.1.1 Математические методы исследований 44
2.1.2 Физико-механические методы исследований 46
2.2 Исходные материалы для изготовления стержневой смеси 48
2.3 Выбор органических добавок для улучшения выбиваемости жидкостеколных смесей 49
2.3.1 Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы 56
2.3.2 Поливиниловый спирт 59
2.4 Обоснование применения дисперсного армирования и двухстадийной обработки жидкостекольной смеси 62
2.5 Выводы 67
ГЛАВА 3. Исследование влияния параметров сушки и реологических свойств органических добавок на прочностные свойства стержневой смеси 68
3.1 Исследование прочностных свойств стержневых смесей с добавкой натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы 68
3.2 Исследование прочностных свойств стержневых смесей с добавкой поливинилового спирта 80
3.3 Выводы 87
ГЛАВА 4 Исследование влияния ввода органических добавок на физико-механические и технологические свойства ЖСС 89
4.1 Исследование влияния ввода в ЖСС добавки Н-КМЦ, ПВС на физико-механические и технологические свойства ЖСС 92
4.2 Исследование влияния дисперсного армирования смеси, приготовленной по двухстадийной технологии, микроволокном РМ на физико-механические и технологические свойства ЖСС 117
4.3 Выводы 130
ГЛАВА 5 Опытно-промышленная отработка и исследование получения дисперсно-армированных стержней изготовленных по двухстадийной технологии и отливок, получаемых с их использованием 133
5.1 Особенности технологического процесса изготовления отливок из цветных и черных сплавов с использованием дисперсно-армированных стержней из ЖСС, приготовленной по двухстадийной технологии 133
5.2 Выводы 140
Общие выводы 142
Библиографический список
- Определение выбиваемости жидкостекольных смесей
- Физико-механические методы исследований
- Исследование прочностных свойств стержневых смесей с добавкой поливинилового спирта
- Особенности технологического процесса изготовления отливок из цветных и черных сплавов с использованием дисперсно-армированных стержней из ЖСС, приготовленной по двухстадийной технологии
Введение к работе
В общей структуре машиностроительных заводов литейное производство, зачастую, является убыточным, так как полностью зависит от ценовой политики на сырьевые материалы, топливо, электроэнергию, транспорт. Правильный выбор применяемых материалов для формовочных и стержневых смесей позволяет снижать себестоимость получаемых отливок и решает экологические проблемы литейных цехов.
Наиболее распространенным и недорогим связующим для изготовления литейных форм и стержней является жидкое стекло (ЖС). Наряду с преимуществами, жидкостекольные смеси (ЖСС) имеют плохую выбиваемость и регенерируемость /4, 78/.
Вопросами улучшения выбиваемости и регенерируемости жидкостекольных смесей посвящены многочисленные исследования ученых Ю.П. Васина, И.Е. Илларионова, З.Я. Иткиса, Д.М. Кукуя, В.А. Маркова и многих других. Известные способы приготовления легковыбиваемых ЖСС на нетоксичных связующих композициях и непосредственно сами составы этих композиций в ряде случаев малоэффективны в осуществлении, вследствие чего их применение в производстве ограничено, либо вообще отсутствует. Поэтому разработка новых составов связующих композиций и способов приготовления ЖСС на их основе определяет актуальность проблемы.
Анализ известных технологических решений по улучшению выбиваемости ЖСС показал, что наиболее эффективными являются способы, при которых либо снижают количество ЖС в смеси до 2-4 %, либо вводят в смесь различные добавки /86/.
Снижение процентного содержания ЖС до 2-4 % ведет к снижению прочностных показателей смеси, что в свою очередь ведет к браку стержней при транспортировке и установке в форму. Поэтому, в такие смеси необходимо вводить добавки и связующие композиции, которые бы наряду с улучшением выбиваемости, дополнительно способствовали бы увеличению прочности ЖСС после отверждения. С этой точки зрения наибольший интерес представляют добавки органического происхождения, наличие которых в составе ЖСС может обеспечить им достаточную прочность после отверждения.
4 Таким образом, поиск новых, недефицитных и недорогих материалов для использования их в качестве органических добавок при изготовлении стержневых ЖСС с улучшенными свойствами по выбиваемости и регенерируемости является актуальным, особенно для машиностроительных заводов Дальнего Востока, ввиду отдаленности региона от основных сырьевых баз. Это и послужило основанием для выполнения данной диссертационной работы.
Целью настоящей работы является получение легковыбиваемых стержней за счет разработки технологии изготовления дисперсно-армированных микроволокнами распушенной макулатуры (МРМ) ЖСС, и использованием в качестве активирующих добавок для наполнителя ЖСС натриевой соли карбоксиметиллцеллюлозы (Н-КМЦ) и поливинилового спирта (ПВС).
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
проведение анализа известных научных и технических решений в области производства стержневых смесей на основе ЖС с использованием различных добавок и обоснование выбора направления исследований;
- разработка технологии дисперсного армирования ЖСС, предусматривающая
введение в жидкое стекло волокнообразующего материала в виде целлюлозно-
бумажных микроволокон;
- разработка двухстадийной технологии приготовления ЖСС, предусматривающая
введение на первом этапе органических веществ, а на втором - жидкого стекла;
отработка режимов и параметров технологических процессов приготовления дисперсно-армированных ЖСС и смесей, приготавливаемых по двухстадийной технологии;
опытно-промышленные испытания жидкостекольных дисперсно- армированных смесей на плакированном (активированном) добавками Н-КМЦ и ПВС наполнителе (кварцевом песке) и смесей, приготавливаемых по двухстадийной технологии.
Научная новизна работы состоит в углублении и развитии основ технологии дисперсного армирования ЖСС и двухстадийной технологии введения органического и неорганического вяжущего в процессе производства ЖС, что конкретизируется следующим:
5 - установлены технологические особенности приготовления ЖСС, в которых реализован принцип дисперсного армирования путем введения волокнообразующего материала в виде отжатых целлюлозно-бумажных микроволокон непосредственно в жидкое стекло, что позволяет использовать для дисперсного армирования распушенную в воде макулатуру (РМ), ранее считавшуюся непригодной для этих целей;
- установлены особенности двухстадийной технологии приготовления ЖСС за счет
введения органического связующего и неорганического армированного вяжущего
(жидкого стекла) при производстве жидкостекольных смесей, базирующаяся на
применении отходов производства (макулатуры);
экспериментально установлена зависимость прочностных показателей от количества и концентрации, вводимых в ЖСС добавок, а именно ее влияние на образование первичной (ор) и остаточной прочности (о7 р);
получены уравнения регрессии для прогнозирования прочностных свойств стержневой ЖСС, представляющие собой взаимосвязь совместного влияния содержания компонентов смеси на ее прочностные показатели. Это позволяет определять возможные значения прочности стержневых ЖСС в зависимости от количества введенных в нее компонентов;
предложены расчетные номограммы для практического применения их по определению необходимого количества ввода добавок для обеспечения минимально необходимой прочности образцов после отверждения в печи или по ССЬ-процессу, а также остаточной прочности. Номограммы также позволяют определить коэффициент разупрочнения в зависимости от начальной и остаточной прочности.
Практическая значимость работы. Разработана двухстадийная технология приготовления ЖСС, предусматривающая на первом этапе активацию поверхности наполнителя органическим вяжущим материалом (Н-КМЦ или ПВС), которые дополнительно характеризуются высокой адгезией к поверхности кварца, а на втором этапе, после сушки - комбинированным органосиликатным вяжущим материалом, имеющим хорошие когезионные показатели (микроволокна РМ+ЖС). Предложенные технологии были опробованы при получении стальных, чугунных и цветных отливок в действующих литейных цехах.
Определение выбиваемости жидкостекольных смесей
В России, например, было проверено влияние множества добавок на условия выбивки стержней: древесного и каменного угля, кокса, черного и серебристого графитов, древесного пека, битума, нефтяных масел, патоки, декстрина, сульфитно-спиртовой барды, пульвербакелита, МСБ, древесной муки и опилок, глины, цемента, мела, извести, шамота, магнезита, фосфорита и т.д /20, 78,43, 64, 72 и др./.
Те же, и другие добавки (сахар, нафталин, железная окалина, патентованные добавки и пр.) проверялись в зарубежных работах.
В большинстве случаев рекомендации сводились к введению в смеси небольшого количества органических добавок /27, 164, 167, 182 и др./. В одних случаях введение этих добавок действительно было эффективным, а в других оказывалось бесполезным.
Используя результаты проведенных исследований, свойства одних и тех же добавок различные специалисты оценивают по-разному, иногда диаметрально противоположно. Как это будет показано ниже, причина столь разноречивых суждений заключается в различных условиях работы стержней в форме. Уже простой перечень применявшихся добавок, совершенно различных по своей природе и свойствам, показывает, что упомянутые выше работы проводились главным образом эмпирически/92, 151, 162/.
Некоторые исследователи исходили из представлений о необходимости вызвать разрушение прочной пленки жидкого стекла, цементирующей отдельные зерна кварцевого песка, при помощи разнообразных добавок главным образом органического происхождения.
Эти опыты не дали решения проблемы, что, конечно, не исключило возможности в отдельных случаях улучшения выбиваемости стержней из отливок. Позднее, когда исследователи и производственники убедились, что достигнуть положительных результатов по облегчению выбиваемости можно, лишь внеся ясность в сложные процессы, которые протекают в смесях с жидким стеклом при их заливке металлом, начали появляться систематические исследования по этому вопросу /78, 81,105/.
Многие специалисты оценивали выбиваемость смеси по пределу прочности при сжатии образцов, подвергнутых нагреву до высоких температур, а затем охлажденных /48, 51, 61, 78, 141, 200/. В подавляющем большинстве работ нет объяснений увеличению прочности образцов при их предварительном нагреве до одной температуры или уменьшению прочности при нагреве до другой.
В тех случаях, когда объяснения даются, они носят противоречивый характер, так как связываются с различными температурами и не подтверждаются экспериментальными данными. Л. Петржела отмечает, что смеси, продутые СО 2, легче выбиваются из отливок, чем смеси, подвергнутые тепловому высушиванию, вследствие меньшего содержания жидкого стекла и «в связи с уменьшением прочности гидрогеля под действием температуры». В докладе на 24-м конгрессе литейщиков он приводит другие соображения, указывая, что решающее значение имеет химическая реакция между продуктами разложения щелочного силиката, т. е. реакция между гидратированной кремневой кислотой и карбонатом натрия, или дальнейшая реакция образовавшегося силиката с кристаллическим кварцем: Si02pH20 + Na2C03 =Na2 Si03 +С02 + рН20. В работе /78, 81/ отмечается, что трудность выбивки определяется содержанием щелочей. Чем меньше Na20, тем легче выбивка. Минимальную прочность имеют образцы, предварительно нагретые до 600 - 700 С, а максимальную при 100 - 200 С и 800 - 900 С. Кроме того он считает, что образование стекловидной пленки является главной причиной спекания стержней и форм и ухудшения выбиваемости.
Прочность стекловидной пленки можно уменьшить путем добавления горючих порошкообразных веществ, например: каменноугольной пыли, древесных опилок, молотого кокса, графита и т. п. Добавление таких органических веществ как: сахар, канифоль, смолы и т. п. - не приносит никакой пользы /1, 78,103/.
Условиям выбиваемости стержней из отливок посвящены работы зарубежных авторов, таких как: Аттертон, Нилд и Эпштейн, Тэйлор, Бэмер, Шумахер, Герстманн, Ле Серва и Сегро и др.
Во многих английских, американских и немецких работах рекомендуется введение сахара, который растворяется в ЖС, не вызывая его коагуляции. Указывается, что он нейтрализует щелочность силиката, тем самым обеспечивая смесям с ЖС такую же выбиваемость, как песчано-масляных смесей.
Исследования других авторов приводят к противоположным выводам. Отмечается, в частности, что добавка сахара еще более затрудняет выбивку. Л. Петржела, изучив жидкое стекло с патентованными добавками, сообщил, что оно содержит чаще всего, растворенные углеводы (сахар) или синтетические смолы, которые снижают прочность после продувки СОг, что вызывает необходимость увеличения в смеси жидкого стекла и тем самым ухудшает выбиваемость стержней из отливок. Он пришел к выводу, что, так называемые, специальные связующие вещества заграничного происхождения не имеют каких-либо преимуществ перед стандартными жидкими стеклами, и их рекомендации преследуют, прежде всего, коммерческие цели.
Старр, рекомендуя введение в смеси сахара, в то же время пессимистически оценивает перспективы улучшения выбиваемости смесей с жидким стеклом, так как, по его мнению, создаются именно те условия, которые явились неразрешимой проблемой использования щелочных силикатов в литейном производстве.
Систематические исследования общих закономерностей условий выбиваемости смесей с жидким стеклом были проведены в нашей стране в ЧГУ им. И.Н. Ульянова и за рубежом во французском техническом центре литейной индустрии.
В результате исследований, проведенных И.Е. Илларионовым и Ю.П.Васиным /78, 81, 86/, было установлено, что образцы из смесей кварцевого песка с жидким стеклом имеют два максимума прочности при предварительном нагреве до 200 и до 1000 С и два минимума - в интервале 500 - 800 С и выше 1250 С.
Главная заслуга И. Е. Илларионова заключается в том, что он, на основании тщательно проведенной экспериментальной работы, опроверг существовавшее мнение и доказал, что выгорающие органические добавки не дают эффекта при нагреве стержней до высоких температур. Введение выгорающих добавок может быть полезным лишь при нагреве стержней до температур, не превышающих 600 -700 С.
Декро и Гополлон, на основании определения прочности образцов на сжатие, после их предварительного нагрева, отмечают два максимума: 1 - при 500 С и 2 -при 900 - 1000 С и, соответственно, минимальные прочности наблюдаются: 1 -при 700 С и 2 - выше 1000 С.
Физико-механические методы исследований
Для целенаправленного выбора растворимой органической добавки для улучшения выбиваемости ЖСС, необходимо из всех имеющихся на рынке материалов выбрать наиболее функциональный, недорогой и недефицитный материал, способный обеспечить необходимую прочность смеси после отверждения при содержании жидкого стекла не более 2-4 %.
Оценить функциональность добавки, возможно исходя из процесса ее структурообразования (затвердевания) / 22, 93, 158 и др./.
Так, несмотря на разнообразие химического строения, и свойств, все известные на сегодняшний день связующие материалы характеризуются преимущественно ковалептным типом связи между атомами и способностью к образованию полимерных соединений.
В исходном состоянии связующие материалы принадлежат к гомогенным или гетерогенным соединениям.
В состав гомогенных входят мономерные и олигомерные вещества, которые при планомерном превращении многократно увеличивают энергию ковалентных связей. Такие связующие материалы проявляют свое функциональное назначение только при образовании высших форм соединений с качественно новыми ковалентными связями между атомами в основной цепи макромолекул.
Гетерогенные связующие представляют собой дисперсные системы на основе продуктов деполимеризации органических и неорганических полимеров. Их затвердевание связано с физическими процессами удаления дисперсной среды или охлаждения после расплавления. При этом полимерное строение восстанавливается без изменений химического состава. Такие многофазные гетерогенные соединения образуют высокопрочные структуры, позволяющие использовать связующие без последующего структуропреобразования.
Технологические приемы затвердевания связующих подразделяются в соответствии с их применимостью к типам соединений. Для гомогенных систем - это приемы создания условий для протекания соответствующих реакций, вызывающих необратимые превращения. Для гетерогенных систем - это приемы, обеспечивающие возможность физического перехода из состояния расплава, раствора или дисперсии в твердое состояние полимеров. В ряду различных процессов, протекающих при затвердевании связующих, для каждого из них можно выделить основной, определяющий характер и свойства вторичной структуры. По этому признаку возможна их классификация. A. Полимеризация непредельных соединений и затвердевание синтезированных полимеров; Б. Поликонденсация непредельных соединений и затвердевание синтезированных полимеров; B. Затвердевание предельных продуктов гидролитической деполимеризации из раствора с образованием полимеров; Г. Затвердевание предельных продуктов гидратационной деполимеризации из дисперсии с образованием полимеров; Д. Затвердевание предельных продуктов термической деполимеризации из расплава с образованием полимеров (табл. 2.3). Связующие класса А представляют собой низкомолекулярные соединения. Реакция их полимеризации идет с образованием макромолекул того же состава, что и исходный мономер без выделения побочных продуктов. Структурирование, т.е. образование поперечных химических связей между образовавшимися макромолекулами, протекает в процессе синтеза полимеров.
Связующие класса Б характеризуются процессами превращения мономерных и олигомерных соединений в полимеры за счет реакций замещения функциональных групп. Процессы поликонденсации определяются как реакции функциональных групп полифункциональных веществ с выделением побочных продуктов.
Связующие класса В при растворении образуют предельные продукты деполимеризации. При прохождении раствором всего концентрационного интервала возникают ассоциаты макромолекул, накопление которых вызывает в дальнейшем сращивание частиц новой полимерной фазы и затвердевание системы.
Гидратация связующих класса Г вызывает их деполимеризацию и образование дисперсии из предельных продуктов. При удалении дисперсионной среды полимерное строение материалов восстанавливается.
Затвердевание связующих класса Д из расплава обуславливается исключительно физическими параметрами агрегатных переходов из жидкого состояния в твердое.
Особое место занимают соединения с комбинированными ионно-ковалентными связями, которые при затвердевании образуют комплексные соединения -кристаллогидраты солей. Кристаллизация их перенасыщенного раствора, с включением воды в компонент структуры, обязательно сопровождает полимерные превращения некоторых неорганических соединений и является необходимым условием для проявления вяжущих свойств в дисперсных структурах с химическим взаимодействием.
Функциональное назначение связующих материалов состоит в том, чтобы совместно с наполнителем и добавками образовать коагуляционную структуру и при необходимости за счет способности к различным физико-химическим и химическим превращениям обеспечить структуропреобразование этой системы в твердое тело со свойствами, отвечающими требованиям технологического процесса /37,40, 70/.
Одно из основных назначений наполнителя состоит в том, чтобы во взаимодействии со связующим материалом обеспечить развитие пространственной структуры и соответствующих структурно-механических и технологических свойств. Твердая поверхность наполнителей обязательно смачивается жидкой фазой и их применение возможно только при этом условии. Смачиваемость тесно связана с кристаллохимическим строением, молекулярной природой поверхности наполнителя и с химическим строением связующего. При смачивании поверхностная энергия уменьшается с выделением теплоты. Тепловой эффект рассматривают как результат изменения поверхностной энергии при взаимодействии дисперсной фазы и дисперсной среды. Поэтому, критерием активности наполнителя по отношению к связующему материалу является энергетически эффективная поверхность зерен /44, 49/. Наполнитель обуславливает перевод объемной жидкой фазы в пленочное состояние с изменением ее физической структуры на границе раздела фаз. Твердая поверхность существенно влияет на кинетический характер образования полимеров, способствуя ускорению синтеза структуры. По молекулярной теории адгезии направленное воздействие на адгезионную прочность осуществляется выбором оптимального для данного наполнителя типа связующего для взаимодействия их функциональных групп. Влияние на формирование коагуляционной структуры оказывают отвердители, катализаторы и пенообразователи.
Связующие материалы, взаимодействуя с остальными ингредиентами, вовлекают их в структурообразовательный процесс, переводя всю систему в состояние пространственной связности. При этом, несмотря на влияние наполнителя и других добавок, сущность и характер полимерных химических превращений связующих при затвердевании сохраняется и распространяется на всю систему в целом.
Под структурой понимается строение и состояние дисперсной системы, обусловленное взаимодействием ингредиентов, с установлением во всем объеме, определенного вида связи между структурными элементами. Именно вид связи определяет тип структуры. Существование структуры придает системе комплекс свойств - упругость, пластичность, вязкость, прочность, обуславливает тесную связь между составом и особенностями деформационного поведения системы под нагрузкой.
В связи с фундаментальным значением для формовочных масс процессов структурообразования объективным критерием для классификации таких синтетических материалов являются процессы образования и развития пространственных структур, определяемые процессами, происходящими с их связующими, а точнее, с их структурообразующими ингредиентами (табл. 2.4).
Исследование прочностных свойств стержневых смесей с добавкой поливинилового спирта
Из работ /31, 124/ известно, что растворы поливинилового спирта обычно применяют в качестве основного связующего для приготовления стержневой смеси с концентрацией ПВС в смеси 8-12 %. При этом его плотность и вязкость с течением времени меняется. Анализируя исследования изменений плотности и вязкости растворов ПВС, выяснили, что время набухания, температура растворителя и раствора не влияют существенно на прочностные характеристики смесей, а основное влияние оказывает плотность, концентрация и процентное содержание ПВС в смеси. Исходя из этого, предпочтение отдаем менее трудоемкому способу приготовления раствора ПВС: расчетное количество порошка ПВС предварительно замачивали на 2 часа, а затем, при непрерывном перемешивании полученный гель при 70-80С за 30-50 минут доводили до светлого водного раствора, который после охлаждения был готов к использованию.
Исследовали 5-, 10-, 15- и 30% растворы ПВС. Растворы выдерживали в течение 2-24-48-72-168 ч, определяя их плотность и вязкость по ВЗ-4 (табл. 3. 14), а затем готовили смесь и исследовали влияние плотности раствора ПВС и его концентрации на прочность образцов после отверждения в печи.
Из рисунка 3.6 видно, что с увеличением выдержки т готового раствора ПВС 5%-ной концентрации до 48 часов плотность раствора практически не изменяется у= 1,011-1,016г/см3; при увеличении выдержки до 168 ч плотность раствора увеличивается до 1,033 г/см . Плотность водных растворов ПВС 10%-ной концентрации, при т = 72 ч, изменяется незначительно, а свыше 72 ч - резко возрастает и раствор переходит в гель. Повышение концентрации водных растворов ПВС с 15 до 30%-ной концентрации значительно меняет значения плотности, даже после 24 ч хранения в закрытой емкости.
Сравнивая данные вязкости растворов ПВС из табл. 3.14 с общепринятыми нормами (до 300 с для ЖС), можно сказать, что водные растворы ПВС 10%-ной концентрации, пригодны к использованию при хранении 72 ч, а 5%-ной концентрации 168 ч и более (в течение недели). Растворы 15- и 30%-ной концентрации хранить более 24 ч нецелесообразно.
Далее готовилась стержневая смесь, где растворы ПВС 5-, 10-, 15- и 30%-ной концентрации, использовались в качестве основного связующего, причем растворы по каждой концентрации вводили в наполнитель после выдержки их в течение 2-24-48-72-168 ч и исследовали полученную стержневую смесь на прочность после отверждения в печи. Для получения образца смесь готовилась по следующей технологии:
В 120 г кварцевого песка вводим 2, 3, 4, 5 и 6 % (2,4; 3,6; 4,8; 6,0; 7,2г соответственно) - 5-, 10-, 15- и 30%-ного раствора добавки ПВС. Все полученные образцы перед испытанием выдерживались в течение 24 ч при температуре 18 С. Результаты экспериментов представлены в таблицах 3.15-3.18. В процессе обработки результатов исследований, были получены следующие уравнения регрессии: 1. Для распределения значений прочности в зависимости от концентрации раствора ПВС и его процентного содержания в смеси: z = -1, 3819+0, 0503 х+0,719 у-0.0009 х х+0.0004 х у-0.0742 у У5 х - концентрация раствора ПВС, %; у - содержание раствора ПВС в смеси, %; z - прочность после отверждения, МПа. 2. Для распределения значений прочности в зависимости от времени и температуры прогрева образцов: z = -l,35+0,1918 x+0.0511 y-0.0057Vx-3,8952E-5Vy-0.0009VV» х - время прогрева образца, мин; у - температура прогрева образца, С z - прочность после отверждения, МПа. в смес.
Из номогр. на рис. 3.6- 3.7 видно, что оптимальное содержание в смеси раствора ПВС 10-20 % концентрации находится в интервале 4,0-5,5 %. При увеличении содержания раствора в смеси выше 5,5 % или снижении его в смеси до 4 %, приводит к падению прочности.
Температура сушки образцов из стержневой смеси, содержащей в качестве основного связующего добавку ПВС в количестве 4,0-5,5 %, находится в интервале 190-210 С в течение 20-25 мин. С уменьшением времени прогрева образцов до 10-15 мин, температуру в сушиле необходимо поднять до 210-230 С, а при уменьшении температуры сушки до 160-180 С время сушки увеличивается до 40 мин.
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что у готовых растворов ПВС плотностью 1,015 г/см прочность находится в пределах 0,19-0,4 МПа. С увеличением концентрации водных растворов добавки ПВС до плотности 1,065 г/см полученные значения прочности после отверждения находятся в пределах 1,4-2,6 МПа.
Оптимальная температура сушки смесей на основе водных растворов ПВС находится в интервале 180-200 С в течение 15-20 мин, т.к. при данной температуре прочность возрастает не только за счет испарения растворителя, но и за счет сшивки молекул ПВС. При более высокой температуре (более 240 С) происходит термодеструкция ПВС и наблюдается резкое падение прочности.
Особенности технологического процесса изготовления отливок из цветных и черных сплавов с использованием дисперсно-армированных стержней из ЖСС, приготовленной по двухстадийной технологии
Процесс изготовления отливок, с использованием при их изготовлении армированных стержней из смеси, приготовленной по ДСТ, разделяется на отдельные этапы.
1 этап. Подготовка свежих материалов, которая заключалась в сушке и просеивании кварцевых песков, разведении порошка натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (марка «КМЦ - 55/450 "О"» ТУ 6-55-39-90), поливинилового спирта (марка «ПВС 16/1»).
Для сушки песков на ОАО «АСЗ» применяется установка, где песок сохнет при транспортировке в горячем потоке воздуха.
Так как органические добавки необходимо вводить в песок в виде раствора, поэтому необходимое соотношение воды и порошка (см. пункты 4.1, 4.2) предварительно смешивали в специальном баке и: - для Н-КМЦ, настаивали в течение 3 часов, а затем использовали; - для ПВС, настаивали в течение 2 часов, перемешивали и нагревали полученную суспензию до 80-90 С в течение 30-50 мин, остужали и затем использовали.
Контроль получаемых растворов производили ареометром: при высокой плотности раствора добавляли воду, при низкой плотности получаемого раствора добавляли порошок.
Макулатуру замачивали в горячей воде (в соотношении 2:1, т.е. 2 части бумаги на
1 часть воды), температура заливаемой воды 70-100 С. После остужения и настаивания в течение 2-3 ч полученную суспензию перемешивали до образования однородной консистенции, отжимали и высушивали, в результате распушения получали МРМ.
Для получения армированной ЖСС МРМ вводили в ЖС (М 2,8; у =1,49 г/см3) в соотношении, соответственно, ЖС к МРМ: 1:1 или 1:2, после этого перемешивали суспензию в магнитной мешалке в течение 5-8 мин. Затем полученное дисперсно армированное связующее «Армжист» вводили в плакированный добавками Н-КМЦ или ПВС наполнитель.
2 этап Предварительная обработка отработанной смеси заключается в частичной регенерации выбитой из опок после охлаждения смеси и повторного ее использования для изготовления форм и стержней. Частичная регенерация осуществляется путем дробления, сушки, просеивания смеси через сито. В результате того, что доля жидкого стекла в смеси находится в количестве не более 4 %, а органические добавки (Н-КМЦ, ПВС и МРМ) при заливке металла полностью выгорают, возврат отработанной смеси составляет 70-80 %.
3 этап. Обволакивание зерен песка (плакирование) растворами добавки Н-КМЦ или ПВС.
Плакирование начинается со смешивания чистого песка (20-30 %), с отработанной смесью (70-80 %), а затем в бегуны вводится раствор добавок Н-КМЦ или ПВС. Данная смесь перемешивается в бегунах в течение 2-4 мин, а затем выгружается в емкость.
Влажность данной смеси перед дальнейшим использованием не должна превышать 0,2-0,25 %. Удаление воды из песка после плакирования может осуществляться любым из методов: 1 - провяливанием на воздухе в приготовленных для этого емкостях; 2 - сушкой в печи; 3 - продувкой, при перемешивании в бегунах, горячим или холодным воздухом от компрессора; 4 - вакуумированием; 5 - вводом раствора Н-КМЦ или ПВС в нагретый до 120-150 С песок. По мере охлаждения песка будет происходить удаление влаги.
В результате того, что прочность смеси после сушки с добавкой Н-КМЦ имеют не высокую прочность (ов мах =1,18 -1,256МПа), удаление влаги производили провяливанием на воздухе.
Для растворов ПВС, имеющих достаточно высокую прочность после сушки (ав мах = 1,4 - 2,198 МПа), удаление влаги осуществляли перемешиванием песка в бегунах с продувкой холодным воздухом от компрессора.
Контроль производили стандартным способом определения остаточной влажности смеси по ГОСТ 23409.5-78.
После плакирования песок сгружался в емкость (мет. ящик). Полученный плакированный песок использовали при приготовлении стержней на основе ЖСС. 4 этап. Приготовление армированной ЖСС: плакированный песок с влажностью не более 0,2-0,3 % загружали в лопаточный смеситель и вводили в него органо-минеральную добавку «Армжист» в количестве не более 5-6 %. После смесь перемешивали в течение 2-3 мин и выгружали на ленточный конвейер, который поставлял готовую ЖСС в отделение формовки.
Контроль качества смеси производился путем определения физико-механических и технологических характеристик, предусмотренных ГОСТ 23409 - 78.
Разработанные по данной технологии стержневые смеси были опробованы на ОАО «Амурский судостроительный завод».
В условиях цеха №25 изготовлялись стержни, которые устанавливали в форму, предназначенную для получения:
1 .Отливки типа «Футеровка» - масса отливки 540 кг (в форме располагаются 4 стержня, объем стержня VICT = 1,5 л).
Технические требования к отливке «Футеровка»: припуски на механическую обработку в соответствии с ГОСТ 26645-85, ряд 6; допуски на размеры и массу отливок в соответствии с ГОСТ 26645-85, класс точности от 9Т до 15; литейные уклоны по ГОСТ 3212-80.
2. Отливки типа «Нож подрезной - 4553» для бульдозера «Катапиллер» Д9. (в форме располагаются 7 стержней, объем ViCT = 0,45 л, масса отливки 260 кг)
Технические требования к отливке «Нож подрезной - 4553» по ОСТ5Р.9285-95: припуски на механическую обработку в соответствии с ГОСТ 26645-85, ряд 7; допуски на размеры и массу отливок в соответствии с ГОСТ 26645-85, класс точности от 9 до 15; литейные уклоны по ГОСТ 3212-80.
