автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Формирование прочности стержневых смесей, отверждаемых в нагреваемой оснастке, с целью интенсификации использования свойств и экономии связующего, повышения качества отливок и экологичности процесса

Г0СУДЛРСТВШ11Й KCí.'iiTET РСГСР ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ШС1ЖЙ ШКОШ Московский яитокехллипесксй ппстатут

На прйлах рукописи

Боголепов Евгений Дмптрие^л

УЖ 62I.744.OI6.

MFMIPOBAHKE ПРОЧНОСТИ СТЕ-ШЕВЫХ С!ЛЕСЕЙ, ОТВЕРЯДА-L'/Ж В НАГРЕВАЕМОЙ ОСНАСТКЕ, С ЦЕЛЬЮ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВОЙСТВ И ЭКОНОМИИ СВЯЗУЩВГО, ПСВШЕ-121Я КАЧЕСТВА ОТЛИВОК И ЭКОЛОП1ЧНОСТЙ ПРОЦЕССА

Специальность - 05.16.04. - Лнтейноз производство

Автореферат дассертацли па соискание учёной степей кандидата технических nayic

Москва 1990

О

' \ }

Рабо i выполнена на кафедре "Машини и технология литерного производства" Московского автомеханического института.

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Г.М.Орлов

Официальные оппоненты - Доктор технических наук

С.С.ЕуковскиЯ - Кандидат технических наук

Л

Г.В.Просяншс

Ведущее предприятие - НШтракторсельхозмаш.

( . Защита состоится "УЗ " qekaSpfl 1990 года на заседании Специализированного Совета К 063.49.02 при Московском автомеханическом институте по адресу: 105023, Москва, Е-23, Б.Семеновская ул., 38, В Ь 501 , i -Й00.

. Ваш отзывы, в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан "" 1990 г.

Ученый секретарь Специализированного

Советь, кандидат технических наук,

доцент Б.М.Зуев

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Задачи ускорения развития мапиностроения, в тбй числе и литейного гроизводства, выдвигают все более жесткие требования к повышению эффективности производства и качества выпускаемой продукции.

Повышение требования г качеству и точности отливок вызывают существенные изменения в техн логии изготовления н конструкции литейных форм, связанные с применением большого числа стержней, выполняющих наи^лее сложные и ответственные поверхности отливок. Практика показывает, что наиболее рациональным технологическим процессом, гарантирующим повышение качества и точности отливок, является процесс получения стержней с отверждением их в оснастке, в том числе в нагреваемой оснастке, возможность применения которого снована на испо-ь-зовании термореактивннх связующих.

Однако, более широкому распространению последнего процесса препятствуют дефицит термореактивных связующих.и ухудшение условий труда, связанные со значительным!! газовыделениями во время изготовления стержней и заливки форм. Таким образом, дальнейшие исследования в области изготовления стержней по нагреваемой оснастке необходимы и не теряют свое?» актуальности.

Целью настоящей работы является снижение содержания свящующе•з в термореактивных смесях с сохранением их прочностных характеристик и создание методов регулирования технологических свойств смесей в зависимости от заданных условий производства.

Научная новизна работы:

- уточнен механизм формирования прочности термореактивных смесей, в частности установлено, что зерна огнеупорного наполнителя полностью покрыты пленкой связующего, которая в местах контакта зерен образует перемычку, причем формирование перемычки' осуществляется не только за счет слияния объемов связующего, образованных пересекающимися пленками,

а во всех случаях имеется тенденция к перемещению связующего из пленки, покрывающей зерна огнеупорного наполнителя, в перемычку между ними под действием капиллярных сил;

- разработана математическая модель формирования прочности термореактивных смесей, базирующаяся на основных физи-ко-тмеханических и физ;-ко-химических факторах процесса, учитывающая статистическую природу огнеупорного наполнителя, позволяющая изучать процесс на всех стадиях;

- теоретически установлена и экспериментально подтверждена -закономерность концентрации связующего в перемотках между зернами огнеупорного наполнителя: объем связующего в пере- ■ мычках между зернами монотонно возрастает в процессе отверждения, причем с уменьшением удельной поверхности энергии связующей композиции ускоряется процесс перемещения связующего с поверхности зерен в перемычку, а с увеличением удельной поверхностной энергии связующей композиции возрастает максимально возможная величина содержания связующего в перемычках между зернами;

- экспериментально устайовлен экстремальный характер завис-мости плотности стержней от количества содержания в смеси связующей композиции, причем, величина экстремума уменьшается с ростом удельной поверхностной энергии связующей композиции, что объясняется возрастанием сырой прочности смеси.

Новизна полученных результатов подтвердится звторски-1.1И свидетельствами 1271620 ¡1 1243807 выданными в 1986 г., » положительным решением на заявку об изобретении № 4648017/02, выданным в 1989 г.

Практическая ценность работы:

- разработаны научно обоснованные рекомендации, направленные на уме зыенив содержания связующего в термореактивных смесях;

- на уровне изобретений разработаны составы термореактивных смесей с пониженным содержанием связующего, разработаны оригинальные способы формирования стержней;

- разработаны алгоритм и программа для его реализации на ЭВМ, позволяющие изучать процесс формирования прочности термореактивных смесей, что дает возможность разрабатывать составы смесей с пониженным содержанием сьлзующего и оптимальными технологическими свойствами.

Реализация результатов работы.

Состав термореактивной смеси с пониженным содержанием связующего КС90 внедрен на Тутаевском моторном заводе при изготовлении отливок дорожно-транспортной арматуры в сухих стопочных формах. Экономический эффект от Енедреаия составил 147 тысяч рублей.

Разработанная в настоящей работе рецептура смеси с содержанием 1,3% связующего СШ011Л принята базовой для автомата по изготовлению стопочных *орм из термореактивных сме-се". Ожидаемый экономический эффект от внедрения одного автомата - 100 тысяч рублей.

Апробация работы.

Материалы диссертации доложены и обсуждены на XX Неуч-

но-техннческоп конференции молодых ученых и специалистов НПО "НШТавтопром" (г.Москва, 1987 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация управления и проектирования автомобиля и САПР технологических процессов автомобилестроения" (г.Суздаль, 1990 г.), на научных семинарах кафедры "Машины и технология литейного производства" МММ, 1986-1990 гг.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано печатных работ, по" лучено 2 авторских свидетельства, I положительное решение на заявку об изобретении.

• Объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Она содержит страницу машинописного текста, рисунков, I таблицу, список литературы из 92 наименований и приложение на страницах.

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ '

В последние годы в технологии получения литейных стержней достигнут значительный прогресс, что связано со все большим распространением процесса изготовления стержней отверж-даемых непосредственно в оснастке, в том числе и нагреваемой.

•Однако, более широкое распространение вышеназванного процесса, при дефиците связующих и, что особенно выкно, улучшение условий труда и цехах, а также экологии, требует решения комплекса задач, основной из которых является создание смесей с минимальным содержанием связующего. Наличие отдельных "рекордных" результатов, достигнутых в использовании существу-

пщих материалов, которые отмечаются в патентной литературе, '•беждзет в правильности такого потода.

Обобщая результаты анализа литературных и патентных данных, можно отметить, что несмотря на относительно высокий уровень теоретической проработки отдельных вопросов формирования прочности стержневых смесей, отвергающих в горячей ->снастке, в цс там нельзя сделать заключение о наличии строгой количественной теории, позволяющей производить поиск оптимального значения технологических параметров. Нет достоверной математической модели, описывающей этот процесс. Не затронут вопрос о вероятностной природе процесса. Неизвестно влияние основных характеристик свпующего на прочность стержневых смесей.

Целью настоящей работы является снижение содержания СЕЯзующего в термореактивных смесях при сохранении их прочностных характеристик и создание методов регулирования технологических свойств смесей в зависимости от заданных условий производства.

'Для достижения поставленной цели необходимо решить'следующие задачи:

- разработать математическую модель формирования прочности стергшевых смесей, учитывающий статистическую природу огнеупорного наполнителя;

- установить влияние основных характеристик связующего на прочность стержневых смесей;

- разработать составы стерневых сносей с пониженным содержанием связующего.

РАЗГ' БОТКА ШИ1АТИЧЕСК0Я МОДЕЛИ СОР?.51РОВАНШ

прочности стержневых смесей

Стержень рассматривается как смесь частиц огнеупорного наполнителя различного диаметра, где величины диаметров зерен наполнителя подчиняется закону нормально- логарифмического распределения. Построение зерновой структуры стержня осуществляли при помощи двух генераторов случайных чисел: нормально-логарифмически распределенного (для нахождения величин радиусов зерен) и равномерно-распределенного (для получения ко р-динат зерен по осям X и У). Координате 2" присваивалось максимальное значенне, которое уменьшалось шаговым методом до'тех пор, пока зерно не занимало устойчивое положение, при этом учитывалась обкатка зерном уже уложенных в структуру стержня зерен наполнителя. После построения модели распределения частиц огнеупорного наполнителя, для учета нешарообразной формы зерен, была введена величина эффективного радиуса зерна К дф » т.е. радиус зерна в месте контакта с другим з'ер"ом. Таким образом каждому радиусу зерна будет соответствовать столько Я ¿ф, сколько контактов с другими зернами имеет данное зерно.' Экспериментальные исследования показали, что К, ^ имеет нормальное распределение относительно радиуса зерна . Затем расчитываем толщину пленки связующего, покрывающего зерно -

где: V эер " эерт, - количество жидких компо-

нентов в смеси; \лУ- относительное содэржание связующего

- о -

пли жидкой дсбаглсн в смсси; О. я О - плотности дооавок

О 1. О Лср

и зерна соответственно.

и начальный объем манжеты на стыке зерен наполнителя, который образуется при взаимном сечении пленок связующего, покрывающих зерна, и вытеснении этого объема связующего в перемычку. Даль-

мехлу

нейшее увеличение перемычки зернами происходит за счет перете-:ания связующг "о из пленки на поверхности зерен в манжету под действием капиллярных сил: . •

сЬ ^ (2)

где: ^V - объем связующего, поступивший из пленки в манжету за время ьТ ; - скоростной коэффициент; 5 ~ площодь через которую поступает связующее (определяется толщиной пленки - ^ и радиусом зерна К, ), - поверхностное натяжение связующего; - капиллярное давление в манжете.

Определяющим фактором в уравнении (2) является капиллярное давление Р , для нахождения которого предложена модель,

«

основанная на законе сохранения энергии. Рассматриваются два варианта расположения жидкости (связующего) в манжете:

- для жидкости абсолютно "нейтральной" в поверхностном относешш, на границе раздела трех фаз угол скачивания (О ■ = 90° (рис. 1а),

- ~я реального связующего угол смачивания к твердому телу бО я0, т.к. зерно покрыт^ пленкой связующего (рис. Г б).

Свободная поверхность меникса, образованного' жидкостью между частицами наполнителя,, при условии равенства объемов жидкости (связующего), у второй жидкости будет больсе. Псяп-

! \

ление дополнительной поверхности дГ = - связано с наличием дополнительной поверхностной энергии, отсюда:

где: *Т - температура; \/ - объем манжеты.

После расчета объемов поступившг- из пленки на поверхности зерна в манжеты определяется новая толщина пленки

i-5

\

3 н34

где: ( - объем зерна с пленкой связующего; Vc - количество контактов одного зерна с другими зернами; - характеристика контакта (см. рис. I б).

При одновременном решении уравнений (2) + (4), по малым интервалам времени, определяем конечные размеры перемычек между зернами и толщины пленки связующего на поверхности зерен. Определяющим фактором окончания процесса перетекания связу. дего из пленки в манжеты является время отверждения связующего.

Предел прочности смесей на разрыв в отвержденном состо-■ янии определяем по формуле:

6Ь » ¿Пг(к^-) (5)

г до. (Ь о^г и ¿^ог ~ адгезионная и когезионная прочности со-ответс. >енно;-Н - число контактов на плоскости нормальной • разрушающей силы; ^ - угол наклона оси комплекса из двух эсрен наполнителя, между которыми происходит разрушение, к нйараидениц дзйстзия разрушающей силы.

О

- AI-

Рис. 2

- 12 -

Для связующих в процессе отверждения которых испаряется растворитель, по окончанию формирования перемычек, необходимо сделать пересчет основных геометрических параметров перемычек мезеду зернами наполнителя и толщин пленок связующего на зернах:

где: Vc 0 , V»ut 0 - объемы манжеты и пленки после испарения растворителя; ?с 0 ~ плотность сухого остатка; Сс.0,- относительное содержание сухого остатка в связующем.

Разработанная математическая модель практически полностью отражает главные особенности реального процесса формирования прочности стержневых смесей и дает возможность изучения его на всех этапах.

. МЕТОДИКА ЭКС I ЕРШ,ВИТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения расчетов по разработанной выше математической модели, необходимо экспериментальным путем определить следующие параметры: удельную поверхностную энергию связующей композиции; скоростной коэффициент при перетекании связующей композиции; зависимость плотности стержня от свойств и количества в смеси связующей композиции, при различных способах уплотнения, а также распределения эффективного радиуса зерен наполнителя.

Для определения эффективных радиусов зерна огнеупорного наполнителя на растворном электронном микроскопе 0 - 180

ыычках иежду зернами наполнителя от времени их формирования I- ё =0,05 Дя/и2, 2-0,075 Дж/и2, 3-0,125 Дж/и2.

3.0

г.с

■А,о

1

—^ 3

— — '—

\юо 45оо -Moo idоо кр^а

Рис. 5. .Зависимость прочности отвервденных образцов от их плотности, пои содержании связующего СФПОПЛ: 1-5%, г-ъ%, ъ-\$.

* «о

. Ыо

* 2 Ъ . . . : А V/, %

Рис. б. Зависимость плотное*.! .образца смсси от количества жидкой составляющей при прессовании с усилием ,0,3 -МПА I- 6^0,05 Дн/м2, 2-0,075 Дж/м2, 3-0,125 Дж/ь:2.

- 17 -

При анализе факторов, влияющих ка плотность стержней на этапе уплотнения, т.е. когда связующее находится в жидком состоянии, было выявлено, что решающее значение имеют величина удельно"! поверхностной энергии и количество связующей композиции в смеси. Причем зависимость плотности от количества ' зязующей композиции (рис. 6) имеет экстремальный характер, т.е. при определенном количестве жидкой составляющей в смеси, т.е. при определенном количестве жидкой составляющей в смеси, стержень имеет минимальную плотность, а увеличение или уменьшение содержания жидкой композиции приводит к росту плотности. В то же в]рмя увеличение поверхностной энергии жидкой составляющей однозначно приводит к уменьшению плотности стержней.

Отметим, что представлений! зависимость обратно пропорциональна зависимости сырой прочности стержневой смеси ст количества жидкой составляющей, (рис.7), причем максимум сырой прочности соответствует минимуму плотности. Увеличение ,же поверхностной энергии жидкой композиции увеличивает сырую прочность смесей.

Используя зависимости (рис. 3,4,6), варьируя величиной удельной поверхностной энергии связующей композиции и содержанием ее в смеси, можно разработать составы смесей с минимальным содержанием связующего (для заданного технологического процесса получения стержней) и необходимыми прочностными характеристками.

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ СТШНЕВЫХ СМЕСЕЙ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ СВЯЗУЮЩЕГО

Для исследований были выбраны наиболее распространенные ■ в литейной производстве связующие С5П0Т1Л, К590 и жидкое

- А& -

Рис. ?. Зависимость сырой прочности образца сиеси на разрав' от количества жидкой составляющей в смеси при плотности смеси 1580 кг/м3.

I - 6С1ь0,05 Да/и2, 2 - 0,075 Дк/м2, 3 - 0.125 Дж/ы2.

стекло. Смеси предназначались для трех методов получения стержней, пескодувное уплотнение с отверждением в нагреваемой оснастке, уплотнение прессованием с усилием 0,3 Ша и отверждением в нагреваемой оснастке и уплотнение прессованием с усилием 0,6 Ша, извлечением стерлия (формы) из оснастки и отвержением в с_лиле. В качестве огнеупорных наполнителей использовались кварцевый песок Люберецкого карьера марки К02Б и цирконов1^ концентрат марки КЦ1 (для связующего СФП011Л). Прочность отвержденных смесей на разрыв устанавливалась на уровне 2,5 МПа. Результаты испытаний разработанных составов смесей сведены в

таблицу.

Огнеупорный наполнитель Связующее Метод получения % связующе-стершей го по массе Прочность на юазрыв,

I 2 3. 4 5

Кварцевый песок 90 Пескодувный . Прессование с. усилием 0,3 ИПа .. 2,0 2,46 2,52 2,49

1,9 2,43' 2,53 2,41

Прессование с ^илием 0,6 1,8 2,48 2,51 2,53

Жидкое стекло Пескодувный Прессование с • усилием 0,3 2,5 2,41 2,25 2,39 2,43 2,40 2,40 2,37

Прессование с усилием 0,6

2,0 2,36 2,38" 2,33

ШЮШ Пескодувный 1,5 2,63 2,68 2,64

Прессование с усилением 0,3 МПа 1,3 2,60 2,61 2,62

Прессование с усилием 0,6 МПа 1,1 2,58 2,60 2,54

Концентрат ССП011Л Пескодувный 1,'0 2,65 2,60 2,67

I_2_3_4__5

Цирконовый Прессование с

усилием 0,3

НПа 0,9 2,62 2,58 2,64

Прессовтие с усилием 0,6

МПа 0,8 2,50 2,58 2,60

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ СОСТАВОВ СТЕБЛЕВЫХ СГЛЕСЕЙ

Состав термореактивкой смеси, предназначенный для изготовления стержней пескодувным способом, содержащий ¿Й связующего К590, был внедрен на Тутаевском моторном заводе для производства отливок дорожно-трг спортной арматуры в сухих стопочных формах. Применение цеховых смесей, содержащих 2,5+3,СЙ связующего К590 приводило к очень большому браку отливок по газовым дефектам, доходящим до 40$. Использование состава, разработанного в наст ящей работе позволило сократить брак литья до 7%. Экономический эффект от внедрения составил 147 тысяч рублей.

Б тоже время, качество поверхности отливок, получаемых данньа. процессом, не полностью удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям. Это связано с наличием поверхностных дефектов в местах задувки смеси. Данный деффект на существующем оборудована.! удален быть не может.

3 НПО "Химмаштехнология" спроектирован автомат для изготовления стопочных форм из термореактивных смесей прессованием в нагреваемой оснастке. Базовым, при проектировании, принят состаз на основе СШОПЛ, с содержанием связующего 1,3%.

- 21 -

' Ожидаемый экономический эффект от внедрения одного автомата составит 100 тысяч рублей.

ОБЩЕ ЕЫВОДЫ

1. Установлено, что в стержне (форме) в местах контактов зерен огнеупорного наполнителя связующее образует манжеты и во всех случаях имеется тенденция к перемещению связующе .'О из пленки, покрывающей зерна наполнителя, в манжеты под действием капиллярных сил. Найдена функциональная зависимость капиллярного давления в манжете между зернами наполнителя от удельной поверхностной энергии связующего.

2. Разработана математическая модель формирования прочности стержневых смесей, учитывающая статистическую природу огнеупорных наполнителей, "хаотичное" построение зерноврй основы стержня, нешарообразную форму зерен и основные физико-механические и физико-химических свойства связующего.

3. Определено, что прочность отвераденных стержнеГ (форм) увеличивается при увеличении содержания связующего на стыках меяду зернами наполнителя и плотности смеси.

4. Установлено, что основными параметрами связующего, определяющими скорость перемещения его с поверхности зерен наполнителя а капиллярную манжету, образованную на стыке между ними, и конечное содержание связующего в манжете, являются удельная поверхностная энергия и вязкость связующего.

5. Выявлено, что при увеличении удельной поверхностной энергии связующей композиции возрастает максимально возможное содержание связующего в капиллярной манжет на стыках зерен наполнителя, а при уменьшении - возрастает скорость

-22-

пет>емещення связующего с поверхности зерен в манжету.

6. В процессе экспериментальных исследований установлено, что зависимость плотности стержней (форм) от количества связующей композиции в смеси имеет экстремальный характер и она обратно пропорциональна зависимости сырой прочности стертая от количества связующей композиции в смеси, причем минимум

' плотности стержня (формы) соответствует максимуму сырой прочности.

7. Е явлено, что для получения стержней (форм) высокой плотности удельная поверхностная энергия связующей композиции на этапе уплотнения должна быть минимальной; при увеличении удельной not рхностной энергии плотность стрежней уменьшается. ■

0. На основании разработанной математической модели получена возможность определять на ЭВМ оптиь'йльные физические и физико-химические характеристики связующей композиции. . Это позволило разгчботать гамму составов термореактивных смесей с пониженным содержанием связующих: КФ90, С5ГО1П и "жидкого стекла на основе различных огнеупорных наполнителях и для различных методов получения стержней (форм), а также Чра- 1аботать научно-обоснованные рекомендации для снижения содержания связующего в термореактивных смесях при тех же .прочностных характеристиках. . '

9. ''а основ разработанного состава смеси, с применением связующего К590 на Тугаевском моторном заводе внедрен технологический процесс изготовления крупногабаритных тонкостенных отливок в сухих стопочных формах. Экономический эффект от вне'дрекия составил 147,0 тыс. рублей.

- 23 -

10. Состав термореактивной смеси, содержаний 1,2% связующего С1П011Л, принят за базовый при проектировании автомата для изготовления сухих стопочных форм. Ожидаемый экономический эффект от внедрения одного автомата - 100,0 тысяч рублей.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Уваров A.B., Боголепов Е.Д. "Влияние плотности форма очных смесей на их прочность", М., ВНИИТЭМРЭИ ТОЛП, 1986, вып. 3, с. 9...13.

2. Уваров A.B., Боголепов Е.Д., "Математическая модель прочности на разрыв (^рмовочных смесей". М., ВНИИТЭМРЭИ

■ ТОЛП, 1986, вып. 4, с.9...12.

3. Боголепов Е.Д., Мацокин В.В., "Разработка составоз стержневых смесей с пониженным содержанием связующего", Тезисы докла;,)в XX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов НПО "НИИТавтопром", М., 1987, C.3...5,

4. Уваров A.B., Боголепов Е.Д., "Математическое мопели-' рование процесса формирования прочности литейных стержней",

Всесоюзная научно-техничес..ая конференция" Автоматизация управления и проектирования автомобиля и САПР технологических процессов автомобилестроения", тезисы» докладов, Суздаль, 1990, с. 28...29.

5. Боголепов Е.Д., Есуфович A.B.Иоффе А.0,, "Разработка технологического процесса изготовления отливок в cyxiix стопочных формах", Всесоюзная научно-техническая йонференция "Автоматизация управления и проектирования автомобиля и САПР технологических процессов автомобилестроения", тезисы докладов, Суздаль, 1990, с. 30...3I.,

•ч У:

- 24 -. -

V « *

6. A.c. СССР 1243387, Ш3 В22С l'22. Способ изготов- ' лзния литейных <|«рм и стержней; Уваров A.B., Боголепов Е.Д., Орлов Г.И и др.

A.c. СССР 1271620, МНИ3 В22С 1/22. Смесь для изготовления литейных форм и стержней в нагреваемой оснастке. Уваров A.B., Боголепов Е.Д., Орлов Г.М. и др.

G. Уваров A.B., Боголепов Е.Д., Юсуфович А.Б. и др., Смесь для изготовления литейных форм и стержней в нагреваемой оснастке, Заявка I? 464801 ,'/27-02, МНИ3 В22С 1/22, от 5.01.89, положительное решение от 9.08.89.