Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Структура и свойства пористых выплавляемых моделей 22
1.1. Обоснование выбора технологического процесса изготовления пористых выплавляемых моделей прессованием 22
1.2. Обоснование выбора модельных составов для получения пористых выплавляемых моделей прессованием 27
1.3. Технологические особенности изготовления и свойства пористых выплавляемых моделей 31
1.4 Исследование взаимодействия пористых выплавляемых моделей и керамических оболочковых форм 61
1.5. Выводы 64
ГЛАВА 2. Структура и свойства пористых керамиче ских оболочковых форм 65
2.1. Структура и свойства керамических оболочковых форм при использовании минеральных порообразующих порошков 65
2.1.1. Свойства керамических оболочковых форм при использовании минерального порошка в качестве компонента суспензии 65
2.1.2. Свойства керамических оболочковых форм при использовании минерального порошка в качестве обсыпочного материала
2.2. Структура и свойства керамических оболочковых форм при использовании органических порообразующих порошков 88
2.3. Барботажные технологии порообразования в структуре керамических оболочковых форм 2.3.1. Свойства пористых керамических оболочковых форм из суспензий обработанных барботажем 98
2.3.2. Свойства пористых керамических оболочковых форм из суспензий, полученных барботажем 108
2.4. Выводы ПО
ГЛАВА 3. Деформационные процессы в керамических оболочковых формах при изготовлении 112
3.1. Методика тензопзмерений деформационных процессов в керамических оболочковых формах 113
3.2. Деформационные процессы при сушке огнеупорных слоев керамических оболочковых форм 118
3.3. Деформационные процессы в керамических оболочковых формах при выплавлении моделей 124
3.4. Выводы 126
ГЛАВА 4. Влияние конструкции керамических оболочковых форм на гидромеханическое давление при заливке расплавом 128
4.1. Методика определения гидромеханического давления струи расплавленного металла при заливке керамических оболочковых форм 128
4.2. Влияние конструкции зумпфа керамической оболочковой формы на гидродинамическое давление расплава 133
4.2.1. Моделирование заливки керамических оболочковых форм с различными конструкциями литниково-питающих систем 135
4.2.2. Моделирование заливки керамической оболочковой формы с экспериментальной конструкцией литниково-питающей систе мы 141
4.3. Влияние технологических параметров заливки керамических оболочковых форм расплавом на величину гидромеханического давления расплава 144
4.4. Выводы 148
ГЛАВА 5. Напряженно-деформированное состояние керамических оболочковых форм при затвердевании отливок 149
5.1. Инженерная постановка задачи 149
5.2. Математическая постановка задачи
5.2.1. Численная схема решения задачи 152
5.2.2. Алгоритм решения задачи:
5.3. Математическое моделирование заливки керамической оболочковой формы расплавом стали 157
5.4. Выводы 189
ГЛАВА 6. Промышленное опробование и внедрение результатов исследований 190
6.1. Анализ качества пористых выплавляемых моделей в условиях производства 190
6.2. Особенности изготовления и использования пористых керамических оболочковых форм в условиях производства 196
6.3. Анализ качества отливок 213
6.3.1. Качество отливок, получаемых по пористым выплавляемым мо делям 213
6.3.2. Качество отливок, получаемых в пористых оболочковых формах 216
6.4. Технико-экономические показатели использования пористых керамических оболочковых форм 223
6.5. Выводы 226
Обшие выводы 228
Библиографический список
- Обоснование выбора модельных составов для получения пористых выплавляемых моделей прессованием
- Свойства керамических оболочковых форм при использовании минерального порошка в качестве компонента суспензии
- Свойства пористых керамических оболочковых форм из суспензий, полученных барботажем
- Моделирование заливки керамических оболочковых форм с различными конструкциями литниково-питающих систем
Введение к работе
Актуальность работы. С увеличением потребности народного хозяйства в точных отливках возрастает роль специальных способов литья. Анализ тенденций совершенствования технологических процессов получения металлоизделий показывает, что качество металла, точность и чистота поверхности отливок являются основными критериями развития литейного производства.
Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) – один из передовых технологических методов, позволяющий получать отливки по геометрической точности максимально приближенные к готовой детали, не требующие, в некоторых случаях, механической обработки. ЛВМ - многооперационный метод получения отливок, с широким диапазоном используемых материалов, что обусловливает высокую себестоимость продукции и недопустимость брака в ее производстве.
Брак в ЛВМ имеет место в основном на стадиях изготовления выплавляемых моделей (ВМ) и керамических оболочковых форм (КОФ), удаления моделей из КОФ, ее термообработке и заливке и обусловливается деформационными процессами, протекающими вследствие технологических особенностей производства и свойств используемых материалов. Изготовление ВМ и формирование оболочек сопровождается короблением и усадочными процессами, удаление моделей из КОФ - силовым воздействием расширяющегося при нагревании модельного состава (МС) на оболочку, термообработка КОФ – температурными деформациями в структуре последней в связи с неравномерностью ее прогрева и полиморфными превращениями, заливка КОФ – термоударом и гидродинамическим воздействием расплава металла.
Одно из направлений снижения брака, повышения качества и технологических свойств ВМ и КОФ – изменение пористости определенного вида, расположения и геометрических параметров в их структурах. Это позволит управлять деформационными процессами, и напряженно-деформированным состоянием (НДС) в структурах ВМ и КОФ при их изготовлении и применении в технологическом процессе получения отливок.
Деформационные процессы и НДС пористых структур в технологических системах «ВМ – КОФ» и «КОФ – расплав металла» при сложнонагруженном состоянии мало изучены, а их исследование является актуальным.
Работа выполнялась в соответствии с планами АН СССР (1991-1992 гг. п. 1.11.6); РАН (1993-2000 гг. п. 2.6; 2001-2005 гг. п. 2.3.3; 2006-2008 гг. п. 2.3.7; 2009 г. П. 20); по планам НИР УРАН Института машиноведения и металлургии ДВО РАН (1992-2009 гг.); по грантам УРАН ДВО РАН (2005-2008 гг. № 06-III-А-03-073 «Теоретическое и экспериментальное исследование экстремальных условий НДС многокомпонентных пористых систем в ЛВМ», № 05-III-А-03-112 «Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей управления структурой и свойствами многокомпонентных пористых систем в ЛВМ»), по инициативному проекту ДВО РАН (2007-2008 гг. № 21-ИН-07 «Технология повышения трещиностойкости керамических огнеупорных материалов в металлургии»), по государственному контракту № 15-И-60 на выполнение НИОКР для государственных нужд Хабаровского края по разработке «Технология повышения трещиностойкости огнеупорных материалов в металлургии», 2008 г. Ее актуальность определяется необходимостью повышения эффективности производства при снижении себестоимости литой продукции.
Цель работы. Разработка методологии и технологии создания пористости в ВМ и КОФ, а также изучение влияния ее параметров на технологические, эксплуатационные и деформационные свойства систем «ВМ – КОФ» и «КОФ – расплав»
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
разработка принципиально новой технологии получения пористых ВМ из порошковых материалов холодным прессованием, а также изучение закономерностей формирования их физико-механических и технологических свойств;
разработка технологических вариантов изготовления КОФ с пористой структурой, исследование их физико-механических и технологических свойств;
разработка методики и исследование деформационных процессов в структурах пористых и традиционных КОФ на этапах послойного формирования и удаления моделей;
определение влияния пористости ВМ на деформационные процессы пористой и традиционной КОФ при их послойном формировании и выплавлении модельного состава;
исследование динамического воздействия струи расплава на КОФ с разными вариантами пористости структур и конструкции зумпфа стояка, разработка рекомендаций для практического использования;
определение влияния пористости ВМ и КОФ на размерную и геометрическую точность, чистоту поверхности отливок;
оценка технико-экономических показателей использования технологий изготовления пористых ВМ и КОФ в условиях производства.
Научная новизна работы.
Предложен новый подход в технологии изготовления ВМ холодным прессованием порошковых модельных материалов с пористой структурой требуемых параметров, позволяющий управлять их физико-механическими и деформационными свойствами.
Определено влияние технологических режимов изготовления, соотношения исходных порошковых материалов и их фракционного состава на физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства пористых ВМ.
Установлено влияние параметров пористости ВМ на деформационные процессы, формируемых плотных огнеупорных слоев оболочки и, как следствие, на их физико-механические свойства, а также на деформационные процессы в плотных КОФ при выплавлении МС.
Разработаны способы получения пористых структур КОФ и изучено их влияние на деформационные процессы формируемых огнеупорных слоев на пористых и плотных ВМ, а также на деформационные процессы в пористых КОФ при удалении МС.
Определено влияние степени пористости, размера пор, вида пористости (рассредоточенная, либо в виде цепочки пор), расположения пор в структуре на реологические, физико-механические, теплофизические и технологические свойства КОФ.
Физическим моделированием процесса заливки КОФ с разными конструкциями литниково-питающих систем установлены рациональные параметры пористости их структур противостоящие динамическому воздействию струи заливаемого расплава.
Математическим моделированием выявлены особенности НДС КОФ в зависимости от параметров пористости структур при затвердевании расплава; определены рациональные параметры пористости структур КОФ, обладающие наибольшей стойкостью к разрушающему воздействию расплава металла.
Практическая значимость результатов работы.
На основании комплексного подхода к оценке технологических факторов, влияющих на физико-механические и деформационные процессы ВМ и КОФ при изготовлении отливок:
- разработаны технологические процессы: получения пористых ВМ с требуемыми физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами (патенты РФ № 2188736, 2188738, 2188735, 2188737, 2188734, 2203763, 2203764, 2203765, 2190496, 2185920, 2190498, 2185921, 2185922); изготовления пористых КОФ с требуемыми физико-механическими и технологическими свойствами, установки получения пористости в структурах КОФ (Авт. св. СССР № 1414496, 1227312).
Кроме того, повышены качество и размерно-геометрическая точность отливок на 2-4 квалитета при практически полном устранении брака ВМ и КОФ.
Разработанные рекомендации по управлению структурой и свойствами ВМ прошли опытно-промышленные испытания на ОАО «КнААПО им. Ю.А. Гагарина», КОФ – на Павловском ПО МЗ им. С.И. Кадышева.
Внедрение технологий изготовления пористых КОФ в условиях Павловского ПО МЗ им. С.И. Кадышева и Арсеньевского машиностроительного завода «Аскольд» позволило получить реальный экономический эффект.
Достоверность результатов работы обеспечивается использованием при теоретических исследованиях фундаментальных уравнений механики сплошных сред, применением современных методов исследования структуры и свойств материалов, удовлетворительным соответствием теоретических и экспериментальных данных, подтверждением результатами производственных испытаний и внедрением разработанных технологических процессов.
Личный вклад автора. В работе представлены результаты, полученные автором самостоятельно [3, 13, 48, 51, 54-58, 60-64], а также совместно с аспирантами и сотрудниками Института машиноведения и металлургии ДВО РАН, ГОУ ВПО Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета [1, 2, 4-12, 14-47, 49, 50, 52, 53, 59, 65]. Автору принадлежит организация, проведение и постановка задач исследований, планирование и руководство экспериментами, личное участие в них и анализ полученных данных, оформление печатных работ. Автор также принимал непосредственное участие в опытно-промышленном опробовании и внедрении в производство результатов исследований.
Автор выражает искреннюю признательность д.т.н. Г.И. Тимофееву, д.т.н. А.И. Евстигнееву, д.т.н. В.И. Одинокову, д.т.н. В.В. Петрову, к.т.н. С.Г. Жилину, к.т.н. О.Н. Комарову, к.т.н. С.А. Некрасову за помощь и содействие в выполнении работы.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждались на научно-техническом семинаре «Повышение качества и эффективности литья по выплавляемым моделям» (Москва, 1986); Всесоюзной конференции «Механика конструкций из композиционных материалов и проблемы динамических испытаний» (Комсомольск-на-Амуре, 1990); Всероссийских научно-технических конференциях "Материалы и технологии XXI века" и "Новые химические технологии: производство и применение" (Пенза, 2001); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы металлургического производства» (Волгоград, 2002); Международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (Хабаровск, 2002, 2006); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы механики сплошных сред и смежные вопросы технологии машиностроения» (Комсомольск-на-Амуре, 2003, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра», посвященной 90-летию со дня рождения Б.Б. Гуляева (Санкт-Петербург, 2004); Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики», посвященной 70-летию со дня рождения акад. Мясникова (Владивосток, 2006); общем собрании Хабаровского научного центра ДВО РАН (Хабаровск, 2002); IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2009); Всероссйиской конференции «Успехи механики сплошных сред», приуроченной к 70-летию акад. В.А. Левина (Владивосток, 2009); III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 65 работ, в том числе 4 монографии и 27 статей в журналах рекомендованных ВАК РФ. Получены 2 авторских свидетельства СССР, 14 патентов РФ и 1 свидетельство о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы (194 наименований) и приложений. Общий объем работы – 266 стр., в том числе 128 рис. и 26 табл., включенных в текст.
Обоснование выбора модельных составов для получения пористых выплавляемых моделей прессованием
Предложенный Бушуевой Л.Н. способ сушки предусматривает повторение циклов конвективного нагрева КОФ и последующего импульсного ва-куумирования, что повышает их трещиностойкость [70]. Согласно [71] создание пониженного давления при сушке позволяет избежать образования трещин в КОФ.
К недостаткам рассмотренных способов можно отнести их воздействие на физико-механические свойства КОФ при снижении размерной точности из-за коробления модели и возникновения напряжений в структуре.
Проведенным анализом установлено отсутствие методов эффективного понижения НДС формируемых КОФ. Значительное НДС оболочки формируется в процессе прокаливания и заливки металлом, структура которой уже имеет приобретенные на предыдущих этапах формообразования внутренние напряжение или их последствия, т.е. трещины.
Для расчетов НДС и других параметров технологического процесса применяют математические модели, построенные на основе фундаментальных теорий методами математической физики и упрощенные математические модели (или расчетные методики), составленные специально разработанными способами математических описаний того или иного процесса [13, 72-81].
Влиянию температурного фактора на НДС КОФ, определению КТР, непосредственному определению напряжений в КОФ, силовому взаимодействию опорного материала с формой при ЛВМ посвящены работы [64, 82 -89].
Методами понижения брака КОФ являются оптимизация свойств применяемых исходных материалов и строения их структур.
Основными свойствами материалов КОФ, определяющими физико-механические свойства последних на стадиях технологической обработки, являются КТР (а) и модуль упругости (Е) [90, 91]. Поэтому, использование в формировании оболочек материалов с низкими КТР и требуемым модулем упругости может быть решением возникших проблем.
Материалами, обладающими требуемыми свойствами, являются плавленный кварц (аморфный) Si02, электрокорунд а АЬ03, магнезит Mg02 и их соединениями [13, 6, 92]. Использованию этих материалов для изготовления оболочек по выплавляемым моделям, а также в различных соотношениях с другими материалами, уделено значительное внимание и проведены исследования влияния последних па технологические свойства форм [93 - 102]. Однако, их применение сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью, особенно плавленого кварца. Для данных материалов характерен общий недостаток. Последние не исключают растрескивания и отслаивания формируемых огнеупорных слоев при сушке, что значительно повлияло на ограниченность их использования.
Наибольшее рапространение в ЛВМ отечественной промышленности нашел кристаллический кварц [6, 13], наиболее часто встречающийся в природе. Однако, КОФ изготавливаемые на его основе, обладают неудовлетворительной прочностью, трещиностойкостью, термостойкостью.
Для предотвращения этих недостатков и повышения эффективности использования кристаллического кварца было разработано множество технологий изготовления КОФ на его основе. Увеличение относительной толщины КОФ способствует некоторому повышению надежности технологического процесса литья [103 - 105], и может быть достигнуто за счет увеличения количества слоев обсыпки моделей без изменения их структуры, а также использованием более дисперсного обсыпочного материала без изменения количества слоев [106 — 107].
Недостатками метода увеличения количества огнеупорных слоев КОФ является их растрескивание при сушке.
Аналогичные и многие другие недостатки характерны при упрочнении КОФ заливкой жидконаливной самотвердеющей смесью в разъемных опоках [6, 13, 108].
Таким образом, рассмотренные методы повышения качества оболочковых форм не могут быть признаны рациональными.
Требуемого качества КОФ можно достичь повышением собственной прочности связующего, с увеличением количества контактных поверхностей (перемычек) зерен основы на единицу площади поперечного сечения оболочки, а также при уменьшении толщины пленки связующего на зернах [109].
Повышение собственной прочности связующего осуществляется выбором оптимальной рецептуры, режимом и способом проведения гидролиза этилсиликата, а также соблюдением соответствующего режима сушки слоев огнеупорного покрытия [ПО — 119]. Кроме того, на прочность КОФ оказывают влияние параметры термообработки [120].
Увеличение количества контактных поверхностей в единице площади поперечного сечения оболочки можно осуществить увеличением дисперсно сти огнеупорного наполнителя и повышением его количества в суспензии [102,106,109,120-124].
Рассмотренные методы повышения качества КОФ просты в осуществлении и не требуют существенных дополнительных затрат. Однако, прочностные характеристики получаемых оболочек, их трещиностойкость не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Исключение, в данном случае, составляет барботажная технология приготовления эти л силикатных суспензий [116-119]. Эта технология представляется перспективной, но малоизученной.
Повышение технологических свойств КОФ можно достичь пропиткой последних различными упрочняющими составами, которые заполняют капилляры оболочки [97, 125 - 127].
Рассмотренные методы позволяют достигнуть упрочнения КОФ от 20 до 30 %, но не предотвращают потери оболочек при изготовлении.
Для достижения поставленной цели перспективным представляется снижение жесткости керамики за счет уменьшения модуля упругости. При этом, для сохранения надлежащей размерной точности и удовлетворительного состояния поверхности керамики следует иметь структуру оболочки, облицовочный слой которой является жестким, а упрочняющие - пластичными.
В качестве материалов пластификаторов вводимых в структуру КОФ с целью предотвращения их растрескивания при прокаливании и заливке металлом используют различные органические добавки [39, 102, 128 - 133].
Подбором состава материалов и композиций пластификаторов можно варьировать температуру размягчения слоев и их прочность [134 - 136], что позволит предупреждать брак КОФ по трещинам независимо от применяемой технологии.
Широко известным и часто применяемым в практике ЛВМ является способ упрочнения оболочек нанесением жидкостекольных упрочняющих слоев или слоев из суспензии на его основе, химически закрепленных и незакрепленных [137 - 143].
Образование пластичных упрочняющих слоев, а также использование пластификаторов не предотвращают растрескивание огнеупорных слоев при сушке, т.к. пластические свойства последние приобретают при высоких (свыше 600 С) температурах. Это обстоятельство может привести к образованию на поверхности отливок дефектов (гребешков, заусенцев).
Пластичность упрочняющих слоев при высоких температурах является фактором, который не позволяет рассматривать данные методы упрочнения керамики как средство повышения точности отливок.
Свойства керамических оболочковых форм при использовании минерального порошка в качестве компонента суспензии
Установлено, что при увеличении в пористых ВМ ВК 0 2,5 мм характер зависимости плотности от давления прессования является нелинейным, а максимальная плотность моделей достигается при использовании материала связки 0 0,63 мм и 0 1,0 мм.
На конечную плотность пористых ВМ более выраженное влияние имеют плотности исходных компонентов смеси, подвергаемой деформациям, чем усилие прессования этой смеси. Получение более плотных моделей достигается при использовании мелкофракционных порошков МС. Прогнозируемые значения плотности при заданных усилиях прессования достигаются в большей мере при использовании равнофракционных материалов, т.е. таких, в которых размеры водорастворимых частиц и частиц связки равны.
На плотность пористых ВМ, кроме перечисленного, оказывают влияние деформационные процессы проходящие в структуре при прессовании. В зависимости от степени сжатия в связке пористых ВМ возникают упругие деформации, стремящиеся к релаксации при снятии нагружении. Исследование влияния степени сжатия или пористости материала связки ВМ на релаксационное упругое последействие (рис. 1.9) показало закономерную взаимосвязь. Большей степени сжатия при прессовании ВМ, т.е. меньшей пористости материала связки соответствует большее упругое последействие. Аналогичное явление справедливо и для фракции порошка материала связки.
Выше изложенное объясняет полученные ранее закономерности, в частности характер формирования плотности пористых ВМ с ВК крупной (2,5 мм) фракции. Упругое последействие ведет к увеличению объема пористой ВМ после разгрузки, понижая ее плотность
Влияние фракции материала связки на величину упругого последействия обуславливается абсолютной величиной деформации материала, которая компенсируется пористостью и плотностью ее распределения по объему ВМ. При адекватной степени сжатия крупной фракции материала соответствуют большие упругие деформации, чем при мелкой. По всей видимости механизм упругого последействия будет оказывать влияние и на остальные физико-механические свойства пористых ВМ во взаимосвязи с их химическим составом.
Прочность сцепления компонентов используемых ПМС является важным фактором при их разработке. ПМС должны обладать приемлемыми величинами прочности сцепления частиц для того, чтобы соответствовать предъявляемым к ним высоким технологическим требованиям.
Исследование прочности сцепления частиц ПМС проводилось посредством испытания поверхностной прочности цилиндрических образцов, полученных прессованием при давлении 1,6 МПа, истиранием согласно методу описанному в [156].
В данной работе осыпаемость ПМС определялась количеством материала оставшегося на вращающихся барабанных ситах. Причем оставшийся материал (в виде цилиндрических образцов пористых ВМ) должен сохранить свою форму, приданную ему во время приложения давления прессования.
В табл. 1.2 представлены значения осыпаемости используемых в работе пористых ВМ. Экспериментом установлено, что количество осыпавшегося материала (при 15-и минутном вращении барабана) не превышает 0,5 % при испытании пористых ВМ.
Прочность сцепления компонентов ПМС увеличивается при увеличении содержания материала связки, а также использования зерна материала связки равного (или меньшего) размером частиц ВК.
Исключение составляют пористые ВМ с 0 ВК 2,5 мм по ранее установленным обстоятельствам. Таким образом, осыпаемость исследуемых ПМС является удовлетворительной, а изготовленные на их основе пористые ВМ могут быть использованы в технологическом процессе.
Исследованию механических свойств подвергались цилиндрические и 8-образные образцы пористых ВМ, полученные при использовании различных фракций и соотношения компонентов.
Важным является рассмотрение комплексного влияния различных параметров (содержание водорастворимых компонентов, усилий прессования, фракций исходных модельных материалов) на твердость, прочность при сжатии (для цилиндрических образцов) и на разрыв (для 8-образных пористых ВМ) и на изгиб по длине протяженных образцов квадратного сечения.
Исследованием влияния содержания ВК в пористых ВМ и усилий прессования на их поверхностную твердость установлено, что значения твердости в большей степени зависят от равномерности распределения компонентов в их объёме. Измерение поверхностной твердости проводилось игольчатым твердомером типа 2033 ТИР.
На рис. 1.10 представлены зависимости поверхностной твердости пористых ВМ от содержания ВК 0 0,4 мм при различных фракциях воскообразной связки и давления прессования.
По данным графических зависимостей установлено, что при условии равномерного распределения составных компонентов в объеме модели мак симальной твердостью со стороны приложения усилия прессования (т.е. пуансона) обладают те из них, при изготовлении которых использовался порошок модельного состава ПС 50/50 0 0,63 мм, а содержании ВК 0 0,4 мм в образцах составляло 30-40%. Твердость таких образцов составила 70-85 ед. в то время, как твердость моделей с фракцией связки 1,6 мм и 10 - 30% содержанием ВК 0 0,4 мм не превышала этот предел и находилась на уровне 62-64 ед. при давлении прессования 0,4 - 1,2 МПа.
Свойства пористых керамических оболочковых форм из суспензий, полученных барботажем
Применение МП для обсыпки наносимого на блок моделей слоя суспензии реализовало возможность образования пористости на стадии формирования оболочки. Это позволит предотвратить растрескивание огнеупорного покрытия в процессе сушки, являющееся следствием усадочных деформаций, и повысить физико-механические свойства форм.
Использование МП фракции более 4 мм технологически неприемлемо, т.к. наблюдается отрыв гранул материла при сушке огнеупорного слоя обдувом воздухом.
Не рекомендуется использование порообразующего материала для образования первого слоя огнеупорного покрытия, т.к. слой не обладает достаточной жесткостью и прочностью, и может явиться причиной засора и нарушения геометрии отливок. С учетом вышеизложенного проводилось исследование сушки огнеупорных слоев КОФ с МП.
Полученные циклограммы (рис. 2.11) показали повышенную первоначальную влажность слоев, обсыпанных порообразующим материалом. Связано это с уменьшенной массовой долей твердых компонентов исследуемых слоев, т.к. МП имеет меньшую насыпную массу и плотность [187], чем применяемый в традиционном формообразовании кварцевый песок. Имея большую влажность, исследуемые слои высушиваются до приемлемых значений за технологически установленный интервал времени. Большая степень порозности и по ристости МП повышает интенсивность сушки огнеупорного покрытия. При нанесении традиционного огнеупорного слоя на пористый изменение интенсивности высыхания слоя не наблюдается. LH? 50 Рис. 2.10 Зависимость истиной пористости прокаченных четырехсложных КОФ от фракции МП и количества образованных на его основе слоев: 1 - три слоя; 2 -два слоя; 3 - один слой; А - традиционная форма. // і 1 "
Исследование влияния фракционного состава порообразующего материала на процесс сушки КОФ показал, что МП крупной фракции (4 мм) обеспечивает более полное высыхание огнеупорных слоев (рис. 2.11, б). Мелкая фракция МП (0,75 мм), как и кварцевый песок, боле плотно перекрывает слой суспензии, препятствуя удалению влаги посредством меньшей порозности (рис. 2.11, а).
Слои, обсыпанные порообразующим материалом, имеют несколько повышенное влагосодержание до и после окончания цикла сушки, что не оказывает какого-либо отрицательного воздействия на завершение процесса формообразования КОФ.
Фракция порообразующего материала, а также расположение пористости в структуре оказывает влияние на физико-механические свойства невытоплен-ных и непрокаленных КОФ.
Для определения физико-механических свойств КОФ проведен анализ существующих методик определения прочности на сжатие и растяжений [189]. Проведенным анализом установлена неприемлемость существующих методик для определения свойств КОФ с разномодульной структурой. На основании вышеизложенного для определения физико-механических свойств КОФ с пористой структурой, а именно предела прочности на растяжение и сжатие изготавливались образцы в виде цилиндрических оболочек [189]. О 20 і/0 60 SO 100 120 Ш 160 І80 %мим.
Значения предела прочности (рис. 2.12) при статическом изгибе, растяжении и сжатии показывают снижение исследуемых свойств форм с увеличением пористости, т.е. фракции порообразующего материала. При этом, наименьшим снижением прочности обладают образцы с фронтальной пористостью во втором (кривые 7), в третьем (кривые 6) и в четвертом (кривые 3) огнеупор ных слоях. Предпочтительными характеристиками обладают оболочки с 32-37 %-ой степенью пористости второго (кривые 7) и третьего (кривые 6) слоев.
Исследования деформационных процессов при нагружении осуществлялось на трехслойных образцах КОФ с пористостью в промежуточном слое. Изменение пористости производилось фракцией используемого в обсыпке слоев МП. На рис. 2.13 представлена диаграмма растяжения и сжатия КОФ с пористой структурой. Анализ полученных зависимостей а-г определил их закономерный характер распределения значений. Слои полученные обсыпкой крупной фракцией МП образуют более мощный каркас связей плотных слоев, что интенсифицирует сопротивляемость КОФ разрушению на первом этапе с незначительным приращением деформаций. Проявление псевдопластичности характеризует начало тотального разрушения каркаса пористого слоя, после чего наступает упругое (хрупкое) разрушение КОФ в интервале малых деформаций. Мелкая фракция МП формирует каркас тонких межслойных связей, обеспечивающих интенсивное приращение деформаций при малых напряжениях. При этом площадка псевдопластичности или тотального разрушения каркаса имеет незначительные параметры. Таким образом, использование МП мелкой фрак ции обеспечивает более интенсивную релаксацию напряжений в КОФ, возникающих при нагружении. Необходимо отметить, что КОФ с традиционной структурой обладают свойствами плохо выраженной нелинейной упругости (на рис. 2.13 не показано). Фракция порообразующего материала, расположение слоя в структуре оказывают влияние на трещиностойкость невытопленных и непрокаленных КОФ при механическом динамическом и высокотемпературном импульсном воздействиях (таблица 2.3).
Наибольшей трещиностойкостью обладают КОФ, изготовленные при использовании мелкой (0,2; 0,4 мм) фракции порообразующего материала с расположением во внутренних слоях структуры. Механизм остановки трещины в структуре формы мелкодисперсной фронтальной пористостью аналогичен ранее рассмотренному. Образовавшаяся трещина при достижении фронта пористости в дальнейшем ориентирована по нему [170, 179], т.е. проходит по фронту пор, разделяя прилежащие слои, или затупляется (останавливается) порой.
Моделирование заливки керамических оболочковых форм с различными конструкциями литниково-питающих систем
Одной из главных причин зарождения трещин в КОФ является воздействие модельного материала в результате температурного расширения при выплавлении ВМ. Как отмечалось ранее, использование пористый ВМ позволит упразднить распирающее воздействие на оболочку, обеспечит направленное выплавление модельного материала из КОФ.
На рис. 3.17-3.20 представлены результаты тензоизмерений КОФ при выплавлении моделей. Характер возникающих деформаций в первом слое традиционной КОФ при выплавлении ВМ в горячей воде обуславливает резкое снижение деформаций накопленных на стадии формирования оболочки (рис. 3.17). Затем, в результате температурного расширения модели, и как следствие, распирающего воздействия на стенки оболочки, в ней возникает увеличение деформаций, которые снижаются по мере расплавления модельного материала. Кроме того, одновременно с распирающим воздействием модельного материала на стенки оболочки в ней возникают деформации в результате температурного расширения самой оболочки.
Применение пористой КОФ, изготовленной по традиционной ВМ позволило уменьшить деформации, возникающие в результате распирающего воздействия модельного материала на стенки оболочки на 12-15 % (рис. 3.18). Также происходит более плавное возрастание деформаций в слое КОФ по причине меньшей теплопроводности пористой оболочки. Так расплавление ВМ традиционной КОФ начинается на 2-ой минуте, пористой КОФ - на 2,5 минуте выплавления.
Деформации в первом слое тради- Рис 3 20 Деформации в первом слое порис-ционяой КОФ при выплавлении пористой ВМ той КОФ ш фракции 0,63 мм при выплавлении пористой ВМ.
В результате анализа представленных данных изменения деформаций в первом слое КОФ, изготовленной по пористой ВМ (рис. 3.19), и первом слое пористой КОФ, изготовленной по пористой ВМ (рис. 3.20) можно утверждать, что в данных случаях в оболочках возникают деформации только от температурного расширения самой оболочки.
Кроме того, в случае применения пористой КОФ, изготовленной по пористой ВМ происходит замедленное возрастание деформаций из-за меньшей теплопроводности оболочки.
Таким образом, при выплавлении модели наименьшие деформации в первом слое КОФ возникают в случае применения пористой КОФ изготовленной по пористой ВМ. При этом изменение деформаций имеет более сглаженный характер.
Анализируя данные, полученные в ходе проведения исследований напряженного деформированного состояния в слоях КОФ при их сушке и выплавлении модели, была установлена временная зависимость возникающих при этом деформаций.
На рис. 3.21 представлена общая картина возникновения деформаций в первом слое трехслойных КОФ при их сушки и выплавлении модели. Здесь видно, что если скачкооброзное изменение деформаций при сушке КОФ имеет длительный характер (около 1 часа), то на стадии выплавления традиционной КОФ скачок напряжений происходит за очень малый промежуток времени (около 2 минут). При таком характере изменения деформаций в КОФ на стадии выплавления МС повышается возможность трещинообразования в структуре оболочки. Кроме того, при выплавлении ВМ из традиционной КОФ, возникающие максимальные деформации достигают критических значений, в некоторых случаях приводящие к растрескиванию или разрушению КОФ.
1. Проведенными исследованиями выявлен характер деформаций в слоях КОФ при ее сушке и выплавлении модели. При послойном нанесении слоев в них происходит скачкообразное изменение деформаций. Определено, что в момент нанесения второго слоя традиционной КОФ происходит резкое снижение напряженного состояния в первом слое на 75-78 %. При нанесении третьего слоя традиционной КОФ также происходит резкое снижение напряженного состояния в результате смачивания суспензией и составляет: в первом слое - 51 53%; во втором слое - 62-64%. Такой характер возникающего в КОФ НДС провоцирует появление трещин и приводит к нарушению ее целостности.
2. Исследовано влияние пористости КОФ на НДС при сушке. Установлено, что оптимальной является КОФ с промежуточным слоем из МП фракции 0,63 мм. При этом деформации, возникающие в процессе изготовления в структуре трехслойной пористой КОФ ниже на 9-13 % по сравнению с традиционной КОФ.
3. Установлено, что применение пористых ВМ снижает деформации в структуре традиционной трехслойной КОФ при изготовлении на 10-14 % по сравнению с традиционной ВМ, в результате гидрофобности пористых ВМ.
4. Определено, что наибольшее снижение деформаций в оболочке при ее формировании 14-17 % достигается в случае изготовления пористой КОФ по пористой ВМ. Кроме того, изменение деформаций в этом случае происходит более плавно.
5. Установлено, что на стадии выплавления модельной композиции при погружении КОФ в горячую воду деформации, возникшие при сушке КОФ, снижаются на 30-34 %.
6. Определено, что при выплавлении модели происходит резкое увеличение деформаций в КОФ в результате температурного расширения модельного материала и, как следствие, ее распирающего действия на стенки оболочки. Причем, в некоторых случаях, возникающие при этом максимальные деформации достигают критических значений, при которых КОФ растрескиваются или разрушаются.
7. Выявлено, что в пористой КОФ, изготовленной по традиционной ВМ, деформации от распирающего действия модельного материала на стенки оболочки на 12-15 % меньше, чем в традиционной КОФ, изготовленной по традиционной ВМ.
8. Установлено, что при выплавлении ВМ традиционной КОФ и пористой КОФ резкого увеличения деформаций в оболочке не происходит, что свидетельствует об отсутствии в данном случае распирающего действия модельного материала на стенки оболочки.
9. Определено, что в случае применения пористой КОФ, изготовленной по пористой ВМ характер изменения деформаций при выплавлении модельного материала более сглаженный, в том числе и по причине меньшей теплопроводности оболочки.
