Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 9
1.1 Обзор существующих технологий ЛВМ 9
1.1.1 Литье цветных и черных сплавов в оболочковые формы 13
1.1.2 Литье тугоплавких и жаропрочных сплавов 16
1.1.3 Литье по выплавляемым моделям в объемные формы 20
1.2 Цель и задачи исследования 24
STRONG 2 Термостойкие оболочковые формы на основе тридимита 26
STRONG 2.1 Исследование кремнеземистых наполнителей применяемых в ЛВМ. 26
2.2 Разработка технологии изготовления оболочковых форм 36
2.3 Оценка термостойкости формооболочек 43
Выводы 60
3 Выщелачиваемые керамические стержни для литья лопаток газотурбинных двигателей 62
3.1 Закономерности формирования прочности в системе Si02-Al203 64
3.2 Разработка технологии изготовления керамических стержней на основе тридимита .. 71
3.3 Оценка термохимической устойчивости стержней и их удаляемости из отливки 81
Выводы 100
4 Наливные смеси для литья по выплавляемым моделям на кристаллогидратных связующих 102
4.1 Формовочные смеси для ЛВМ жаропрочных сталей на глинозёмистом цементе 107
4.2 Разработка состава наливной самотвердеющей смеси на портландцементном связующем 114
4.3 Свойства формовочных смесей на портландцементном связующем 136
Выводы 143
5 Опытно промышленные испытания разработанных технологий 149
5.1 Отработка оптимального состава огнеупорной суспензии на тридимитном наполнителе и параметров изготовления керамических форм. 149
5.2 Промышленные испытания технологии изготовления динасо-корундовых стержней для литья жаропрочных сплавов 152
5.3 Промышленные испытания и освоение технологии изготовления форм для ЛВМ на цементном связующем 156
5.3 Технико-экономические показатели эффективности разработанных технологий 171
Основные выводы 174
Литература 177
Приложения 187
- Литье тугоплавких и жаропрочных сплавов
- Разработка технологии изготовления оболочковых форм
- Разработка технологии изготовления керамических стержней на основе тридимита
- Разработка состава наливной самотвердеющей смеси на портландцементном связующем
Введение к работе
На всем протяжении существования литейного производства точное литье
служило неким критерием уровня его технологического развития, и было флаг-
& маном на пути совершенствования различных способов получения отливок. По-
явление новых технологий в производстве точного литья влекло за собой совершенствование других отраслей литейного производства. Именно к получению отливки максимально приближенной по конфигурации к конечному изделию стремился и стремится каждый литейщик.
Именно поэтому, широкое распространение получил способ литья по вы-
v плавляемым моделям (ЛВМ) на этилсиликатном связующем (ЭТС), как один из
методов получения высококачественных точных отливок. Этим методом полу-
чают огромное количество промышленных, художественных и ювелирных изде-
лий. Применение данного способа неизбежно при изготовлении сложных тонко
стенных отливок, например, лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) или
ажурных изделий в художественном литье. Несмотря на достаточно большое
, разнообразие типов форм для ЛВМ и областей его применения, основными фак-
торами, которые влияют на качество получаемых отливок, остаются свойства применяемых наполнителя и связующего формовочных и стержневых смесей.
Поэтому, видится перспективным дальнейшее совершенствование метода
литья по выплавляемым моделям именно в русле изучения свойств и поиска но
вых, обладающих лучшими характеристиками, материалов наполнителя и свя-
зующего форм и стержней, что позволит дополнительно улучшить качество и
<в> точность получаемых отливок, снизить производственный брак, уменьшить за-
траты на производство и обработку, тем самым снизить себестоимость литья, что, как известно, является одним из важнейших фактором для производства.
В связи с этим, настоящая диссертационная работа имела целью изучить
физико-химические свойства применяемых в ЛВМ наполнителей и связующих
формовочных и стержневых смесей, выявить их минусы и недостатки, рассмот-
,~ реть возможность замены на другие более качественные материала и разрабо-
тать, с учетом проведенных исследований, новые прогрессивные технологии изготовления точных отливок из сплавов цветных и черных металлов. На защиту выносятся следующие основные положения:
результаты анализа базовых технологий изготовления форм и стержней в точном литье методом ЛВМ в оболочковые и объемные наливные формы;
технологии изготовления оболочковых керамических форм на ЭТС и ди-насовом наполнителе в фазе тридимита, а также выщелачиваемых динасо-корундовых спекаемых стержней для ЛВМ различных сплавов, в том числе жаропрочных на основе никеля;
результаты исследований прочности, термостойкости, температурного коэффициента линейного расширения оболочковых форм разработанного состава;
данные дилатометрического, дериватографического, дифрактометрическо-го анализов керамических динасо-корундовых стержней, зависимости их прочностных характеристик от состава и температуры спекания, выявленные закономерности процесса выщелачивания стержней разработанного состава из отливок;
результаты дилатометрических и дериватографических анализов поведения кремнеземистых наполнителей и кристаллогидратных связующих форм при нагреве;
технологические процессы изготовления объемных наливных форм для ЛВМ с применением глиноземистого цемента в качестве связующего и диспергированного динаса в качестве наполнителя, а также с портландце-ментным связующим и молотым кварцевым песком для производства отливок из черных и цветных сплавов;
закономерности влияния нитрата алюминия на скорость схватывания и другие технологические свойства формовочной смеси на портландцемент-ном связующем;
результаты дериватографических, дилатометрических, микроструктурных исследований разработанных смесей на цементных связующих, рациона-
лизация прокалки изготовленных из них форм и стержней в литье по вы
плавляемым моделям;
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка ли-
Ф тературы и приложений.
В первой главе показано современное состояние производства литья по выплавляемым моделям, рассмотрены особенности изготовления форм и стержней для получения методом ЛВМ отливок из черных и цветных сплавов. Произведен анализ и выявлен ряд недостатков технологий изготовления форм и стержней.
"2
Во второй главе проведен анализ применяемых огнеупорных дисперсных
материалов для изготовления оболочковых форм на ЭТС, отражены сущест
вующие недостатки используемых в современном производстве наполнителей,
-. которые подтверждены теоретическими и экспериментальными данными. Пред-
"*
ложено использовать в качестве наполнителя диоксид кремния в фазе тридими-та, получаемый помолом динасового огнеупора. В ходе проведенных исследований разработана новая смесь для изготовления формооболочек, изучены ее технологические свойства и физико-механические свойства форм, произведено их сравнение со свойствами смесей применяемых в промышленности, выявлены и подтверждены преимущества разработанного состава. Произведена оценка целесообразности использования новой смеси в технологическом процессе получения точных отливок из сплавов цветных и черных металлов.
В третьей главе рассмотрено изготовление спекаемых негазотворных стерж-
() ней для производства отливок ЛВМ из жаропрочных сплавов, в том числе и ме-
>
(:
тодом направленной кристаллизации. Выявлены недостатки существующей технологии и предложен новый состав наполнителя, состоящий из смеси молотого динаса и мелкодисперсного электрокорунда. Разработана технология производства выщелачиваемых динасо-корундовых стержней, позволяющая получать качественные отливки с протяженными узкими полостями из жаропрочных сплавов. Всесторонне исследованы свойства, как стержневой смеси, так и получаемых из нее стержней, доказана возможность удаления их из полости отливки
'
в кипящих растворах щелочей, выявлены закономерности этого процесса и получено его математическое описание.
В четвертой главе выявлены недостатки гипсового связующего, применяемого в технологическом процессе ЛВМ в объемные наливные формы, доказана невозможность его применения для литья черных сплавов. Предложено использовать другое кристаллогидратное связующее - цемент. С точки зрения возможности использования цемента в литейном производстве, изучен процесс его гидратации и влияние на гидратацию различных веществ, а также поведение цемента при нагреве. Найдена технологическая добавка, ускоряющая схватывание формовочной смеси на портландцементном связующем до необходимого уровня, выявлено ее влияние на процесс гидратации и свойства новой смеси. Разработаны технологии изготовления наливных самотвердеющих форм для ЛВМ с использованием в качестве связующих глиноземистого цемента и портландцемента. Изучены свойства новых формовочных смесей, поведение их при нагреве, оценена возможность промышленного использования.
В пятой главе приведены результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения разработанных технологических процессов точного формообразования в производстве отливок из черных и цветных сплавов. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения на ЗАО «Уральская бронза» технологии производства отливок в наливные формы на цементном связующем составил -1,2 млн. руб. (в ценах апреля 2005 г.).
Работа выполнена на кафедре «Литейное производство» Южно-Уральского государственного университета.
Значительная часть изложенного в диссертации материала публиковалась в открытой печати (14 статей), а также докладывалась на различных научно-технических конференциях. На разработанный состав наливной самотвердеющей смеси на портландцементном связующем получен патент РФ № 2252103.
Часть разделов работы выполнена при поддержке гранта Министерства образования и науки РФ и Правительства Челябинской области (2004 г.).
Диссертация содержит 135 страниц машинописного текста, 19 таблиц, 51 рисунок, список литературы, включающий 119 наименования, 2 приложения.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору технических наук, профессору Кулакову Б.А., научному консультанту кандидату технических наук, доценту Дубровину В.К., за помощь в постановке и проведении работы, за ценные научные консультации, за активное участие в теоретическом обосновании и обсуждении полученных результатов.
Литье тугоплавких и жаропрочных сплавов
Наиболее приемлемым процессом получения отливок из тугоплавких и жаропрочных сплавов является ЛВМ в этилсиликатные формы с использованием стержней, полученных методом твердофазного спекания.
Этот метод позволяет получать отливки сложной конструкции с необходимыми служебными характеристиками, обладающие высоким классом точности и чистотой поверхности [30]. Лопатки с равноосной кристаллической структурой изготавливают в печах периодического действия типа УППФ-3, где нагретые до 900...950 С керамические формооболочки заливают сплавом в вакууме 1,3 Па при температуре 1550...1600 С. Для индукционной плавки в этих печах используют корундовые и корундо-муллитные тигли.
Производство лопаток газотурбинных двигателей методом направленной кристаллизации является наиболее перспективным технологическим процессом, т.к. повышение эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов за счет усложнения системы легирования приближается к пределу [31-33]. Направленная кристаллизация позволяет на 20...30 % повысить средний уровень длительной и кратковременной прочности, на 200 % пластичность, на 50...60 С рабочую температуру эксплуатации металла.
Ресурс турбинных лопаток направленной кристаллизации увеличивается более чем в два раза, а расход воздуха на охлаждение может быть снижен на 28...30 % с соответствующей экономией топлива [31-33]. Направленную кристаллизацию применяют с целью устранения поперечных границ зерен, перпендикулярных к оси главных напряжений, по которым происходит возникновение микротрещин [33]. Свою ориентацию направленно-кристаллизованные материалы приобретают в процессе прохождения фронта кристаллизации через зону градиента температур [34-37].
В настоящее время литье лопаток направленной кристаллизацией осуществляется двумя путями. В установках с вертикальной камерой кристаллизации типа УВНК-1 (высокоскоростная направленная кристаллизация) керамическая формооболочка с расплавленным металлом постепенно погружается в жидкий металлический теплоноситель (расплав алюминия), в результате чего обеспечивается направленный отвод тепла и столбчатый рост кристаллов [37, 38].
По второму способу направленная кристаллизация производится в печах проходного типа ПМП-2, ПМП-4 при непрерывном перемещении форм через восходящий тепловой фронт [7]. Керамическая оболочка, заформованная в графитовую опоку опорным наполнителем графитовой крошкой, с помещенной в нее мерной шихтовой заготовкой сплава последовательно проходит цикл нагрева до 1500...1560 С, плавления металла и последующей кристаллизации отливки. Форма и стержень находятся в контакте с расплавленным металлом в течение нескольких часов в вакууме 1,3 Па. Рабочая температура обеспечивается ниє нескольких часов в вакууме 1,3 Па. Рабочая температура обеспечивается графитовыми нагревателями переменной длины, создающими необходимую кривизну восходящего теплового фронта. Печь работает непрерывно, замкнутым автоматическим циклом по заданной программе.
По производительности одна печь ПМП-2 заменяет 5...10 печей полунепрерывного действия с вертикальной камерой кристаллизации.
Большое значение при получении турбинных и направляющих охлаждаемых лопаток имеет качество керамических стержней, оформляющих их сложную внутреннюю полость (циклонно-вихревые, петлевые и т.д.).
Основными характеристиками при производстве керамических стержней являются качество поверхности стержня, его прочность, термостойкость и уда-ляемость из отливки, а также физико-химическая активность стержня по отношению к заливаемому металлу. Для изготовления стержней используют огнеупорные наполнители - полудисперсные порошки оксидов кремния, алюминия, циркония, а также циркона и карборунда [3, 39]. В качестве спекающих добавок вводят дисперсные порошки алюминия, оксидов титана, кальция.
Основным способом изготовления таких стержней является твердофазное спекание предварительно сформированных с легкоплавким пластификатором огнеупорного наполнителя и спекающих добавок [40-44].
Анализ существующих технологий изготовления керамических стержней на основе корунда методом твердофазного спекания показал, что после высокотемпературного обжига (1350...1400 С), имея достаточную прочность и хорошую поверхность, данный стержень трудно удаляется из отливки. Удаление таких стержней из лопаток с развитыми, замкнутыми внутренними каналами возможно только в бифториде калия, что является весьма экологически вредным и опасным элементом технологического цикла.
Известны также керамические стержни [45, 16] на основе плавленного непрозрачного стекла. Однако, при их прокалке в диапазоне температур 1100... 1300 С происходит превращение аморфного кварца в кристобалит, что снижает их термостойкость, приводит к образованию трещин и к изменению геометрических размеров. Поэтому, данные стержни также затруднительно ис пользовать в условиях направленной кристаллизации отливок. Известен состав керамических стержней, включающий пылевидный кварц и электрокорунд в различных соотношениях [44]. Данное технологическое ре шение обеспечивает удаление керамических стержней методом выщелачивания, являющимся менее трудоемким и экологически более безопасным, чем растворение стержней в бифториде калия или других агрессивных средах, а также их механическое удаление. Вместе с тем такие смеси имеют недостаточный уровень прочности и геометрической точности стержней.
Для улучшения удаляемости керамического стержня из отливки и сохра-нения необходимой прочности стержня в работе [47], была предложена керами-ческая смесь, содержащая пылевидный кварц, микропорошки электрокорунда с использованием в качестве спекающих добавок алюминиевого порошка АСД-4 и шамотного возгона. Стержни такого состава также удаляются выщелачиванием, а не растворением в бифториде калия. Данное технологическое решение обеспечивает лишь минимально необходимую прочность стержней, а в диапазо не температур 550...600 С происходит превращение р-кварца в его а модификацию с увеличением объема, что приводит к повышенному короблению и трещинообразованию в стержнях при их спекании и заливке металла, а в конечном итоге к браку отливок.
Разработка технологии изготовления оболочковых форм
В качестве огнеупорного наполнителя суспензии и материала обсыпки были опробованы порошки электродинаса различной зернистости. В качестве связующего при изготовлении форм использовался спиртовой раствор гидроли-зованного этилсиликата ЭТС-40 с условным содержанием Si02 16... 18 % масс.
Суспензия готовилась раздельным способом, для нейтрализации металлического железа, получающегося в динасе в результате помола металлическими шарами, в нее добавлялась серная кислота. Обсыпка проводилась в свободно падающей струе зернистого материала, состав наполнителя приведен в таблице 2.1. Зависимость вязкости суспензии от соотношения жидкой и твердой фаз приведена на рисунке 2.6. А рекомендуемая вязкость суспензии, соотношение связующего и наполнителя, обеспечивающего данное значение вязкости, а также средний размер зерна обсыпочного материала для различных слоев покрытия приведены в таблице 2.2.
Сушка слоев проводилась в вакуумно-аммиачной камере. Модели удалялись горячим воздухом. Обжиг образцов осуществлялся в муфельной печи при температуре 900...950 С в течение 3-х часов. Для сравнения аналогичным способом были изготовлены формы с пылевидным кварцем в качестве наполнителя суспензии и кварцевым песком в качестве обсыпки, а также формы на основе кристобалита.
Для кварцевых образцов наполнителем огнеупорной суспензии служил пылевидный кварц марки А, а присыпкой кварцевый песок ЗК3О2ОЗ. Вязкость суспензии для 1-го слоя покрытия па вискозиметру ВЗ-4 составляла 60...65 с, для остальных 40...45 с.
Так как связующее у всех образцов было одинаковым - гидролизованный раствор этилсиликата, то формирование прочности сырых образцов проходило # по одному и тому же механизму независимо от типа наполнителя. Золь кремнезема обладает хорошими адгезионными и вяжущими свойст-вами по отношению ко всем дисперсным порошкообразным оксидам кремния. Получающийся при термообработке гель Si02 обладает большой реакционной способностью к спеканию.
Огнеупорный наполнитель играет важную роль в процессе прокалки фор-мооболочек, когда из керамики удаляются остатки модельного состава и летучие составляющие связующего.
Для изготовленных форм был проведен ряд исследований. Дилатометрию формовочных смесей проводили на дилатометре «PAULIK» (Венгрия). Для этого образцы диаметром 5 мм и высотой 30 мм нагревали на воздухе со скоростью 10 С/мин, регистрировали со временем т в зависимости от температуры Т (кривая Т) расширение (кривая TL), скорость изменения линейных размеров и рассчитывали относительное изменение размеров образцов в % при нагреве. Точность измерений составляла +0,1%. По полученным дилатометрическим кривым рассчитывали коэффициент термического линейного расширения КТЛР.
Прочность форм при статическом изгибе а определяли по стандартной методике на пятислойных образцах. Дилатометрические кривые нагрева образцов представлены на рисунках 2.7, 2.8, 2.9, а результаты испытаний образцов на динасе, пылевидном кварце и кристобалите - в таблице 2.3. КТЛР форм на кристобалите имеет максимальное значение, минимальное - в образце на динасе.
При относительно небольшом различии КТЛР форм на пылевидном кварце и динасе последние имеют важное преимущество: превращения в тридимите происходят в интервале температур 140...200 С, когда формооболочка пропитана модельным составом, который придает керамике некоторую «эластичность» и релаксирует возникающие при нагреве напряжения. Этим можно объяснить повышение прочности динасовых форм после обжига.
Следует отметить более высокую технологичность суспензии на динасо-вом наполнителе вследствие полифракционности зернового состава наполнителя. Таким образом, проведенные исследования доказывают, что применение в качестве наполнителя оболочковых форм тридимитизированного динаса позволяет улучшить КТЛР форм, изменить характер их расширения при нагреве и увеличить прочность, что в итоге положительно скажется на качестве получаемых отливок.
Разработка технологии изготовления керамических стержней на основе тридимита
Для экспериментального изучения процесса получения динасо-корундовых стержней был проведен ряд исследований, в ходе которых изготовлялись опытные образцы на данном наполнителе и подвергались различным испытаниям. Для сравнения в ряде случаев также изготовлялись стержни на других наполнителях.
Подготовку смеси для изготовления литейных керамических стержней осуществляют следующим образом: динас дробят на щековых дробилках, размалывают на шаровых мельницах, просеивают через набор сит для разделения по фракциям. Оптимальный фракционный состав порошка динаса следующий: до 50 мкм - 10...30 масс. %; 50-60 мкм - 40 ..60 масс. %; 63-100 мкм - 10-40 масс. %. Рекомендуемый фракционный состав порошков электрокорунда следующий: Расчетные количества порошка динаса, ПВЦЭ, электрокорунда загружают в конвертор и перемешивают в течение 1,0...1,5 часа. Затем загружают расчетное количество пластификатора ГТП - 10 или ПП - 5, конвертор нагревают до 130... 150 С, перемешивают стержневую смесь при данной температуре в течении 2-3 часов до однородной массы, которую затем разливают в противни и используют для изготовления стержней.
Прочность полученных керамических образцов на изгиб определялась по стандартной методике, описание которой дано в разделе 2.1. Образцы размером 5x20x50 мм получали на ручном прессе из приготовленной керамической массы под давлением 2 атм., прокалка проходила в печи Таммана. Время обжига составляло 3.. .4 часа.
Для сравнения были изготовлены образцы, где, при прочих равных условиях, в качестве кремнеземистой составляющей использовался пылевидный кварц.
На графиках рисунков 3.2 и 3.3 приведены зависимости прочности стержней от температуры их прокалки. При увеличении температуры спекания возрастает прочность стержней. Так при спекании в интервале температур 1290..1310 С прочность керамических кварце-корундовых образцов составляла 5,8...6,5 МПа, что намного ниже прочности динасо-корундовых стержней спеченных при такой же температуре. Из рисунка 3.2 видно, что для динасо-корундовых стержней температура спекания 1300 С является оптимальной, при которой достигается достаточная прочность стержней. Снижение температуры спекания позволяет снизить расход электроэнергии и предотвратить процесс муллитизации смесей, исключающий возможность их дальнейшего удаления из отливки.
Также было изучено влияние соотношения динас-корунд на прочность керамики, на рисунке 3.4 приведены зависимости для температур спекания 1250 и 1300 С.
Для сравнения температурных коэффициентов линейного расширения опытных и серийных керамических стержней были проведены исследования на дилатометре PAULIK в интервале температур 20...1000 С по методике описанной в разделе 2.1. На рисунке 3.5 представлены дилатометрические кривые нагрева стержня, огнеупорный наполнитель которого содержит 35% электрокорунда и 65 % молотого динаса от температуры спекания. ТКЛР стержня в интервале температур 20...1000 С равен 5,2-10"6 1/С. В таблице 3.4 приведены КТЛР для стержней других составов.
Таким образом, КТЛР динасо-корундовых стержней ниже, чем у кварцево-корундовых, что благоприятно сказывается на точности получаемых отливок. Результаты проведенного рентгенофазового анализа стержня предложенного состава, прокаленного при ...1310 С (рисунок 3.6) показали о возможности удаления его в растворах щелочей. Повышение температуры прокалки выше 1600 С приводит к образованию муллита из основных наполнителей динаса и корунда (рисунок 3.7), который в свою очередь, полностью препятствует выщелачиванию керамического стержня.
Рентгенофазовый анализ стержней проводили на дифрактометре "ДРОН-4". Пробы для проведения качественного рентгенофазового анализа готовились по методике работ [79]. Дифрактограммы были получены для Ка - составляющей и медном излучении. Идентификацию дифрактограмм осуществляли в соответствии с данными работ [79, 80].
Дериватограммы нагрева смесей электрокорунд - динас различного фракционного состава представлены на рисунке 3.8, как видно из графиков превращения, протекающие при прокалке стержня, не зависят от размера частиц огнеупорного наполнителя. Кроме как при удалении химически связанной влаги при наблюдается.
Дериватографический анализ стержневых смесей проводили на деривато-графе системы «PAULIK» (Венгрия). Для этого навеску определенной массы (1,0...1,5 г) смеси огнеупорных материалов, насыпанную в корундовый тигель, нагревали на воздухе со скоростью 10 С/мин и регистрировали со временем х в зависимости от температуры Т: массу m (кривая TG), скорость изменения массы dm/dx (кривая DTG) образцов и изменение теплосодержания (кривая DTA), характеризующее протекание в смеси химических превращений, а также рассчитывали относительное изменение массы образцов в % при нагреве. Точность измерений составляла ±0,1%.
При разработке состава и технологии изготовления стержней следует учитывать, что условия работы керамического стержня и формы существенно отличаются друг от друга. Если залитая форма постоянно находится в условиях динамического вакуума, то на стержень после заливки действует только металл о-статическое давление, которое полностью блокирует воздействие на него вакуума. Поэтому из-за высокого внешнего давления процессы инконгруэнтного испарения оксидов стержня подавляются. Взаимодействие в системе металл-стержень может протекать только в результате прямого взаимодействия компонентов сплава с оксидами стержня. В связи с разработкой керамических стержней на кварцевой основе для получения отливок лопаток из сплавов типа ЖСЗО-ВИ, ЖС-32 (таблица 3.5) и т. д. методом направленной кристаллизации в печах ПМП-2 целесообразно было термодинамически оценить возможность насыщения сплава кремнием за счет взаимодействия алюминия сплава с кремнеземом стержня [47]. Коэффициент активности компонентов в сплаве ЖС30-ВИ определяли через известные параметры взаимодействия е в никеле. Влияние температуры на параметры взаимодействия оценивали по зависимости
Коэффициент активности для алюминия с учетом еА( = 348/Т- 0,054, еА] = 84,2/Т, еА\ = взаимодействия других компонентов сплава отсутствуют расчетные и экспериментальные данные. Результаты расчетов представлены в таблице 3.6.
Таким образом, в системе металл-стержень, то есть в условиях, когда вакуум на данную систему не оказывает влияния и инконгруэнтного испарения не происходит, во всем исследуемом интервале температур насыщение жаропрочного сплава кремнием термодинамически маловероятно, ибо равновесные концентрации кремния в сплаве по рассмотренной реакции очень малы и не имеют практического интереса. Отсутствие насыщения сплава кремнием подтверждается и экспериментальным путем. Исследование на микроанализаторе РЭМ-100У отливок лопаток из сплава ЖСЗОУ-ВИ, полученных в печах направленной кристаллизации ПМП-2, показало отсутствие насыщения поверхности отливок кремнием со стороны стержня.
Разработка состава наливной самотвердеющей смеси на портландцементном связующем
Существует множество других видов цемента, самым распространенным из которых является портландцемент марки ПЦ-400-Д0 ГОСТ 10178 - 85, который широко используется в строительстве.
Портландцемент получается при нагревании извести и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры 1450 С. Происходит частичное плавление, и образуются гранулы клинкера. Для получения цемента клинкер перемешивают с несколькими процентами гипса и тонко перемалывают. Гипс управляет скоростью схватывания; его можно частично заменить другими формами сульфата кальция. Некоторые технические условия разрешают добавлять другие материалы при помоле. Типичный клинкер имеет примерный состав 67% СаО, 22% Si02, 5% А1203 , 3% Fe203 и 3% других компонентов и обычно содержит четыре главные фазы, называемые алит, белит, алюминатная фаза и ферритная фаза. В клинкере обычно присутствуют в небольших количествах и несколько других фаз, таких как щелочные сульфаты и оксид кальция.
Алит является наиболее важной составляющей всех обычных портландце-ментных клинкеров; содержание его составляет 50...70%). Это трехкальциевый силикат CaaSiOs, состав и структура которого модифицированы за счет размещения в решетке инородных ионов, особенно Mg2+, А13+ и Fe3+. Алит относительно быстро реагирует с водой и в нормальных портландцементах из всех фаз играет наиболее важную роль в развитии прочности; для 28-суточной прочности вклад этой фазы особенно важен.
Содержание белита для нормальных портландцементных клинкеров составляет 15...30%). Это двукальциевый силикат Ca2Si04, модифицированный введением в структуру инородных ионов и обычно полностью или большей частью присутствующий в виде р-модификации. Белит медленно реагирует с водой, таким образом слабо влияя на прочность в течение первых 28 суток, но существенно увеличивает прочность в более поздние сроки.
Содержание алюминатной фазы составляет 5...10% для большинства нормальных портландцементных клинкеров. Это трехкальциевый алюминат Са3А12Об, существенно измененный по составу, а иногда и по структуре, за счет инородных ионов, особенно Si4+, Fe3+, Na+ и К+. Алюминатная фаза быстро реагирует с водой и может вызвать нежелательно быстрое схватывание, если не добавлен контролирующий схватывание агент, обычно гипс.
Ферритная фаза составляет 5-15% обычного портландцементного клинкера. Это - четырехкальциевый алюмоферрит Ca2AlFe05, состав которого значительно меняется при изменении отношения AI/Fe и размещении в структуре инородных ионов. Скорость, с которой ферритная фаза реагирует с водой, может несколько варьировать из-за различий в составе или других характеристиках, но, как правило, она высока в начальный период и является промежуточной между скоростями для алита и белита в поздние сроки [109]. В ходе экспериментов получены формы, в которых произведена полная замена гипсового связующего на цементное, при этом пропорциональная зависимость связующее/наполнитель/затворитель была сохранена, то есть использовалась смесь следующего состава: Подготовку смеси осуществляли аналогичным образом, что и смеси на глиноземистом цементе. Параллельно для получения сравнительных данных осуществляли приготовление смеси на гипсовом связующем. Так как технологический процесс с применением этих смесей уже достаточно хорошо изучен и отработан, то их характеристики можно считать ориентиром для смесей на цементном связующем. При этом показателями для сравнения служили текучесть, продолжительность затвердевания суспензии, седиментация затворителя, прочность при сжатии, осыпаемость форм. Текучесть оценивали, используя методику Суттарда, по диаметру растекания суспензии при поднятии стандартной гильзы с гипсовой смесью, с момента затворения которой прошло 480 с [110]. Продолжительность затвердевания суспензии фиксировали с помощью иглы Вика [111]. Осыпаемость форм проверяли на стандартных образцах высотой и диаметром 50 мм по ГОСТ 23409.9 - 78.
Седиментацию жидкоподвижной смеси оценивали по ГОСТ 80772-78.
Прочность на сжатие определяли по стандартной методике для образцов форм в возрасте 1-их, 2-х, 3-х суток. Также фиксировалась прочность образцов после их прокалки, температурный режим которой представлен на рисунке 4.6.
Трещиноустойчивость оценивали, прокаливая формовочную смесь в стальных обечайках высотой 20 мм и диаметром 100 мм. Для того чтобы создать дополнительные центры напряжений в формовочной смеси и максимально приблизить эксперимент к реальности в обечайку заформовывали выплавляемую модель в виде звездочки. Фотографии гипсовой формы для изготовления модели и сама модель приведены на рисунке 4.7,а, а готовая обечайка на рисунке 4.7,6. После охлаждения образцов формовочной смеси до 20 С курвиметром измеряли суммарную протяженность трещин и вычисляли отношение площади поверхности образца к общей длине трещин (м2/мм).
Затем было произведено сравнение величин этих параметров с величинами необходимыми по технологическому процессу. Полученные данные приведены в таблице 4.1. Из таблицы видно, что простая замена гипсового связующего на порт-ландцементное, как и в случае с глиноземистым цементом, не дает положительных результатов. Загустевание формовочной суспензии идет длительное время (более 3-х часов) и сопровождается ее седиментацией. Изготовленные из такой смеси цементные формы обладают неравномерными физико-механических свойствами, повышенной осыпаемостью, что, в конечном итоге, приводит к трещинообразованию при прокалке форм и низкому качеству поверхности отливок. Одновременно с этим формы на цементном связующем после заливки и затвердевания металла обладают большой остаточной прочностью, что делает выбивку из них отливок практически невозможной. Поэтому, были проведены теоретические исследования и на их основании проверен ряд добавок, которые могли бы положительно сказаться на технологических свойствах формовочной смеси на основе цемента, в особой степени на сокращении сроков схватывания суспензии с целью предотвращения седиментационных процессов.
Так как портландцемент является материалом, использующимся в основном в строительстве, то широко применяются различные добавки именно для регулирования его строительно-технических свойств. Так, добавки-ускорители схватывания и твердения сухих смесей на основе портландцемента чаще всего представляют собой неорганические соли, соли органических кислот или продукты на их основе. Общей тенденцией в настоящее время является применение веществ и соединений, не содержащих вредных веществ, в том числе не вызывающих коррозию оборудования или арматуры, а также ограничение в ряде случаев применения щелочных соединений, обычно снижающих марочную прочность цементных растворов (бетонов).
Было изучено действие широкого спектра добавок, которые применяются в строительстве для ускорения схватывания цементных растворов (так называемых тест), на время начала и конца схватывание формовочных смесей на цементном связующем. Исследования проводились с целью оценки возможности применения добавок в литейном производстве.
