автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование и разработка способа изготовления форм и стержней для литья ответственных деталей центробежных насосов

На правах рукописи

Глебов Сергей Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Специальность 05 16 04 — «Лнтеиное производство»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003057827

Санкт-Петербург — 2007

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе

«ЦНИИМ-Инвест», г Санкт-Петербург

Научный руководитель: доктор технических наук,

Пирайнен Виктор Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Пряхин Евгений Иванович

Ведущая организация: ФГУП «ЦНИИМ», г Санкт-Петербург

Защита состоится « 17 » мая 2007г в 16 часов на заседании Диссертационного совета Д 212 229 14 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу 195251, г Санкт-Петербург, ул Политехническая 29, ГОУ «СПбГПУ», химический корпус, ауд 51

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан «_»_2007г

кандидат технических наук, Срыбник Алексей Дмитриевич

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212 229 14

доктор технических наук, профессор

Кондратьев С Ю

1. Общая характеристика работы.

Актуальность.

Качество и надежность центробежных насосов в значительной степени определяются геометрической точностью и качеством поверхности проточной (необрабатываемой) части рабочих колес и направляющих аппаратов

Для производства литых заготовок применяется широкая гамма технологических процессов Это литье в разовые песчаные, гипсовые, керамические разъемные и неразъемные формы, литье в металлические формы

При литье в разовые формы до половины, а в некоторых случаях больше половины всей трудоемкости производства отливок приходится на изготовление форм и стержней Формовочные и стержневые процессы во многом определяют качество отливок и эффективность их производства, оказывают влияние на условия труда и окружающую среду

Производство литых заготовок рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов выделяется своей спецификой Наиболее характерные особенности

- широкая номенклатура литейных сплавов, применяемых для литой заготовки в рамках одного чертежа,

- большое влияние геометрической сложности, преимущественно профиля лопастей, на технологический процесс изготовления отливки,

- повышенные требования к размерной точности и шероховатости поверхностей проточной части (внутренних полостей)

На сегодняшний день сложно выделить какой-либо технологический процесс, позволяющий эффективно производить отливки из легированной стали, серого чугуна и алюминиевых сплавов в рамках одного производства Коренным образом может повлиять на технологический процесс небольшое изменение (изгиб) профиля лопастей Переход от цилиндрического профиля лопастей, где проточная часть отливки может выполняться одним стержнем, к лопастям двоякой кривизны, где применяются наборные стержни, может создать условия, при которых производство становится нерентабельным или невозможным

В связи с этим, создание новых формовочных и стержневых процессов, как вариант комплексного решения вопросов эффективного производства высококачественных литых заготовок широкой номенклатуры из различных марок литейных сплавов с соблюдением современных норм экологической безопасности, является актуальным

Цель работы - создание технологического процесса изготовления разовых форм и стержней для литья широкой номенклатуры заготовок рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов, обеспечивающего высокое качество проточной части в отношении размерной точности и шероховатости поверхности, применение различных литейных сплавов и низкий уровень выделений в окружающую среду

Для достижения поставленной цели был произведен анализ существующих методов уплотнения и отверждения формовочных и стержневых смесей, обоснована

перспективность метода замораживания водных вяжущих суспензий и сформулирована необходимость решения следующих задач

изучение механизма отверждения водных вяжущих суспензий на основе гидрозолей двуокиси кремния замораживанием и определение параметров, обеспечивающих его необратимость,

определение влияния качественного и количественного составов суспензий, параметров замораживания и термической обработки на физико-механические и технологические свойства форм и стержней,

изучение кинетики формирования твердой корки при замораживании суспензии в контакте с охлаждаемой модельной оснасткой,

определение значений основных параметров технологического процесса, конструктивных особенностей оборудования и оснастки для изготовления керамических форм и стержней применительно к литью заготовок рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов,

проведение анализа качества полученных по разработанной технологии отливок в отношении их размерной точности и шероховатости поверхности

Научная новизна.

1 Установлена закономерность необратимого отверждения водных вяжущих суспензий со структурообразующим гидрозолем двуокиси кремния замораживанием при последовательном вымораживании свободной и сорбированной воды

2 Определена кинетика формирования твердой корки при замораживании суспензий Получены зависимости продолжительности затвердевания от температуры охлаждающей среды, от температуры заливки суспензий и их теплофизических характеристик

3 Определены необходимые для расчетов производительности холодильного оборудования параметры процесса, установлены их значения

4 Определены значения и закономерности формирования физико-механических и технологических свойств форм и стержней, изготовленных замораживанием водных вяжущих суспензий

5 Определены качественный и количественный составы газов, выделяющихся из керамических форм и стержней в диапазоне температур 670. 1170К

Практическая значимость.

1 Разработан технологический процесс изготовления керамических форм и стержней для производства из различных литейных сплавов широкой номенклатуры заготовок с повышенными требованиями к размерной точности и шероховатости поверхности, в частности, рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов

2 Создано и внедрено в условиях опытно-экспериментального производства специальное оборудование, включающее базовую модель двухступенчатой низкотемпературной машины с испарителем для охлаждения жидкого теплоносителя и системой его подачи в технологическую оснастку, устройства для изготовления форм и стержней по оснастке с вертикальным и горизонтальным разъемами

3 Даны рекомендации по применению технологического процесса, оборудования, модельной и стержневой оснастки в производстве литых заготовок из различных сплавов с различной серийностью

4 Разработана конструкция двухсторонней оболочковой полуформы и оснастки для ее изготовления

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Обоснование перспективности физических методов уплотнения и отверждения формовочных и стержневых смесей для разработки новых технологических процессов

2 Закономерность необратимого отверждения водных вяжущих суспензий при последовательном вымораживании свободной воды (дисперсионной среды), сопровождающемся концентрированием и сжатием твердой фазы между кристаллами льда и формированием структур коагуляционного типа, а затем сорбированной воды в гидратных оболочках, сопровождающемся приведением частиц в ближнее взаимодействие и формированием структур конденсационного типа

3 Зависимости продолжительности формирования твердой корки при замораживании водных вяжущих суспензий от температуры охлаждающей среды, от температуры заливки и теплофизических характеристик суспензий

4 Результаты экспериментальных исследований формирования прочностных и технологических свойств керамических форм и стержней при различных режимах замораживания, обжига, качественного и количественного составов суспензий

5 Результаты аналитических исследований и экспериментальных работ по выбору основных параметров технологии, оборудования и оснастки для промышленного изготовления керамических форм и стержней

Публикации.

На тему диссертации опубликовано 8 статей, получено 4 авторских свидетельства СССР и 3 патента РФ Материалы работы отражены также в 4 технических отчетах

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из девяти глав, выводов, списка литературы, изложена на 100 страницах, содержит 6 таблиц и 59 рисунков Список литературы содержит 72 наименования

2. Основное содержание работы.

В первой главе сформулированы особенности производства литых заготовок рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов Обоснована актуальность разработки новых экологически безопасных формовочных и стержневых процессов для получения высококачественных в отношении размерной точности и шероховатости поверхности отливок широкой номенклатуры из различных сплавов при различном характере производства

Во второй главе рассмотрены технологические процессы, наиболее часто применяемые при литье заготовок рабочих колес и направляющих аппаратов

центробежных насосов Произведен их анализ с учетом совокупного влияния серийного производства, материала отливок, геометрической сложности, размерной точности и шероховатости поверхности Дана оценка экологической безопасности производства

В результате анализа предложено условное разделение формовочных и стержневых процессов по признаку возможности автоматизации и по материалу отливки

В первом случае оцениваются кинематическая сложность технологических движений, количество операций, организация контроля и управления процессами Автоматизируемые процессы характеризуются небольшим количество кинематически не сложных, легко контролируемых и управляемых технологических операций, но часто ограничены в отношении качества и геометрической сложности литых заготовок Не автоматизируемые процессы чаще обеспечивают получение отливок со сложной геометрией с большей точностью и менее шероховатой поверхностью Например, автоматизируемый СоЫ-Ьох-апип-процесс и не автоматизируемый ШДСАЗТ-процесс

Во втором случае оценивается термостойкость и физико-химические параметры материала форм и стержней Например, керамические формы на основе электрокорунда для литья высоколегированных сталей и гипсовые формы для литья алюминиевых сплавов

Из числа применяемых сегодня способов сложно выделить один универсальный, совмещающий в себе все обозначенные выше признаки Вероятно, новый технологический процесс должен характеризоваться

- отсутствием органических составляющих в формовочной и стержневой смесях,

- отсутствием в механизме отверждения химических процессов,

- использованием постоянной модельной и стержневой оснастки,

- небольшим количеством простых технологических и транспортных операций С целью облегчения выбора перспективного метода формообразования были

использованы предложенные Б Б Гуляевым морфологические карты, отражающие варианты механического уплотнения смесей с воздействием тепловых, химических, магнитных и т п полей и процессов

В области часто реализуемых альтернатив наибольшее число возможных сочетаний методов уплотнения с различными видами упрочняющего воздействия соответствует методам формообразования со свободным заполнением формовочной смеси (засыпка, заливка, вибрация). Наиболее перспективными видами упрочняющего воздействия являются тепловые

С учетом условий экологической безопасности производства наиболее перспективным для разработки нового процесса является метод замораживания

Из числа известных формовочных и стержневых процессов с применением замораживания в большей степени удовлетворяет поставленной в работе цели способ изготовления керамических изделий, в тч литейных форм и стержней, замораживанием водных суспензий на основе гидрозоля двуокиси кремния

Способ включает операции по приготовлению водной суспензии, заполнению модельной оснастки свободной заливкой, замораживанию суспензии в контакте с охлаждаемой оснасткой, отделению замороженного полуфабриката от оснастки, по термической обработке изделия Принципиально, что для оттаивания замороженного полуфабриката, его сушки и обжига не требуется каких-либо специальных условий Замороженное в контакте с модельной оснасткой изделие необратимо отверждается и не теряет размеры и форму

В основе процесса лежит свойство водных растворов коллоидного кремнезема коагулировать при замораживании, описанное еще в 1889 году Н Любавиным

В патентной и технической литературе по литейному производству, технической керамике и коллоидной химии представлена ограниченная информация о применяемых для приготовления суспензий исходных материалах, о параметрах замораживания суспензий и последующей термической обработке (обжига), о пористости керамики и прочностных свойствах Отмечается, что отверждение замораживанием не всегда носит необратимый характер

Имеющиеся представления о механизме воздействия замораживания на водные вяжущие суспензии с гидратированной поверхностью твердой фазы, в частности, на водные растворы коллоидного кремнезема, носят противоречивый характер

Недостаток информации о процессе и отсутствие технических решений по эффективному охлаждению модельной оснастки являются основными причинами, препятствующими его распространению в литейном производстве На основании изложенного были сформулированы задачи работы В третьей главе изложены методики проведения исследований, дано описание исходных формовочных материалов, лабораторного оборудования, приспособлений, схем проведения экспериментов

С целью сокращения объема экспериментальных работ по исследованию кинетики затвердевания (замерзания) водных суспензий при различных тепловых условиях в работе использовались результаты инженерных расчетов по варианту численного решения задачи Стефана, предложенного А И Вейником Уравнения и формулы для инженерных расчетов были дополнены и преобразованы к удобному для использования вычислительной техники виду

Для проведения экспериментальной части исследований кинетики затвердевания были спроектированы и изготовлены специальная оснастка под образец типа «плита», воздушная холодильная камера с использованием жидкого азота в качестве хладагента и емкость для охлаждения оснастки жидкой охлаждающей средой (теплоносителем)

Эксперименты по исследованию физико-механических и технологических свойств литейных форм проводились по стандартным методикам с модернизацией оснастки для изготовления образцов замораживанием

Четвертая глава посвящена исследованию механизма отверждения водных вяжущих суспензий замораживанием

В аналитической части рассмотрены известные теоретические представления о механизме воздействия замораживания на водные дисперсные системы с гидратированной поверхностью твердой фазы Отмечены их основные расхождения с известными экспериментальными данными, не позволяющие определить причины и установить условия, при которых коагуляция водных дисперсных систем с гидратированной поверхностью твердой фазы становится необратимой

Для проведения исследований выделены три основные процесса, протекающие при замораживании концентрирование, обезвоживание и агрегация

Экспериментальные исследования процессов концентрирования и обезвоживания проводились дифференциальным термическим анализом (ДТА) и ИК-спектроскопией

Дифференциальным термическим анализом в процессе охлаждения предварительно замороженных при 271К образцах суспензий из плавленого кварца был зафиксирован экзотермический пик в интервале температур 250 260К (рис 1)

Ьй

s

£

313

293

273

253

233

Рис 1 Результаты ДТА замораживания гидрозоля двуокиси кремния

1 - кривая ДТА,

2 - изменение температуры образца

600 1200

Это позволило рассматривать процесс обезвоживания дисперсных систем с гидратированной поверхностью твердой фазы как двухстадийный

воды, сопровождающаяся

1800 2400 3000 Время, с

стадия вымораживания свободной концентрированием твердой фазы,

- стадия вымораживания сорбированной воды, сопровождающаяся приведением частиц твердой фазы в ближнее взаимодействие и коагуляцией

Уменьшение концентрации гидроксильных групп, ассоциированных водородной связью в образцах гидрозоля двуокиси кремния после воздействия замораживания, зафиксированное ИК-спектроскопией (рис 2), свидетельствует о необратимом характере коагуляции

Следовательно, замораживание водных суспензий, в частности, кварцевых, с гидратированной поверхностью твердой фазы при температурах ниже 250К может приводить к их необратимому отверждению, к агрегации частиц

Однако известно, что с понижением температуры эффект воздействия замораживания на агрегацию частиц снижается Следовательно, необратимость

процесса зависит не только от факта вымерзания гидратных оболочек на поверхности частиц твердой фазы, но и от условия, определяемого температурой замораживания Наиболее вероятно, что этим условием является последовательность стадий вымораживания свободной воды и сорбированной

ч

\ -

\ 1

1

№ 2 >

* 1

1

3900 3700 3500 3300 3100 2400 2700 2500

Волновое чисто см

Рис 2 Результаты ИК-спектроскопии образцов гидрозоля двуокиси кремния

до и после воздействия замораживания

1-исходный материал,

2-после воздействия замораживания

Влияние этой последовательности было подтверждено экспериментально замораживанием образцов гидрозоля двуокиси кремния в стеклянных пробирках при различных температурах Воздействие замораживания оценивалось визуально по количеству осадка в размороженных образцах

В образце, замороженном в спиртовой ванне с температурой 263К, осадок отсутствовал Образец отличался от контрольного, не подвергавшегося замораживанию, незначительным помутнением, что свидетельствовало о частичной коагуляции твердой фазы Максимальное количество осадка (агрегация твердой фазы) было отмечено у образца, замороженного при температуре 253К С понижением температуры замораживания до значений 233К, 213К и 193К количество осадка уменьшалось В образце, замороженном в жидком азоте (77К) осадок отсутствовал, что соответствовало известному снижению эффекта замораживания при понижении температуры

Однако, образец, замороженный при 263К до полного затвердевания и охлажденный в жидком азоте (77К), после размораживания практически не отличался от образца, замороженного при 253К, где осадок был максимальным

Дополнительно исследовались растровой сканирующей электронной микроскопией образцы керамики из плавленого кварца, изготовленные при температурах охлаждающей среды 250К и 77К

На электрофрактографии замороженного при 250К образца (рис 3) видны четкие поры, отпечатки кристаллов льда и плотная структура твердой фазы, что хорошо иллюстрирует последовательность процессов концентрирования, обезвоживания и агрегации

Рис. 3. Электро фра кто графия Рис. 4. Электрофрактография

излома образца кьарцсиой керамики, излома образца кварцевой керамики, замороженной при 250К (хЮОО). замороженного при 77К (хЮОО).

В образце, замороженном а жидком азоте (рис,4) пористость мелкая, рассеянная. Характер вымерзания воды гетерогенный. Твердая фаза в виде отдельных агрегатов различного размера.

Результаты проведенных исследований позволили сделать следующий вывод.

Замораживание водных дисперсных систем с гидратированной поверхностью твердой фазы приводит к их необратимому отверждению если в процессе охлаждения создаются условия для последовательного вымораживания свободной воды (дисперсионной среды), сопровождающегося концентрированием и сжатием твердой фазы между кристаллами льда и формированием структур коагуляционного типа, а затем сорбированной воды в гидратных оболочках, сопровождающегося приведением частиц в ближнее взаимодействие с формированием структур конденсационного типа.

Пятая глава посвящена исследованиям кинетики замерзания водных суспензий, определению основных температурных и временных параметров процесса формирования изделий, закономерностей изменения этих параметров, с целью выбора исходных данных для проектирования опытного оборудования.

Исследовалось влияние температуры модельной оснастки (охлаждающей среды), исходной температуры суспензии (температуры заливки) и теплофизических параметров суспензии на продолжительность формирования твердой корки.

Результаты исследований представлены на рис. 5 и 6. Наибольшее влияние на продолжительность формирования твердой корки при замораживании суспензий оказывают их теплофизические свойства. Суспензия с электрокорундом (рис. 6) замерзает в 1,3 раза быстрее, чем суспензия с плавленым кварцем (рис. 5), коэффициент теплопроводности которого в ~ 20 раз меньше. Для суспензий одного состава основными параметрами, влияющими на продолжительность процесса, являются температура охлаждающей среды (Тс) и температура заливаемой суспензии (Т!ал_).

i I V

/Г

1 Тсьтсрчур» -М1НВКИ суспснчии Т«," "Як. Темперзт>ра срелы Tt 248К

2 Т««:?8К. Т.-22ИК * T^-^RK. Т -24СК

1*11С 5 В 1>1»(не исхоаноА тсмнсрзтъры vytnciUHH (Т„ ) hi luiannioto xejpua н TWiii ратуры oliu* inoim-ft cpcUJ (T ) на кинетику формирпаши» r»q> wfl корки

Т» - 2Ш Т^ -27UK - U 2ЧЯК

10 120

Время с ТС-248К Т "22ХК I 24ХК

Г не Ь Влияние НкХодниП температуры cvuichihji (Т„ ) hi i/u мри корунда и т<.мт*р*г\ры охпвжичошт среды (1 ) на khhcihkv формировании iBtfioii корки

Учитывая, что заливка суспензии с перегревом на ~ 20К является более приемлемой из практических соображений, а также смягчает условия обеспечения необратимости отверждения (см гл 4) в период намораживания корки толщиной до

2 10"3 3 10"3 м (уменьшение кривизны параболы), основным регулируемым и контролируемым параметром целесообразно считать температуру охлаждающей среды

Диапазон изменения параметра Тс, обеспечивающий необратимое затвердевание вяжущих суспензий и эффективное управление продолжительностью замораживания составляет 220К 250К

Удовлетворительная сходимость экспериментальных результатов с расчетными позволила воспользоваться принятой в настоящей работе методикой расчетов для определения некоторых параметров оборудования и модельной оснастки В частности, определено удельное количество тепла, которое требуется отводить при изготовлении керамических форм и стержней - 100 150 кДж/кг

Шестая глава посвящена исследованиям формирования физико-механических и технологических свойств литейных форм и стержней

Прочность форм может зависеть, как это отмечалось выше, от характера процесса замораживания и от процессов, протекающих в структурообразующем геле при его термической обработке

Влияние температуры замораживания на прочность при изгибе исследовалось на образцах во влажном (размороженном) состоянии и высушенном при 473К, что соответствовало полному удалению свободной и физически адсорбированной воды

Результаты исследований (рис 7) подтвердили изложенные в главе 4 представления о механизме необратимого отверждения вяжущих суспензий Как во влажном, так и в высушенном состоянии прочность форм снижается до нуля при повышении температуры замораживания от 250К до 273К При температурах замораживания ниже 250К прочность незначительно увеличивается

1 о

263 253 243 233 223 Температура среды К

1 прочность образцов во ВЛфКНОМ состоянии

2 после сушки при 473К

Рис 7 Зависимость прочности керамики от температуры охлаждающей среды

1 о

2 ов ,0

,8 06 £ е

X

о

С 04

Содержание кремнегсш, масс %

Рис 8 Зависимость прочности керамики от содержания коллоидного кремнезема (кремнегеля)

--

/ /

/

/ /

12 3 4 5

Прочность форм в высушенном состоянии в 8 10 раз превышает показатели прочности во влажном состоянии Это свидетельствует о том, что физико-механические свойства форм определяются преимущественно состоянием структурообразующего геля

Низкая прочность форм во влажном состоянии указывает на необходимость принятия адекватных технических решений при разработке промышленных вариантов технологии

При исследовании влияния влажности суспензий на прочность форм установлено, что при использовании плавленого кварца в качестве огнеупорного наполнителя содержание воды следует обеспечивать на уровне 20 25% по массе

В связи с тем, что стоимость коммерческих гидрозолей значительно зависит от содержания в них твердой фазы (коллоидных частиц), в настоящей работе исследовалось влияние содержания коллоидного кремнезема в суспензии на прочность форм

По результатам исследований (рис 8) установлено, что увеличение содержания коллоидного кремнезема до значений более 4%(масс) практического влияния на прочность не оказывает С одной стороны, это позволяет применять для приготовления суспензий золи с содержанием твердой фазы 10 15% при общей влажности суспензий 20% С другой стороны, подтверждается вывод о преимущественном влиянии состояния структурообразующего геля на физико-механические свойства 10

Влияние состояния структурообразующего геля оценивалось при исследовании прочности образцов после термической обработки (рис 9)

Одинаковый характер зависимостей 1 и 2 объясняется общей структурообразующей основой исследуемых материалов - коллоидной двуокисью кремния (кремнегелем)

1073 1273 1473 Т(.мпсрат\ ра обжига К

Рис 9 Зависимость прочности керамики от температуры обжига

1 - кварцевая керамика,

2 - корундовая керамика с гидрозолем 8Ю2

Незначительное увеличение прочности керамики с повышением температуры в интервале 673 873К обусловлено полным удалением с поверхности кремнезема физически

адсорбированной воды и воды, связанной водородными связями Это приводит к сжатию геля и увеличению контактов между коллоидными частицами (синерезису). При дальнейшем повышении температуры процесс дегидратации интенсифицируется, удаляется химически связанная вода Полное обезвоживание геля происходит при температурах в интервале 1073 1273К В результате синерезиса плотность силикагеля увеличивается и прочность материала возрастает до значений 4 7Мпа, что превышает его прочность на стадии удаления воды связанной водородными связями более чем в два раза

При температурах выше 1273К начинается процесс диффузионного спекания кремнезема Спекание протекает последовательно, начиная с локальных зон меньшей дисперсности и постепенно переходит на зоны с более крупными фракциями при повышении температуры Полное спекание кремнезема производят при температурах 1473 1573К в зависимости от толщины стенки изделия

В результате спекания прочность значительно увеличивается и достигает значений на уровне ЗОМпа для кварцевой керамики и 70Мпа - корундовой В некоторых случаях у керамики из электрокорунда отмечались значения прочности до ЮОМпа Ее более высокие прочностные характеристики обусловлены, скорее всего, образованием муллита в результате ионного обмена между А1203 и 8Ю2 при высоких (1473К) температурах

Таким образом, прочностные свойства литейных форм, изготовленных замораживанием водных суспензий с использованием в качестве структурообразующей добавки коллоидной двуокиси кремния, в большей степени

зависят от режима термической обработки При этом прочность изменяется в широких пределах (от 1,0 до 60 80Мпа)

В настоящей работе были исследованы следующие технологические свойства керамических форм и стержней

- газопроницаемость,

- газотворность,

- адгезия к оснастке,

- шероховатость поверхности,

- размерная точность

Стенки керамических форм и стержней, изготовленных замораживанием водных вяжущих суспензий, имеют сквозную ориентированную пористость Общий объем пористости пропорционален объему воды в исходной суспензии, а размер пор определяется размерами кристаллов льда, формирующихся при вымораживании воды

Газопроницаемость форм исследовалась на образцах с пористостью 30%, 35% и 40%, изготовленных при температурах замораживания в диапазоне 213К 278К Установлено, что газопроницаемость форм падает со снижением температуры замораживания суспензий, особенно в интервале 240К 230К При дальнейшем понижении температуры замораживания, ее влияние на газопроницаемость снижается

Характер влияния пористости на газопроницаемость постоянен во всем исследуемом диапазоне температур замораживания Увеличение пористости форм на 5% повышает газопроницаемость в ~ 2 раза

В интервале температур замораживания 220К 250К, в зависимости от содержания воды в исходной суспензии, обеспечивается газопроницаемость керамических форм на уровне 3 10"'° 50 10"'°м2/Па с

Результаты качественного и количественного анализа газов, выделяющихся из материала форм при различных температурах, представлены в таблице 1

Образцы 1 и 2 исследовались после термической обработки при 850°С с выдержкой 1 час и охлаждением с открытой печью Образец 2 дополнительно выдерживался в течение суток в атмосфере цеха

Образец 3 подвергался термической обработке при 600°С с выдержкой 1 час и исследовался после суточного хранения в атмосфере цеха

Количество выделившегося газа из образца № 3 значительно превышает количество газа выделившегося из образцов № 1 и № 2 Это обусловлено хорошей адсорбционной способностью структурообразующего силикагеля при неполной дегидратации его поверхности

Состав выделяющихся при нагреве форм газов не представляет угрозы для экологической безопасности производства

Исследование адгезии замороженных изделий к материалу формообразующей оснастки проводилось путем измерения усилий отрыва образцов от охлаждаемой

подложки Установлено, что прочность адгезионного контакта зависит от температуры оснастки (подложки), ее материала и шероховатости поверхности

Таблица 1

№ Температура Состав и количество газов, мл/100 г

образца испытания, °С Н20 СО со2 S02

1 400 0,6 0,9 2,2 -

500 1,5 1,3 0,7 -

700 1,5 1,0 0,6 -

900 1,0 0,9 0,8 0,8

2 400 2,2 0,9 2,2 -

500 0,3 1,0 1,8 -

700 - 1,4 1,3 -

900 - 1,3 1,0 2,1

3 400 81,7 8,5 6,2 -

500 18,8 2,8 2,2 -

700 19,0 5,8 5,4

900 10,8 4,1 4,2 -

В независимости от материала оснастки силы адгезии уменьшаются при снижении температуры контакта В интервале температур 253К 233К усилие отрыва не превышает 8 10"3 9 10"3 мПа для алюминиевой подложки Применение материалов с меньшей поверхностной энергией снижает адгезию Хромирование рабочей поверхности оснастки (подложки) позволяет уменьшить усилие отрыва на 20% 30% Аналогичное снижение усилий отрыва происходит при нанесении на поверхность оснастки органических покрытий, не замерзающих при температурах формирования адгезионного контакта, например, жидкой силиконовой смазки

В результате исследования шероховатости поверхности керамических изделий было установлено уменьшение значений параметра 11а отпечатков по отношению к значениям 11а поверхности формообразующей оснастки

Отпечатки со шлифованной поверхности оснастки (11а = 1,25 мкм) и с фрезерованной (Яа = 5 мкм) имели значения параметра Яа - 0,66 мкм и 1,23 мкм соответственно

При исследовании размерной точности были определены поля допусков на размеры форм из кварцевой керамики и из керамики с электрокорундом

Для кварцевых форм допуски на размеры до 30 10° м составили ± 0,12 10"3 м, в интервале 30 80 • 10'3 м - ± 0,15 10"3 м, в интервале 120 250 10"3 м - ± 0,24 • 10*

Для форм с электрокорундом допуски на размеры до 30 10"3 м составили ±0,21 10"3м, в интервале 30 80 • 10"3 м - ± 0,24 10"3 м, в интервале 120 250 10"3 м - ±0,39 10"3 м

Результаты исследований физико-механических и технологических свойств керамических литейных форм позволили сделать вывод о возможности применения последних для литья заготовок из различных литейных сплавов с повышенными требованиями к размерной точности и шероховатости поверхности

Седьмая глава посвящена выбору основных параметров технологии и оборудования применительно к промышленному производству На основании результатов проведенных исследований для анализа и выбора технологических и конструктивных параметров, а также опробования в лабораторных условиях был выбран способ по схеме, представленной на рис 10

Приготовление суспензии

Смешивание пылевидного огнеупорного материала с гидрозолем Мокрый помол огнеупорного материала

_*_

Подготовка модельной

оснастки и охлаждение * -

Заполнение оснастки суспензией

1

Замораживание и термостатарование

полуфабриката - * --

Сушка керамики 1

Обжиг изделий

Рис 10 Принципиальная схема технологического процесса

Определена целесообразность

приготовления водных вяжущих суспензий смешиванием пылевидного огнеупорного наполнителя с гидрозолем двуокиси кремния, что обеспечивает короткий (не более 30 минут) цикл приготовления и возможность применения

стандартизованного оборудования

Одним из важнейших вопросов применения метода замораживания в промышленных условиях является перенос тепла от формуемого изделия к поглощающему агенту

В промышленных условиях в качестве поглощающего агента или источника холода часто применяют «сухой лед» и жидкий азот При этом перенос тепла осуществляется газообразными средами Также применяют воздушные холодильные камеры Однако, теплоперенос жидкими средами (теплоносителями) намного эффективнее, чем газообразными В связи с этим в работе изучен комплекс вопросов, связанных с применением жидкого теплоносителя для передачи тепла от замораживаемой суспензии

Разработана схема холодильной установки на базе двухступенчатого фреонового агрегата с испарителем для жидкого промежуточного теплоносителя (рис 11) Осуществлен выбор теплоносителей

1 Компрессорно-конденсационный агрегат

2 Испаритель

3 Емкость с промежуточным теплоносителем-компенсатор тепловой нагрузки

Д Насос подачи теплоносителя в испаритель

5 Насос подачи теплоносителя в технологическую оснастку

6 Входной коллектор

7 Запорная арматура

8 Выходной коллектор

Рис 12 Принципиальная схема оснастки

Рис 11 Схема холодильной установки

В низкотемпературных

фреоновых машинах могут применяться чистые антифризы с температурой замерзания ниже 200К или их азеотропные растворы Наиболее перспективными

теплоносителями являются этиловый спирт и метилен хлорид

теплоноситель

Производительность процесса

формирования замороженного изделия во многом определяется интенсивностью теплообмена между замерзающей суспензией и жидким теплоносителем, характеризующейся коэффициентами теплоотдачи от поверхности замерзак формообразующей оснастки

В связи с этим, конструктивные особенности модельной оснастки являются важным элементом технологии

На рис 12 представлена принципиальная схема оснастки для изготовления керамических стержней замораживанием Эффективность теплоотвода к охлаждающей среде (жидкому теплоносителю) зависит преимущественно от площади поверхности теплообмена, длины и периметра сечения каналов На теплоотдачу от замерзающей суспензии оказывает влияние термическое сопротивление стенок оснастки

1 матрица

2 каналы для теплоносителя 3-прокладка

4 крышка матрицы ¿-втулка заливного отверстия 6-плита толкателей 7 теплоизоляция

8-штуцеры подвода теплоносителей

эщего изделия и от поверхности

В результате инженерных расчетов установлено, что термическое сопротивление стенок оснастки из алюминиевого сплава Д-16 с толщиной 0,01 0,03 м не оказывает заметного влияния на процесс теплообмена Для стальной оснастки влияние термического сопротивления стенки становится заметным при толщинах более 0,02 м

С целью улучшения отвода тепла от элементов оснастки с большими толщинами стенок целесообразно применять вставки с дополнительными каналами для теплоносителя или из материалов с высокой теплопроводностью, например меди

Индивидуальной особенностью процесса изготовления керамических изделий замораживанием является увеличение объема суспензий в оснастке на 3 4%, что обусловлено объемным расширением воды при фазовом переходе Формирование замкнутых объемов не замерзшей суспензии (термических узлов) может приводить к возникновению напряжений и, как следствие, образованию трещин, вздутиям или разрушению изделия при оттаивании или обжиге

В связи с этим, возникает необходимость создания условий для направленного затвердевания суспензии в оснастке, особенно в случаях промораживания всего объема керамического изделия

Для практической реализации этих условий предложено применять как известные в технологии литейного производства методы и приемы, например выбор расположения изделия в оснастке и места подвода суспензии, так и приемы, основанные на изменении интенсивности теплообмена между замерзающей суспензией и оснасткой Последнее обеспечивается соответствующим расположением каналов охлаждения в оснастке, изменением толщины стенок оснастки, применением материалов с различной теплопроводностью

С целью определения наиболее эффективных способов и параметров термической обработки керамических изделий, изучались различные способы и режимы их нагрева Нагрев производился в пламенных печах, электропечах сопротивления и микроволновых СВЧ печах

В связи с низкими прочностными свойствами изделий во влажном (размороженном) состоянии, важное значение для промышленных условий приобретает организация их транспортирования и хранения в период размораживания

Опробовались варианты обжига керамических форм и стержней из замороженного состояния и после предварительной сушки

Формы и стержни из кварцевой керамики выдерживали без потери качества загрузку в печь при температурах 1070 1120К Изделия из корундовой керамики поражались дефектами в виде трещин и отслоений при температурах загрузки выше 500 520К Стойкость кварцевой керамики к термическим ударам объясняется низкой теплопроводностью и способностью отражать до 80% лучистой энергии

При микроволновом нагреве различия между кварцевыми и корундовыми изделиями проявлялись после удаления из них свободной воды Корундовые продолжали нагреваться, а кварцевые теряли температуру, что обусловлено различием диэлектрических свойств огнеупорных материалов

В результате определена целесообразность проведения термической обработки форм и стержней в два этапа

Этап размораживания и сушки до стадии удаления свободной воды может производиться на стеллажах в атмосфере цеха или в сушилах при температурах 375 .420К Транспортирование форм и стержней следует осуществлять в замороженном состоянии

Этап высокотемпературной обработки (обжига) из-за гигроскопичности керамики целесообразно осуществлять перед использованием форм и стержней При этом накопители для длительного хранения следует организовывать на стадии или в

конце первого этапа

При опробовании процесса по схеме (рис 10) в лабораторных условиях были выявлены его специфические особенности В частности, склонность к образованию поверхностных дефектов на керамических изделиях в виде неспаев и корольков при заполнении охлажденной оснастки суспензией Устранение дефектов достигается заполнением оснастки снизу, для чего разработаны схемы устройств подачи суспензии под низким газовым и поршневым давлением

Определены параметры наиболее эффективного управления качеством заполнения - это рабочая температура оснастки и вязкость суспензии, регулируемая содержанием огнеупорного наполнителя в суспензии

Установлено, что термостатирование замороженных изделий при температурах ниже 250К до выравнивания температур по сечению стенки, является одним из важнейших параметров технологического процесса При неполном вымораживании сорбированной воды, оттаивание изделий сопровождается регидратацией твердой фазы, короблением и растрескиванием изделий при обжиге В ряде случаев, термостатирование следует выделять в отдельную технологическую операцию

При выполнении экспериментальных работ в лабораторных условиях опробованы методы и приемы, позволяющие применять неметаллическую модельную оснастку, в частности металлопластмассовую, эластичную на основе силастиков

Результаты аналитических исследований и экспериментальных работ были использованы при разработке технического задания на проектирование оборудования для опытно-экспериментального производства

В восьмой главе изложены материалы по реализации технологического процесса в условиях опытно-экспериментального производства ЦНИИМ

Дано описание оборудования, входящего в состав участка изготовления керамических форм и стержней, включающего низкотемпературную холодильную установку, устройства для заполнения стержневой оснастки суспензией поршневым давлением, для выталкивания замороженных стержней из оснастки, для изготовления двухсторонних оболочковых форм

Приведена номенклатура отливок, производимых в опытно-экспериментальном производстве партиями от нескольких штук до нескольких сотен штук из углеродистых и легированных марок сталей, чугуна различных марок и алюминиевых сплавов Основную часть номенклатуры составляют литые заготовки рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов, рабочих колес компрессоров, вентилируемые тормозные диски

В опытно-экспериментальном производстве была реализована новая конструкция двухсторонних оболочковых форм для стопочной формовки и технология их изготовления применительно к условиям крупносерийного производства

Опробовано при выпуске партий отливок сочетание новой технологии с известными формовочными процессами, в частности литьем по выплавляемым моделям и вакуумно-пленочной формовкой

В девятой главе изложены результаты оценки качества отливок в отношении размерной точности и шероховатости поверхности

Оценка размерной точности отливок производилась на партиях заготовок «аппарат направляющий» (100 шт ) и «тормозной диск» (30 шт)

Оценка параметров шероховатости производилась на поверхностях лопастей отливок «аппарат направляющий»

Установлено, что литьем в керамические формы, изготовленные замораживанием водных вяжущих суспензий, обеспечивается качество отливок по размерной точности на уровне 4 7 классов по ГОСТ 26645-85 и по значениям параметра шероховатости поверхности 11а 1,6 3,2мкм

3. Выводы.

1 Разработан технологический процесс изготовления керамических литейных форм и стержней методом замораживания водных вяжущих суспензий для литья широкой номенклатуры заготовок рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов, исследовано качество отливок в отношении размерной точности и шероховатости литой поверхности, даны рекомендации по его промышленному применению

Процесс включает приготовление водной вяжущей суспензии, заполнение суспензией охлаждаемой формообразующей оснастки, замораживание суспензии, извлечение замороженного полуфабриката, его сушку и обжиг, сборку форм и стержней перед заливкой

2 Изучен механизм воздействия замораживания на водные вяжущие суспензии со структурообразующим гидрозолем двуокиси кремния Установлены условия замораживания, обеспечивающие необратимость их отверждения Водные вяжущие суспензии утрачивают способность к рагидратации при оттаивании, если в процессе охлаждения обеспечивалось последовательное вымораживание свободной воды (дисперсной среды), сопровождающееся формированием структур коагуляционного

типа, а затем вымораживание связанной воды (входящей в состав гидратных оболочек), сопровождающееся дегидратацией поверхности твердой фазы и образованием структур конденсационного типа

3 Методом термического анализа и инженерными расчетами исследована кинетика формирования твердой корки при замораживании суспензий, определены временные характеристики процесса Получены зависимости продолжительности затвердевания от температуры охлаждающей среды, от температуры заливки суспензий и их теплофизических характеристик

Установлено, что замораживание суспензий целесообразно производить при температурах охлаждающей среды 220 250К, при этом продолжительность процесса не будет превышать 200с, а удельная тепловая нагрузка будет составлять 100. 150 кДж/кг

4 Изучены основные физико-механические и технологические характеристики керамических форм и стержней Установлены их зависимости от температур замораживания, термической обработки, качественного и количественного составов суспензий

Замораживание суспензий с влажностью 20 25 % при температурах ниже 250К обеспечивает прочность керамики при изгибе во влажном (оттаянном) состоянии 0,09 0,12МПа, в сухом 0,8. 1,0МПа Обжиг форм и стержней при температурах 1070 1270К увеличивает прочность до 4. 7МПа, при температурах 1420 1470К-до 30 МПа для кварцевой керамики и до 70МПа для керамики с корундом

Для приготовления суспензий допускается использование в качестве структурообразующей основы гидрозоля двуокиси кремния с содержанием твердой фазы не менее 10%

Газопроницаемость керамических форм и стержней в пределах 3 Ю"10 50 10"10 м2/Па с изменяется от содержания воды в суспензии, дисперсности огнеупорного материала и температуры замораживания (охлаждающей среды)

5 Исследованы качественный и количественный состав газов, выделяющихся из керамических форм и стержней в диапазоне температур 670 1170К Установлено, что в состав выделяющегося газа входят Н20, СО и С02, а удельная газотворность составляет 14 170 мл/100г, что позволяет сделать вывод об экологической безопасности процесса

6 Исследовано качество отливок, изготовленных на опытно-экспериментальном оборудовании с применением разработанного технологического процесса Размерная точность отливок соответствует 4 7 классу по ГОСТ 26645-85 Чистота литой поверхности оценивается параметрами шероховатости Яа в пределах 1,6 3,2мкм

7 Создано и внедрено опытно-экспериментальное оборудование для получения керамических форм и стержней замораживанием, включающее двухступенчатую фреоновую автоматическую холодильную машину с жидким промежуточным теплоносителем, устройство для изготовления керамических литейных форм, устройство для изготовления керамических стержней

Определены конструктивные особенности модельной и стержневой оснастки

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1 Формование керамических литейных форм и других изделий замораживанием водных шликеров/ Можаев В М , Глебов С М , Рахманова Г В //Сб ВОТ Серия 16 ЦНИИИнформации - М ,1989 -Вып 171-172 - С 18-21

2 Технология изготовления керамических литейных форм замораживанием водных шликеров/ Глебов С М //Тезисы докладов I отраслевой конференции технологов-машиностроителей - Тула, 1990-С 152

3 Изготовление керамических литейных форм замораживанием водных шликеров/ Глебов СМ, Можаев ВМ //Сб ВОТ Серия 16 ЦНИИИнформации -М ,1991 -Вып 1 (181) -С 12-16

4 Опыт применения низкотемпературной формовки/ Глебов С М, Можаев В М // Литейные материалы, технологии и оборудование Сб Трудов ЦНИИМ, -СПб, 1995 -Вып 1,-с 11

5 Низкотемпературная формовка - процесс изготовления керамических литейных форм и стержней замораживанием водных вяжущих суспензий (шликеров)/ Глебов СМ // Литейное производство сегодня и завтра Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции - СПб , 2004 -С 162168

6 Низкотемпературная формовка - процесс изготовления керамических литейных форм и стержней замораживанием водных вяжущих суспензий (шликеров)/ Глебов СМ // Новые подходы к подготовке производства в современной литейной промышленности Материалы научно-практического семинара - СПб , 2004,-С 88-93

7 Применение низкотемпературной формовки для изготовления стержней проточной части рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов/ Глебов С М, Кузнецов В П, Пирайнен В Ю //Тезисы докладов VII Съезда литейщиков России - Н Историческое наследие России, 2005 -Т 2, -С 43-46

8 Глебов С М Низкотемпературная формовка - экологически безопасная технология для литейного производства //Литейное производство, 2005 - №11, -С 13

9 Патент РФ № 2033883 кл В22С 9/00, 1/00 от 07 08 1992г Способ изготовления керамических литейных форм и других изделий /Глебов С М , Можаев В М -5056109/02, -заявлено 07 08 92г, -опубл 30 04 95г, бюл №12

10 Патент РФ № 39845 кл В22С 9/00, 11/00 от 29 04 2004г Оболочковая керамическая двухсторонняя полуформа, оснастка для ее изготовления и кассетная литейная форма /Глебов СМ, Пирайнен ВЮ, Кузнецов ВП -2004114109, -заявлено 29 04 2004г , -опубл 20 08 2004г , бюл №23 //Зарегистрирован 20 08 2004

11 Патент РФ №58407 miB22D 18/04, В22С 9/00, 11/00 от 26 05 2006г Установка для литья под низким давлением и литейная форма/ Буров М Г , Глебов С М, Пирайнен В Ю -2006118296, -заявлено 26 05 2006г , -опубл 27 11 2006г, бюл №33

12 Авторские свидетельства СССР № 262086, № 262214, № 283062, № 303506

АВТОРЕФЕРАТ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Глебов Сергей Михайлович

Лицензия ЛР №020308 от 14 02 97 Санитарно-эпидемиологическое заключение №8 01 07 953 П 005641 11 03

от 21 11 2003 г

Подписано в печать 10 04 07 Формат 60x84 1/16

Бкн-журн Пл 1,0 Б л 0,5 Изд-во СЗТУ

Тираж 100 Заказ 1612

Северо-Западный государственный заочный технический университет Издательство СЗТУ Член Издательско-полиграфической ассоциации Университетов России

191186, Санкт-Петербург, ул Миллионная, д 5