Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 10
1.1 Анализ существующих способов формообразования в литье по выплавляемым моделям И
1.1.1 Оболочковые керамические формы 13
1.1.2 Объемные керамические формы
1.2 Перспективы ускоренного изготовления керамических форм 24
1.3 Цель и задачи исследования 29
2 Разработка технологии ускоренного изготовления оболочковых керамических форм с применением плакированных обсыпок и закрепляющего раствора 31
2.1 Способ подготовки плакированных зернистых материалов 32
2.2 Исследование кинетики отверждения слоев покрытия при использовании плакированных обсыпок 46
2.3 Технология ускоренного изготовления оболочковых форм на этилсиликатном связующем 54
2.4 Кинетика процессов гелеобразования в системе «слой суспензии на ЖС — закрепляющий раствор» 67
2.5 Технология ускоренного изготовления комбинированных оболочковых керамических форм 79
Выводы 88
3 Разработка технологии ускоренного изготовления объемных керамических форм на АБФК-связующем 90
3.1. Исследование кинетики отверждения в системе «суспензия на АБФК - периклаз» з
3.2 Влияние добавок керамзита на свойства суспензий и форм на АБФК-связующем 99
3.3 Структура и свойства суспензий и керамических форм на АБФК-связующем 105
3.4 Оптимизация состава химически твердеющей суспензии на АБФК-связующем 127
3.5 Механизмы формирования прочности форм и ее изменения при прокалке и охлаждении 137
Выводы 152
4 Испытания разработанных технологий формообразования в производстве точных отливок 154
4.1 Технология ускоренного изготовления комбинированных оболочковых керамических форм с применением плакированных обсыпок и закрепляющего раствора 154
4.2 Технология ускоренного изготовления объемных керамических форм на АБФК-связующем 157
4.3 Технико-экономические показатели (ТЭП) разработанных технологий 166
Основные выводы 175
Литература
- Перспективы ускоренного изготовления керамических форм
- Исследование кинетики отверждения слоев покрытия при использовании плакированных обсыпок
- Структура и свойства суспензий и керамических форм на АБФК-связующем
- Технология ускоренного изготовления объемных керамических форм на АБФК-связующем
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из направлений научно-технического прогресса в области литейного производства выступают инновации прогрессивных технологических процессов формообразования. При этом перспективным способом, обеспечивающим высокую точность литых заготовок для нужд аэрокосмического комплекса, машиностроения и приборостроения, является литьё по выплавляемым моделям (ЛВМ) в керамические формы.
Многослойные оболочковые керамические формы на этилсиликатном (ЭТС) связующем обеспечивают получение точных отливок из цветных и черных сплавов любой сложности. Однако из-за необходимости сушки каждого нанесенного на модельный блок огнеупорного слоя процесс изготовления формы является длительным и трудоемким.
Для изготовления керамических формооболочек также используется жидко-стекольное связующее (ЖС), выгодно отличающееся от этилсиликатного с позиции экономической эффективности и экологической безопасности. Однако без обработки гелеобразователем жидкостекольные формы обладают недостаточной термостойкостью и зачастую выступают причиной брака отливок.
Для изготовления объемных наливных керамических форм распространение получили самотвердеющие суспензии на гипсовых и цементных связующих с кремнеземистым наполнителем. Однако, первые непригодны для литья из черных сплавов с высокой температурой заливки из-за разложения гипса при температурах выше 1200 С, что приводит к поражению отливок газовыми раковинами, а вторые могут использоваться для производства отливок из любых сплавов, но отличаются длительным циклом формообразования, низкой газопроницаемостью и трещиноустойчивостью форм в процессе их прокалки и заливки расплавом.
Таким образом, известные способы изготовления как оболочковых, так и объемных керамических форм для ЛВМ характеризуются повышенными трудоемкостью и продолжительностью процессов формообразования, экологической нагрузкой на окружающую среду и в тоже время имеют резервы для своего дальнейшего развития на базе использования современных материалов.
Поэтому разработка технологических процессов ускоренного формообразования для точного литья из сплавов цветных и черных металлов является актуальной задачей литейного производства, решение которой обеспечивает повышение качества и экономической эффективности изготовления точных отливок для самых различных областей машиностроения, приборостроения, художественного литья.
Работа выполнена при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 — 2011 годы)» и гранта компании ССНВС EURASIA для аспирантов и молодых ученых Южно-Уральского государственного университета.
Цель и задачи исследования. Настоящая диссертационная работа имела целью разработать способы и технологии ускорения процессов формообразования при изготовлении оболочковых и объемных керамических форм для литья по вы-
плавляемым моделям. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать кинетику отверждения слоев огнеупорного покрытия на этил-силикатном связующем под действием плакированных гелеобразователем обсыпок и изучить механизм ускоренного упрочняющего действия плакированных зернистых материалов (ПЗМ) на слои ЭТС-суспензии, разработать состав плакирующей смеси и способ подготовки плакированного зернистого материала для обсыпки слоев на ЭТС связующем;
исследовать кинетику процессов гелеобразования в системе «слой жидко-стекольной суспензии - раствор алюмоборфосфатного концентрата (АБФК)» и разработать состав соответствующего закрепляющего раствора для жидкосте-кольных слоев керамической формы;
установить структуру и свойства многослойных огнеупорных покрытий на этилсиликатных и жидкостекольных связующих с применением плакированных гелеобразователем обсыпок и закрепляющих растворов АБФК, а также рассмотреть возможность объединения разработанных технологий с целью получения комбинированных формооболочек с улучшенными физико-механическими характеристиками;
исследовать кинетику отверждения в системе «суспензия на АБФК - перик-лаз», разработать состав наливной самотвердеющей смеси, изучить влияние армирующих муллитосодержащих добавок на структуру и свойства керамической формы на АБФК-связующем, а также методом планирования эксперимента оптимизировать состав смеси, разработать соответствующую математическую модель;
выяснить механизм формирования прочности объемных форм на АБФК с армированием муллитосодержащей добавкой, ее изменения при прокалке и охлаждении;
установить влияние разработанных технологий формообразования на качество отливок, полученных ЛВМ, и освоить их в производстве.
Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, обеспечивающих новые технологические решения в изготовлении оболочковых форм на ЭТС и ЖС, а также объемных керамических форм на АБФК-связующем для отливок из цветных и черных сплавов. В том числе:
установлены закономерности воздействия плакированных гелеобразующих обсыпок на кинетику отверждения этилсиликатных слоев и технологические свойства оболочковых керамических форм на ЭТС-связующем;
установлены закономерности воздействия закрепляющих растворов АБФК на кинетику отверждения жидкостекольных слоев и технологические свойства оболочковых керамических форм на ЖС-связующем;
получены новые данные по структурным и дилатометрическим параметрам комбинированных оболочковых форм на ЭТС- и ЖС-связующем с применением плакированных обсыпок и закрепляющих растворов в области высоких температур, их физико-механическим свойствам;
теоретически и экспериментально доказана возможность применения водного раствора АБФК в качестве связующего для наливных самотвердеющих сме-
сей, в том числе в сочетании с армирующей муллитосодержащей добавкой, в производстве литья по выплавляемым моделям;
методами дилатометрии и электронной микроскопии исследованы структура и технологические свойства смесей и объемных керамических форм на АБФК-связующем;
методами рентгенофазового анализа и дериватографии установлены механизм формообразования в системе «суспензия на АБФК - периклаз» и изменение прочности форм на АБФК-связующем при прокалке и охлаждении, в том числе при армировании муллитосодержащим материалом;
разработана математическая модель, описывающая влияние состава на реологические свойства суспензии на АБФК и физико-механические характеристики получаемых форм.
Практическая ценность работы. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический процесс ускоренного изготовления многослойных керамических форм на этилсиликатном и жидкостекольном связующих с применением плакированных гелеобразователем обсыпок и закрепляющих растворов АБФК. Разработаны состав и способ ускоренного изготовления высокоточных объемных керамических форм на АБФК с повышенной прочностью и трещиноустойчивостью, соответствующие методика, компьютерная программа и номограмма для расчета оптимальных параметров процесса формообразования.
Использование способов ускоренного формообразования обеспечивает получение комбинированных керамических формооболочек с высоким уровнем физико-механических свойств. Внедрение технологии в производственный цикл существенно сокращает сроки изготовления и повышает качество отливок из цветных и черных сплавов.
Освоение разработанной технологии ускоренного изготовления наливных керамических форм на АБФК-связующем позволило сократить цикл изготовления точных отливок, снизить брак по пробою и растрескиванию форм, засорам и газовым раковинам, улучшить экологическую обстановку и снизить себестоимость литых изделий.
Реализация работы. Разработанный технологический процесс изготовления комбинированных оболочковых форм прошел опытно-промышленное испытание в цехе точного литья ОАО «ЧТЗ-Уралтрак» (г. Челябинск) на отливках из стали 45Л. Технология изготовления объемных керамических форм на АБФК-связующем прошла промышленное испытание и внедрена в производственный цикл на ЗАО «Уральская бронза» (г. Челябинск).
Апробация работы. Основные материалы диссертации были представлены на Всероссийской научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу на знаниях» в Москве (2006 г.), на 7 и 8-й Всероссийских научно-практических конференциях «Литейное производство сегодня и завтра» в Санкт-Петербурге (2008, 2010 г.), на 8-м и 9-м съездах литейщиков России в Ростове-на-Дону (2008 г.) и Уфе (2009 г.) на 1-й конференции аспирантов и докторантов ЮУрГУ (2009 г.), на 61, 62, 63 и 64-й научных конференциях преподавателей и сотрудников ЮУрГУ (2008, 2009, 2010, 2011 г.), а также на 5 и 6-й Уральских межрегиональных выставках научно-технического творчества
молодежи (НТТМ) изобретателей, рационализаторов, конструкторов «Евразийские ворота России», проводимой в рамках Всероссийской научно-социальной программы для молодежи «Шаг в будущее» (2010, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 научных статей, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получены 3 патента РФ на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 125 наименований и 2 приложений; содержит 115 страниц машинописного текста, 21 таблицу, 67 рисунков.
Перспективы ускоренного изготовления керамических форм
Способ литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) в многослойные оболочковые формы на основе этилсиликатного связующего обеспечивает решение важнейшей технологической задачи — изготовление из любых литейных сплавов точных тонкостенных отливок сложной конфигурации. Основным фактором, сдерживающим возможностьфоста производительности этого прогрессивного способа литья, является длительный цикл формообразования, вызванный необходимостью промежуточной сушки каждого из последовательно наносимых слоев керамического покрытия. Несоблюдение технологической продолжительности сушки приводит к браку форм и отливок, обусловленному отслоением покрытия при нанесении последующих слоев суспензии.
Сушка слоев оболочки обеспечивает прохождение процесса гелеобразования этилсиликатного связующего, вызывающего отверждение и упрочнение керамики. В настоящее время для ускорения этого процесса в промышленности применяются следующие методы [5, 33]: воздушно-аммиачная сушка; окунание формируемого слоя в растворы щелочей; использование нейтрализованного октовой кислотой аммониевого октана и др. Данные способы несколько сокращают сроки изготовления формооболочки, по сравнению с сушкой на воздухе, но имеют ряд существенных недостатков: - вызывают неравномерное огеливание ЭТС-связующего; - обеспечивают только поверхностное упрочнение; - способствуют образованию усадочных напряжений и микротрещин керамического слоя; - снижают прочность формооболочек и т.д. В этой связи задача ускоренного изготовления керамических форм наряду с их повышенными физико-механическими свойствами актуальна.
Была выдвинута гипотеза, что. ее решение может быть достигнуто за: счет плакирования зернистых материалов катализаторами гелеобразования, ЭТС-связующего и использования плакированных зернистых материалов (ИЗМ)Ї в качестве обсыпки слоев керамического покрытия.
Учитывая указанное функциональное назначение ПЗМ; процесс их получения должен отвечать следующим требованиям: .-. . . - обеспечивать высокую степень равномерности распределения гелеобра-зующих веществ на частицах зернистого материала (ЗМ) и отсутствие его комкования; ...... - вызывать необходимую адгезию к частицам ЗМ гелеобразующих веществ, исключающую их отслоение при обсыпке слоев керамического покрытия в кипящем слое ПЗМ; - быть скоростным, относительно простым и дешевым. В связи с этим представляется необходимым разработать принципиально новый способ получения химически плакированных зернистых материалов, отвечающих указанным технологическимтребованиям:
В целях экономии материальных ресурсов при изготовлении оболочковых керамических форм в ЛВМ этилсиликатные огнеупорные слои, могут быть частично заменены на жидкостекольные. Однако, как было указано выше (п. 1.1.1), жидкое стекло обладает низкой прочностью при: повышенных температурах, а слои — длительный цикл огеливания, поэтому используют дополнительную обработку слоев. С целью повышения прочностных характеристик слоев жидкосте-кольного покрытия, нанесенного на выплавляемую модель, и ускорения процесса формообразования проводят химическое закрепление нанесенных слоев. В качестве закрепителей применяют водные растворы аммониевых солей, хлоридов алюминия или кальция, а также спиртовые растворы фосфорной кислоты [9, 102]. Они имеют водородный показатель (рН) в пределах 0,5... 1,0 и создают условия для гелеобразования покрытия и некоторого улучшения физико-механических свойств керамических форм. Известно также химическое закрепление слоев жидкостекольного покрытия в подкисленном НС1 растворе оксихлорида алюминия [33]. В этом случае обеспечивается- связывание ионов натрия жидко-стекольного связующего с образованием безопасных для качества формы соединений; например NaGl. В результате в значительной степени исключается взаимодействие заливаемых черных сплавов с материалом формы. Однако, вследствие низкой пропитывающей способности указанных растворов- отверждение каждого слоя покрытия протекает лишь с поверхности. В процессе сушки происходит усадка, свободному прохождению которой препятствует неравномерность гелеобразования: В результате возникающие напряжения вызывают появление в пленках связующего микротрещин, развивающихся- в процессе прокалки керамических форм. Поэтому происходит нарушение точности, а в некоторых случаях и коробление форм, снижающее качество отливок.
Наибольшее распространение-из известных способов закрепления жидкосте-кольных слоев оболочковых керамических литейных форм получил раствор; содержащий алюмохлорид, ортофосфорную кислоту и этиловый спирт [47]. Єпособ химического закрепления в этом случае- состоит в обработке указанным раствором каждого слоя- жидкостекольного покрытия, нанесенного на выплавляемую модель. Такой способ обеспечивает определенное повышение жаропрочности и термической стойкости керамических форм, но имеет следующие существенные недостатки: — недостаточный уровень пропитывающей способности закрепляющего раствора не обеспечивает требуемые скорость и глубину пропитки слоев покрытия на жидкостекольном связующем, непропитанные участки требуют дополнитель 27 ной сушки, склонны к повышенной усадке и короблению, а также образованию микротрещин, снижающих геометрическую точность форм и отливок; - неодновременность и неравномерность гелеобразования в объеме всего слоя жидкостекольного покрытия снижает потенциальный уровень прочностных характеристик получаемых керамических форм; - многокомпонентность раствора, наличие в нем кислоты и этилового спирта делает процесс химического закрепления сложным, длительным, пожароопасным и экологически вредным; - применяемая обработка слоев жидкостекольного покрытия раствором указанных солей алюминия не обеспечивает существенного улучшения выбиваемо-сти сложнопрофильных отливок; - длительность формообразования, низкая эффективность пропитки, а также недостаточный уровень физико-механических свойств керамических форм на жидкостекольном связующем по мере увеличения массы и габаритов отливок в литье по выплавляемым моделям вызывает рост их брака позасорам, наплывам, неточности геометрии.
В связи с эти представляется целесообразной разработка нового состава закрепляющего раствора жидкостекольных слоев керамических оболочек, который позволит, учитывая недостатки известных способов закрепления, ускорить процесс изготовления многослойных огнеупорных форм с повышенными физико-механическими характеристиками и эксплуатационными свойствами.
В настоящее время в литье по выплавляемым моделям наряду с оболочковыми керамическими формы на основе гидролизованного раствора этилсиликата и жидкого стекла широкое распространение получили объемные формы из наливных смесей на гипсовых и цементных связующих.
Исследование кинетики отверждения слоев покрытия при использовании плакированных обсыпок
Качество плакированных разработанным способом ЗМ катализаторами гелеобразования ЭТС-связующего оценивали по следующей методике (рис. 2.7). В стеклянные градуированные трубки диаметром 5 мм, нижние концы которых обернуты марлей, насыпали высотой 200 мм исследуемый ПЗМ и эталонный неплакированный ЗМ. Трубки с помощью зажима устанавливали в емкость с гидролизованным раствором этилсиликата (ГРЭТС) с содержанием Si02 - 20 мас. %, приготовленном на растворителе - этиловом спирте. Емкость помещали в эксикатор с водой для поддержания постоянной влажности - 60%. Температура окружающей среды составляла 23 С. По окончании процесса капиллярного впитывания (15 мин) измеряли высоту подъема ГРЭТС в трубках с плакированным и неплакированным ЗМ. Учитывая, что ЗМ плакирован гелеобразователями ГРЭТС, пропитка ПЗМ протекает на меньшую высоту. Причем, чем больше плакирование ЗМ этими веществами, тем меньше высота подъема ГРЭТС в трубке с ПЗМ. В связи с этим в качестве количественной оценки плакирования ЗМ катализаторами гелеобразования ЭТС-связующего определялось относительное уменьшение высоты подъема ГРЭТС в трубке с ПЗМ, вычисляемое по формуле: K = Hl HM00,%, (2.3) Hi где Hi - высота подъема ГРЭТС в трубке с неплакированным ЗМ; Н2 - высота подъема ГРЭТС в трубке с ПЗМ. Чем больше значение К, тем больше гелеобразующего вещества приходится на единицу поверхности частиц ЗМ. 61873104 Рисунок 2.7 - Установка для исследования равномерности плакирования гелеобразователем ЗМ: 1 - эксикатор; 2 - вода; 3 - сетка; 4 - градуированная трубка с обычной обсыпкой; 5 — градуированная трубка с ПЗМ; 6 — зажим; 7 - марля; 8 - емкость; 9 - ГРЭТС Равномерность плакирования всего объема ЗМ оценивалась путем отбора п проб ПЗМ с различных участков его кипящего слоя и определения для них по вышеуказанной методике значений оценок плакирования К; и вычисления их статистических параметров - среднего арифметического и среднеквадратичного отклонения по формулам: K = -SK,; (2.4) Пі=1
Параметр о характеризует разброс значений Kj взятых проб относительно их среднего и поэтому может быть использован для оценки равномерности плакирования ЗМ. Чем меньше значение о, тем более равномерно распределены гелеобразующие вещества во всем объеме обрабатываемого ЗМ. Установлено, что качественному приготовлению ПЗМ соответствует значение К = 85...95 % и о = 0...10%.
Используя указанные критерии, оптимизировали параметры подготовки ПЗМ в "кипящем слое", представленные в табл. 2.2. Таблица 2.2 - Параметры подготовки ПЗМ в "кипящем слое" Наименование параметра Значение параметра 1. Удельная скорость впрыскивания ПС на 1 м2 поверхности частиц ЗМ, кг/с (3...5)- Ю-6 2. Время впрыскивания ПС, мин 10...15 3. Время отверждения ПС, мин 25...40 В табл. 2.3 приведены значения оценок качества плакирования ЗМ разработанным и базовым способами. Согласно базовому способу ПЗМ готовили в бегунах путем последовательного введения в ЗМ того же раствора жидкого стекла и феррохромового шлака и в тех же количествах, что и в разработанном способе (см. табл. 2.2). В качестве ЗМ использовали кварцевый песок марки 2KiO202 (ГОСТ 2138-91). Таблица 2.3 - Сравнительные показатели способов подготовки ПЗМ
Наименование показателей Способы подготовки ПЗМ базовый разработанный 1. Оценка плакирования ЗМ (К), % 65...75 80...95 2. Оценка равномерности плакирования ЗМ (а), % 15...25 2...8 3. Наличие комкования Есть Нет 4. Общее время подготовки ПЗМ, мин 60...90 30...45 Анализ представленных результатов показал, что использование разработанного способа позволяет получить ПЗМ с более равномерным распределением плакирующего материала без эффекта комкования. При этом наблюдается сокращение времени подготовки обсыпки в 2 раза.
Таким образом, на основе проведенных исследований определены интервалы варьирования параметров подготовки ПЗМ, соответствующие необходимым технологическим свойствам обсыпочного материала, а также разработан новый способ плакирования, позволяющий ускоренно изготавливать ПЗМ высокого качества. В тоже время широкий диапазон значений параметров плакирования ЗМ обуславливает необходимость его оптимизации, в связи с чем представлялось целесообразным изучить влияние ПЗМ на кинетику отверждения этилсиликатных огнеупорных слоев и выяснить механизм ускоренного формообразования.
Для оценки влияния характеристик ПЗМ на продолжительность затвердевания слоев ЭТС-суспензии исследовалась кинетика этого процесса. Варьируемые параметры представлены в табл. 2.4. Таблица 2.4 - Параметры процесса плакирования зернистых материалов Параметр Значение параметра Количество ПС к массе ЗМ, мае. % 0,2,4,6,8 Отношение ЖС : ФХШ 1:1; 2:1; 3:1; 4:1 Плотность ЖС (рже), кг/м 1150, 1250, 1350,1450 В работе использовалось жидкое стекло с. модулем равным 2,6...3,0, отличающееся повышенными свойствами, в том числе быстрым затвердеванием. Bi ходе экспериментов поддерживались постоянными температура и. влажность окружающей среды..
При проведении экспериментов готовилась суспензия на основе гидролизованного раствора этилсиликата (ГРЭТС-40) и пылевидном кварце ПК-3 (ГОСТ 9077-82):. Гидролиз ЭТС-40 (ГОСТ 25371-84) проводили раздельным способом на содержание Si02 .20 мас. % с применением растворителя - этилового, спирта: Перемешивали компоненты, суспензии лабораторной мешалкой в течении 20...30 минут со скоростью вращения крыльчатки 3000 об/мин. Вязкость суспензии по ВЗ-4 составила 80- с. В качестве обсыпки использовался кварцевый песок марки 2КіО302 (ГОСТ 2138-84), плакированный смесью, на основе жидкого стекла и феррохромового шлака. При этом использовалось разное соотношение компонентов и разное количество плакирующей смеси.
Для изучения кинетики отверждения слоев использовалась установка, схема которой представлена на рис. 2.8. При этом, с целью моделирования технологии изготовления керамической формы, в емкость, выполненную из модельного состава (МВС-15),.с установленными на ее боковых поверхностях электродах заливали суспензию, давали стек и осуществляли обсыпку получаемого керамического покрытия исследуемыми ПЗМ или обычной
Структура и свойства суспензий и керамических форм на АБФК-связующем
Этилсиликат относится- к одному из наиболее дорогостоящих связующих материалов. Для снижения себестоимости изготовления формооболочек часто используют ЖС-связующее, однако без обработки специальными составами, ускоряющими отверждение и улучшающими их свойства, жидкостекольные формы обладают недостаточной термостойкостью и зачастую выступают причиной брака отливок, изготавливаемых из высокотемпературных сплавов [47].
В этой связи, наиболее перспективной представляется обработка нанесенных на выплавляемую модель жидкостекольных слоев упрочняющим раствором - водным раствором алюмоборфосфатного концентрата, который имеет значение водородного показателя (рН) 1...2, поэтому была выдвинута гипотеза, что он сможет выступить эффективным гелеобразователем жидкого стекла. Кроме того, АБФК — это универсальный и высокотехнологичный связующий материал, обладающий рядом полезных свойств с точки зрения формообразования [67, 76, 93]. С одной стороны, АБФК является высокотемпературным веществом, поэтому способствует созданию термически прочной керамической оболочки. В тоже время, при нагреве его до температур свыше 900 С и последующем охлаждении, благодаря проходящим при этом фазовым превращениям, наблюдается разупрочнение связующей пленки, и, как следствие, разрушение формооболочки. Указанное свойство существенно облегчает процесс очистки затвердевших отливок от остатков керамики. К тому же подготовка; водного- раствора АБФК проста в осуществлении, не требует больших затрат времени, а сам получаемый раствор экологически безопасен и стабилен?шгсвойствам;во времени.
Для определения оптимальных параметров обработки жидкостекольного слоя закрепителем представлялось необходимым изучить кинетику процессов гелеобразования в системе «слой суспензии - закрепляющий раствор».
Подготовку предлагаемого состава раствора и способ химического-закрепления им слоев жидкостекольного. покрытия; в литье по выплавляемым: моделям осуществляли следующимг образом-. Изготавливались керамические образцы, для чего на выплавляемую- модель из массы MB С-15 наносили этилсиликатное покрытие, а затем;жидкостекольное, состоящее из суспензии на пылевидном кварце ШК-3 (ГОСТ 9077-82) и раствора натриевого жидкого стекла (ГОСТ 13078-81), а. также обсыпочного материала - кварцевого песка марки 2К]О202 (ГОСТ 2138-91). Перемешивали компоненты суспензии лабораторной мешалкой в течении 15...20 минут со скоростью- вращения крыльчатки 3000 об/мин. Вязкость, ЖС суспензии по ВЗ-4 составила 50...60 с.
Одновременно готовили, раствор для химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия для чего воду смешивали с алюмоборфосфатным концентратом, изменяя его содержание от 20 % до 50 %. Для оценки кинетики процесса гелеобразования в системе «слой суспензии на жидком стекле — закрепляющий раствор» использовалась методика, приведенная в п. 2.2. Результаты исследований представлены на рис. 2.19. Как показывают графические зависимости, содержание АБФК в растворе менее 25 мае. % не оказывает существенного влияния на ускорение процесса затвердевания керамической оболочки. Очевидно, что раствор малой концентрации АБФК не обеспечивает эффективного гелеобразования жидкостекольного связующего в суспензии. Концентрация АБФК в растворе выше 40 % также снижает эффективность гелеобразования жидкого стекла и приводит к замедлению процесса отверждения керамического покрытия. Такое явление наблюдается в результате увеличения вязкости закрепляющего раствора и снижения, его проникающей способности, что ухудшает его взаимодействие с жидкостекольным слоем. Таким образом, наименьшее время отверждения суспензии достигается при концентрации АБФК в растворе 30 % и 35 % (кривые 2 и 3). При 35 % АБФК в растворе продолжительность затвердевания обрабатываемого слоя сокращается практически до 60 мин. Следовательно, концентрацию АБФК в закрепляющем растворе, равную 30...35 % следует считать оптимальной.
Для оптимизации технологического процесса были проведены исследования по определению необходимой продолжительности обработки жидкостекольного слоя закрепляющим раствором. Керамические образцы готовились по описанной выше технологии. Параллельно готовились 2 варианта закрепляющего раствора, с концентрацией АБФК: 30 % и 35 %.
На рис. 2.20 и 2.21 представлены графики, характеризующие влияние продолжительности обработки закрепляющим раствором (Т0бР) концентрацией 30 % и 35 % соответственно на зависимость степени затвердевания жидкостекольных слоев от продолжительности затвердевания (т3).
Технология ускоренного изготовления объемных керамических форм на АБФК-связующем
Для изготовления керамических форм с повышенными физико-механическими свойствами и технологическими характеристиками необходимыми для- изготовления отливок по выплавляемым моделям был проведен ряд научных исследований, в ходе которых получен предварительный состав наливной самотвердеющей смеси. Данный состав включил в себя: связующее, порошкообразный отвердитель к нему, мелкодисперсный кварцевый песок и керамзит.
Применение в качестве связующего водного раствора алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) и его отвердителя (периклаза) обеспечивает ускоренный цикл формообразования (20...30-мин) и исключение сушки изготавливаемых форм и стержней вследствие химического затвердевания смеси. При этом АБФК в водной среде подвергается гидролизу с образованием раствора фосфорной кислоты, который взаимодействует с железом на частицах мелкодисперсного кварцевого песка с выделением водорода. Этот процесс, протекающий на границе «связующее - наполнитель», и химическое затвердевание смеси обеспечивают формирование равномерной пористой структуры керамических форм и стержней. На рис. 3.8 приведена структура керамической формы, снятая на электронном растровом микроскопе JEOL JSM 6460LV с волновым анализатором. Как показано на фотографии средний размер пор составляет примерно 500...600 мкм, причем в форме встречаются поры и большего размера - около 2 мм. Один из компонентов наполнителя, керамзит, также является пористым материалом. В целом, такая структура создает условия для повышения трещиноустойчивости и газопроницаемости керамических форм и стержней.
В ходе проведенных экспериментов определяли влияние содержания компонентов в пределах допустимых значений на свойства смеси, и форм. Условия проведения экспериментов представлены в табл. 3.6
Факторы Варьируемые значения Плотность АБФК, г/см3 1,25; 1,3; 1,35; 1,4; 1,45 Количество затворителя, мае. % 20; 25; 30; 35; 40; 45 Количество отвердителя, мае. % 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 Количество керамзита, мае. % 0;3;6;9; 12 Удельная поверхность БіОг, м /г 1100; 1300; 1500; 1700; 2000 В качестве рабочих материалов использовали: кварцевый песок марки ЗК3О2ОЗ (ГОСТ 2138-91) различного помола; керамзитовый песок фракции менее 5 мм (ГОСТ 9757-90); порошок периклазовый плавленый (ТУ 14-8-448 83), АБФК (ТУ 113-08-606-87); воду дистиллированную (ГОСТ 2874-82).
Подготовку смеси для проведения эксперимента осуществляли следующим способом. Готовили затворитель на основе АБФК, для этого смешивали алюмоборфосфатный концентрат с дистиллированной водой до получения водного раствора необходимой плотности. Приготовляли суспензию, для этого отмеряли необходимое количество затворителя и ifW Кгкд у 673pm 681 мгп д vL-аШ ИЙК -Ч 29 к U Nil ш ЯУК взвешивали требуемое количество компонентов для определенного числа керамических форм. Затем взвешивали необходимое количество периклаза -отвердителя будущей суспензии. Вливали затворитель в бачок-мешалку. Всыпали сухую формовочную массу в затворитель и незамедлительно перемешивали ингредиенты при скорости вращения крыльчатки 600...800 об/мин в течение 5...8 мин.
При проведении экспериментов один из факторов (табл. 3.4) изменяли, оставляя остальные неизменными и равными средним значениям диапазона их варьирования, и фиксировали полученные свойства смеси и изготовленных из нее керамических образцов. Показателями для сравнения служили: текучесть и продолжительность затвердевания смеси, прочность при изгибе через 24 часа, газопроницаемость и СОТ образцов.
Прочность образцов при изгибе через 24 часа определяли используя прямоугольные образцы длиной и шириной 5 10"2 и 2-Ю"2 м соответственно.
Текучесть оценивали, используя методику Суттарда, по диаметру растекания суспензии при поднятии стандартной» гильзы с разработанной смесью, с момента затворения которой прошло 480 с [51]. Продолжительность затвердевания суспензии на АБФК фиксировали с помощью иглы Вика [59]. СОТ образцов оценивали, прокаливая формы в стальных обечайках высотой 20 мм и диаметром 100 мм при температуре 900 С в течении 3 часов. После охлаждения образцов до 20 С курвиметром измеряли суммарную протяженность трещин и вычисляли отношение общей длины трещин к площади поверхности образца (м/м ).
Для определения газопроницаемости также изготавливали стандартные керамические образцы высотой и диаметром 50 мм. Измерения1 проводились после прокалки.
Влияние варьируемых параметров из табл. 3.6 на свойства суспензии и форм представлено на рис. 3.9...3.17. Из графиков (рис. 3.9, ЗЛО) видно, что с повышением плотности затворителя прочность образцов возрастает, а
