автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Керамические формы на кремнезольном связующем для литья по выплавляемым моделям

На правах рукописи

Мартынов Константин Викторович

КЕРАМИЧЕСКИЕ ФОРМЫ НА КРЕМНЕЗОЛЬНОМ СВЯЗУЮЩЕМ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Специальность 05.16.04. - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Институте Машиностроения

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Бречко Аркадий Анатольевич

Официальные оппоненты:

д.т.н. Ткаченко Станислав Степанович к.т.н. Иванов Андрей Алексеевич

Ведущая организация - ОАО "Невский завод"

Защита состоится "7(7 " О&ея/им^ 2006 Г. В "/¿>" часов, на заседании диссертационного совета Д 212^229.14 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, ГОУ "СПбГПУ", химический корпус, ауд. 51.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Автореферат разослан

Ученый секретарь д.т.н. проф.

Кондратьев С.Ю.

226274?

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Общая тенденция развития литейного производства идет в направлении увеличения объемов литья, изготовляемых специальными способами, которые обеспечивают более качественные отливки. Одним из этих способов является метод литья по выплавляемым моделям.

Современная социальная обстановка в России сформировала значительный сектор литейного производства, поставляющий заготовки для художественных изделий. Оформление жилых и административных помещений, реставрация памятников культуры требуют возрастающего объема точнолитых заготовок, в частности из медных сплавов.

От качества керамической формы в ЛВМ в значительной степени зависит качество изготовляемых отливок, в частности, их геометрическая и размерная точность, а также шероховатость их поверхности. Технологические и физико-механические свойства самой формы во многом определяются свойствами связующего и технологией его приготовления.

Одними из самых широко распространенных связующих в нашей стране являются этилсиликаты (ЭТС). Но ЭТС - это один из самых дорогих материалов, применяемых в ЛВМ. Его использование для приготовления керамических форм требует применения органических растворителей и аммиака, что создает взрыво-и пожароопасную обстановку и вредные условия на производстве.

Решение задач по снижению себестоимости отливок и улучшению экологических условий производства требует поиска новых связующих материалов, не уступающих по своим свойствам ЭТС, а также разработки технологий получения из них керамических форм.

За рубежом уже отказались от органо-минеральных связующих и перешли на кремнезольные, которые выпускаются там под различными марками: Ьис1ех, Бкоп, Клебозол, Сизоль и др. Использование кремнезольного связующего Сиалит-20, выпускаемого отечественной промышленностью, позволяет во многом решать поставленные задачи. Связующее Сиалит-20 в настоящее время в промышленном масштабе выпускает ЗАО "Силикат" в г. Елабуга. До сих пор Сиалит-20 не нашел широкого применения для изготовления керамических форм в ЛВМ.

Сиалит-20 является экологически чистым материалом, технология его использования в ЛВМ не требует применения вредных веществ. Суспензии на основе Сиалит-20 обладают высокой живучестью, их можно хранить без потери свойств в течение шести и более месяцев. Стоимость Сиалит-20 в 3 раза ниже стоимости ЭТС. Таким образом, разработка технологии на основе Сиалит-20 является актуальной задачей.

Цель настоящей работы. Целью работы явилась разработка технологии изготовления керамических форм на основе Сиалит-20. Для этого необходимо было исследовать структуру и свойства керамических форм на основе Сиалит-20 и сравнить их с формами на основе ЭТС на различных стадиях технологического процесса их изготовления. На защиту выносятся следующие положения:

I. Прочность форм на кремнезольном связующем Сиадит-20 в 1,5-2 раза

превосходит аналогичные показатели форм на органо-минеральном связующем. Остальные технологические показатели сопоставимы.

2. Свойства керамической формы (прочность, качество отпечатка, взаимодействие с обсыпочными материалами, формирование контактной поверхности) обусловлены явлением массопереноса в капиллярно-пористой среде.

3. Капиллярно-пористая среда - это самоструктурирующийся объект. Время самоструктурирования составляет менее 5 с.

4. Массоперенос в капиллярно-пористой среде сопровождается возникновением динамических структур, время существования которых не более 120 с.

5. Число участников формирования капиллярно-пористой среды составляет 106 - 108 на 1 м2 керамической формы, что позволяет говорить о хаотическом распределении частиц маршалита в связующем.

6. Взаимодействие суспензии с обсыпочныым материалом определяется процессом массопереноса в капиллярно-пористой среде и скоростью диффузии растворителя в окружающую среду.

Научная новизна выносимых на защиту результатов работы.

1. Процесс формирования слоя керамической формы начинается с мгновенного образования капиллярно-пористой среды. Ее эволюция определяет прочность керамической формы, качество ее контактной поверхности и характер взаимодействия суспензии с обсыпкой.

2. В процессе формирования слоя керамической формы установлено явление интенсивного движения суспензии, определяющее создание глобулярных пространственных структур.

3. Предложена модель массопереноса жидкой фазы при формировании структуры керамической формы на основании уравнения материального баланса.

Практическая значимость работы. Разработанная технология позволила реализовать процесс получения керамических форм на связующем Сиалит-20 для изготовления отливок из сплавов на медной основе применительно к реставрации или изготовлению новых художественных изделий. Результаты работы внедрены на фирмах ООО "Рестамп" и ООО "Русский Модерн". Полученные отливки не уступают по чистоте поверхности и размерной точности отливкам, изготовленным с использованием этилсиликатных оболочек. Годовой объем выпуска отливок только для фирм ООО "Рестамп" и ООО "Русский Модерн" составил свыше 1500 кг. Экономический эффект за счет сокращения расхода связующих материалов превысил 45000 рублей.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах:

1. 4-я Всероссийская научно-практическая конференция "Литейное производство сегодня и завтра", Санкт-Петербург, 2003г.

2. 5-я Всероссийская научно-практическая конференция "Литейное производство сегодня и завтра", Санкт-Петербург, 22 - 24 июня 2004г.

3. Семинар "Совершенствование технологии и повышение эффективности литейного производства", Санкт-Петербург, 14-17 декабря 2004г.

4. 1-я Международная научно-практическая конференция "Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности", Санкт-Петербург, 31 мая - 2 июня 2005г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложения и библиографического списка из 154 наименований. Содержание работы изложено на 182 страницах, содержит 27 таблиц, 63 рисунка.

Содержание работы

Во введении представлено обоснование актуальности проводимых исследований, изложена научная новизна, практическая значимость и реализация результатов работы.

В первой главе изложена технология изготовления керамических форм для ЛВМ, рассмотрены используемые в настоящее время формовочные материалы с анализом их технологических свойств и свойств получаемых из них форм.

Приведен аналитический обзор литературных источников в области исследований по совершенствованию технологии производства керамических форм для ЛВМ и поиску новых формовочных материалов.

Выполнен анализ существующих исследований в области формирования структуры керамических форм. Выделены достоинства и недостатки существующих методов исследования структурообразования форм.

На основе анализа и обобщения теоретических и практических данных по технологии формообразования в ЛВМ, а также существующих исследований в области структурообразования керамических форм сформулированы следующие задачи настоящей работы:

1. Разработать состав суспензий с использованием связующего Сиалит-20.

2,Определить и провести сравнительный анализ физико-механических и технологических свойств суспензий и керамических форм на основе ЭТС-40 и Сиалит-20 на различных этапах производственного процесса.

3.Исследовать структурирование оболочек при отверждении керамических форм на основе ЭТС-40 и Сиалит-20.

4.Исследовать формирование контактной поверхности лицевого слоя керамических форм на основе ЭТС-40 и Сиалит-20.

5.Исследовать динамику образования пространственной структуры кремнегеля при отверждении керамических форм на основе ЭТС-40 и Сиалит-20.

6.Исследовать послойную структуру оболочек, изготовленных на основе различных связующих.

7.Реализовать полученные результаты в промышленном производстве.

Во второй главе приведен комплекс известных и разработанных в данной работе методик исследований для определения технологических и структурных параметров керамических форм и суспензий.

Краевой угол смачивания определяли теневым методом с помощью устройства, дающего увеличение объекта в 30 раз. Измерение краевого угла смачивания осуществляли по изображению на экране капель суспензии.

5

Поверхностное натяжение огнеупорной суспензии измеряли методом счета капель с последующим уточнением результатов поправочными коэффициентами.

Условную вя¡кость определяли по визкозиметру ВЗ-4.

Динамическую вязкость огнеупорной суспензии определяли методом падения шарика в жидкой среде. В данном случае измеряли скорость падения стального шарика в пробирке с суспензией, т.е. определяли время прохождения шариком под действием силы тяжести пробирки с суспензией высотой 400 мм.

Расход связующего, наполнителя и обсыпки при формировании керамических форм определяли по методике, основанной на последовательном взвешивании формовочных материалов и готовых образцов с целью определения приращения массы оболочки.

Формирование структуры керамической формы наблюдали с помощью микроскопа МБИ-15 и засняли с 6-кратным увеличением на видеокамеру, объектив которой помещался на место встроенного в микроскоп фотоаппарата. Общее увеличение объекта составило 480 раз. Процессы гелеобразования под микроскопом наблюдали в пленках огнеупорной суспензии толщиной не более 50 мкм. Эти пленки получали сдвигом покровного стекла относительно предметного стекла, без отрыва их друг от друга, между которыми помещалась капля суспензии.

Потерю массы керамической формы в период сушки определяли путем последовательного взвешивания образцов. Потеря массы при сушке выражали в процентах по отношению к массе жидкой фазы формируемого слоя.

Потерю массы керамической формы при прокаливании определяли через каждые 100°С в интервале температур от 300 °С до 900°С.

Прочность формы на изгиб определяли по методике, предложенной Шкленником Я.И. Разрушение образцов осуществляли на приспособлении, состоящем из двух призм, выполненных из первичного шамота. Нагрузку передавали через нихромовую проволоку диаметром 0,5 мм. Для испытания при температуре прокалки приспособление помещали в печь сопротивления. Контроль температуры осуществляли хромель-алюмелевой термопарой. Показания считывали с потенциометра КВП - 513. После разрушения пластины замеряли ее толщину, и рассчитывали напряжение в момент разрушения.

Пористость формы определяли методом пропитки ацетоном при прокаливании от 300 °С до 900 °С через каждые 100°С.

Газопроницаемость формы оценивали на стандартном приборе модели 042М, который оборудовали гильзой и трубкой для отбора воздуха. Вес груза на колоколе увеличили до 2 кг, что обеспечило давление 8500 Па. Для испытания при повышенной температуре образцы помещали в печь сопротивления. Контроль температуры осуществляли аналогично методике измерения прочности. С учетом динамической вязкости воздуха рассчитывали проницаемость форм.

Образование рельефа контактной поверхности керамических форм исследовали с помощью микроскопа МБС-9. Наблюдение за изменяющимися объектами фиксировали видеокамерой с общим увеличением изображения от 20 до 588 раз. Статические снимки получили с помощью цифрового фотоаппарата с увеличением изображения в 140 раз.

Макроструктуру керамической формы исследовали с помощью сканера Acer 640S.

Шероховатость отливок измеряли профилографом.

Массоперенос в капиллярно-пористой среде оценивали на основании разработанного уравнения материального баланса растворителя при сушке формы.

Известно, что массоперенос в керамических формах подчиняется закону Дарси, устанавливающему линейную зависимость между расходом жидкости и гидравлическим градиентом (уклоном или перепадом давления). Соответствующее уравнение имеет вид:

ц I

где: U - скорость фильтрации жидкости, $ф - эффективная площадь рассматриваемого сечения пористой среды, к - коэффициент проницаемости среды, ц - коэффициент динамической вязкости жидкости, РК - капиллярное давление.

В процессе сушки формы с ее поверхности происходит удаление растворителя в окружающую атмосферу. Скорость испарения U, т. е. количество жидкости, испаряющейся с некоторой поверхности за 1 с, зависит от внешнего давления и движения газообразной фазы над свободной поверхностью жидкости:

U = V^{P„-P„) (2)

"о

где: Sucn - площадь свободной поверхности жидкости, />„ - давление насыщенного пара, Р„ - давление паров жидкости над ее свободной поверхностью, Р„- внешнее барометрическое давление.

Можно предположить, что количество растворителя, профильтровавшегося через некоторое сечение в оболочке, и количество растворителя, испарившегося с ее поверхности, равны между собой:

(3)

Продифференцировав длину столба жидкости / в керамической форме по времени, получаем уравнение массопереноса растворителя из формы во внешнюю атмосферу.

Решение этого уравнения проведено при начальных условиях: г = 0 и / = 0. Оценку достоверности проводили на основании результатов измерения потери массы керамической формы при сушке.

В третьей главе представлены результаты исследований физических параметров огнеупорной суспензии, процесса формирования структуры керамической формы в холодном и нагретом состоянии, прочностных характеристик форм, шероховатости полученных на их основе отливок, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований массопереноса в формируемом слое керамической формы. Вышеперечисленные исследования

проводились для суспензий и керамических форм из ЭТС-40 и Сиалит-20 с кварцевым песком и плавленым кварцем.

Были определены следующие параметры огнеупорной суспензии на основе ЭТС-40 и Сиалит-20: статический краевой угол смачивания и поверхностное натяжение, условная и динамическая вязкость при различных концентрациях наполнителя (табл. 1). Все вышеперечисленные параметры для этилсиликатных и кремнезольных суспензий сопоставимы.

Таблица 1

Статический краевой угол смачивания, поверхностное натяжение и условная вязкость огнеупорной суспензии в зависимости от количества наполнителя

Краевой угол смачивания 0 огнеупорной

Количество суспензии

наполнителя на 1 Кварцевый Кварцевый Плавленый

дм3 связующего, кг песок, ЭТС-40 песок, Сиалит-20 кварц, Сиалит-20

1.6 14° 45° 40°

1.8 30° 45° 45°

2 56° 50° 50°

Количество Поверхностное натяжение огнеупорной

наполнителя на 1 суспензии, мН/м

дм3 связующего, кг

1.6 38 43 38

1.8 55 49 46

2 86 57 54

Количество

наполнителя на 1 Вязкость огнеупорной суспензии, с

дм3 связующего, кг

1,3 14,5 27 32

1,4 15 30 36

1,5 18 32 41

1,6 22 36 48

1,7 26 42 -

1,8 39 51 -

1,9 65 64 -

2 101 91 -

Как видно из таблицы 1, краевой угол смачивания (6 < 90°) и поверхностное натяжение обеспечивают режим смачивания суспензией модели, необходимый для удовлетворительной проработки сложного рельефа отливок. Условная вязкость суспензии при концентрации наполнителя 1,6 кг/дм3 не превышает 60 с, что обеспечивает прочное прилипание суспензии и воспроизведение формой рельефа поверхности модели.

Исследования формирования структуры керамической формы на пленках суспензии толщиной около 50 мкм под микроскопом МБИ-15 показали, что пылевидная фракция группируется в отдельные скопления, между которыми происходит перетекание потоков связующего в сторону меньшей концентрации (рис. 1,в).

в)

Рис. 1. Особенности процесса гелеобразования огнеупорной суспензии: а) вихревые потоки в огнеупорной суспензии; б) вихревые потоки в огнеупорной суспензии у поверхности частицы обсыпки; в) перетекание огнеупорной суспензии в сторону меньшей концентрации (х45)

Установлено, что капиллярно-пористая структура формируется менее чем за 5 с. Массоперенос жидкой фазы в капиллярно-пористой среде имеет разную степень интенсивности для форм на ЭТС-40 и на Сиалит-20. Так, на образцах из ЭТС-40 наблюдается активное перетекание жидкой фазы, на образцах из Сиалит-20 перетекание медленное. Движение это носит затухающий характер и

сопровождается возникновением динамических структур, время существования которых не более 120 с. Динамика этих процессов была зафиксирована при исследованиях контактной поверхности формы. Наблюдается изменение конфигурации скоплений связующего. Причем рост этих скоплений может происходить как плавно, так и дискретно.

Особенностью процесса гелеобразования является локальное круговое движение связующего, которое можно наблюдать на некоторых образцах суспензий на основе ЭТС-40 и Сиалит-20 (рис. 1, а). Одновременно в одном вихревом потоке вращается от 15 до 20 объектов. Скорость движения связующего в круговом потоке составляет от 7*10"5 м/с до 5*10"4 м/с. Круговое движение имеет затухающий характер по мере образования кремнегеля в рассматриваемой области пленки суспензии.

в) г)

Рис. 2. Контактная поверхность керамической формы (фрагмент) с наполнителем кристаллическим кварцем (х 35) на основе: а) Сиалит-20; б) ЭТС-40; в) Сиалит-20 с добавкой огнеупорной глины в 1-м слое; г) Сиалит-20 с добавкой КМЦ в 1-м слое

Было проведено исследование движения суспензии при ее контакте с частицами обсыпки. Наблюдение показало наличие вихревых потоков суспензии по всему видимому периметру частицы (рис. 1, б). Отчетливо видны шесть

10

вихревых потоков с радиусом действия около 60 мкм. В этих потоках вращаются частицы пылевидной фракции размером 5-10 мкм со скоростью от 7*10"5 м/с до 5*10"4 м/с. В каждом вихревом потоке одновременно находится от 3 до 6 частиц. Круговое движение имеет затухающий характер и прекращается через 3-5 минут. Таким образом, процесс образования кремниевого каркаса сопровождается циклическим движением химически активной жидкой фазы.

Исследования контактной поверхности керамических форм показали, что формы из Сиалит-20 по чистоте поверхности уступают этилсиликатным. Использование при формировании лицевого слоя добавок КМЦ (2 - 3%) или огнеупорной глины (5 - 8%) (вводятся непосредственно в суспензию) значительно улучшает поверхностные характеристики форм (рис. 2).

Исследуемые керамические формы на основе кварцевого песка и связующих ЭТС-40 и Сиалит-20 с КМЦ и огнеупорной глиной на 1-м слое были использованы для получения отливок из латуни ЛС-59-1 и бронзы Бр05Ц5С5. Шероховатость поверхности всех полученных отливок не превышает 12 Яг.

в)

Рис. 3. Контактные слои керамической оболочки в форме параллелепипеда (фрагменты) на основе Сиалит-20 и кварцевого песка (х 35): а) нижняя грань; б) верхняя грань; в) боковая грань

Исследования контактной поверхности в плоскостях, разноориентированных

II

относительно направления силы тяжести, проводились для керамических форм на основе Сиалит-20 и кварцевого песка. Наблюдения велись после окончания сушки, длительность которой составила 6 часов. Контактный слой, сформированный на различных гранях образца, имеющего форму параллелепипеда, имеет различный рельеф поверхности (рис. 3).

Видимо, до тех пор, пока не образуется твердый каркас кремнегеля первого слоя, силы тяжести определяют направление оседания наполнителя и миграции связующего. Связующее группируется в отдельные скопления. Кроме того, масса слоя на нижней и боковых гранях образца больше, чем на верхней, т.к. слой суспензии и обсыпки сползает с верхней грани по боковым поверхностям вниз и ,

утолщает нижнюю грань. Отмечено также влияние количества наполнителя в огнеупорной суспензии на состояние контактной поверхности. Так, для форм из ЭТС-40 и Сиалит-20 с увеличением концентрации наполнителя с 1,0 кг/дм3 до 2,0 кг/дм1 уменьшается размер и глубина пустот. Исключение составляют формы из Сиалит-20 и кварцевого песка с добавкой КМЦ. Поверхность их контактного слоя практически не меняется при различных концентрациях введенного наполнителя и имеет "плотную" структуру, довольно равномерно покрытую небольшим количеством (до 30%) круглых пор.

Газопроницаемость и проницаемость керамических форм на связующем Сиалит-20 в 2 - 3 раза превосходит аналогичные показатели у форм из ЭТС-40 на всем интервале температур при прокаливании. В качестве наполнителя применяли кварцевый песок. При использовании плавленого кварца газопроницаемость и проницаемость форм из Сиалит-20 в 4 - 5 раз ниже, чем при использовании кварцевого песка.

Проницаемость керамических форм на ЭТС-40 и Сиалит-20 с кварцевым песком, при повышении температуры прокалки до 500°С, через каждые 100°С увеличиваются примерно на 20%. Далее - эти показатели стабилизируются. Существенный рост проницаемости наблюдается при более высоких температурах, когда происходит образование трещин в керамических формах. Пористость форм при прокаливании также увеличивается до 500°С, а затем стабилизируется. Это позволяет сделать вывод о том, что капиллярно-пористая среда, образовавшись в первые 1 ... 5 с после нанесения суспензии, по-видимому, не претерпевает в дальнейшем существенной деформации и не меняет своей >

пространственной структуры вплоть до температуры прокалки 500°С. Меняется лишь форма границ в результате нанесения обсыпки и образования скоплений растворителя (воды или спирта). ,

В процессе исследований установлено, что водное связующее Сиапит-20С позволяет получить керамические формы, которые после отверждения сохраняют свою структуру без разрушения при контакте их с водой, что позволяет удалять модельный состав расплавлением в воде.

Формы на связующем Сиалит-20 в 1,5-3 раза превосходят по прочности этилсикатные формы во всем интервале температур при прокаливании. Особо следует отметить формы из Сиалит-20 с плавленым кварцем (рис. 4, а). Их прочность достигает 28 МПа. Использование добавок КМЦ и огнеупорной глины, улучшающих поверхностные характеристики керамических форм из Сиалит-20,

12

не оказывает существенного влияния на их прочность (рис. 4, в). Комбинированные формы с ЭТС-40 на 1-м слое и Сиалит-20 на остальных, по прочности в 1,3 раза превосходят формы на основе одного ЭТС-40 (рис. 4, в).

300 400 500 600 700 800 900 Температуре прокалки, (градусы Цельсия)

300 400 500 600 700 800 Температура прокалки, (градусы Цельсия)

а)

б)

-Ряд1 -Ряд2 -РядЗ

300 400 500 600 700 800 S00 Температура прокалки (градусы Цельсия)

в;

Рис. 4. Прочность керамических форм в зависимости от температуры прокалки, при использовании формовочных материалов:

а) ряд 1 - ЭТС-40 и кварцевый песок, ряд 2 - Сиалит-20 и кварцевый песок, ряд 3 - Сиалит-20 и плавленый кварц;

б) Сиалит-20 и кварцевый песок: ряд 1 - несоблюдение режима сушки; ряд 2 -вытопка форм в кипящей воде; ряд 3 - выплавление форм в печи сопротивления;

в) наполнитель кварцевый песок: ряд 1 - ЭТС-40 на 1-м слое, Сиалит-20 на остальных; ряд 2 - Сиалит-20 с КМЦ на 1-м слое; ряд 3 - Сиалит-20 и огнеупорная глина на 1-м слое

Практически не влияет на показатель прочности форм из Сиалит-20 способ удаления модельного состава (в кипящей воде или в печи сопротивления). Следует отметить, что несоблюдение режима сушки (сокращение времени сушки до 2-х часов, более высокая влажность воздуха и более низкая температура) снижают прочность форм из Сиалит-20С в 2 раза и более (рис. 4, б).

Массоперенос жидкой фазы в капиллярно-пористой среде оценивали на основании уравнения материального баланса растворителя при сушке формы. Расчетным путем определили количество испаряющейся жидкой фазы суспензии при отверждении формируемого слоя оболочки и провели сравнение расчетных данных с экспериментальными, полученными при определении потери массы керамической формы в период сушки (рис. 5). Потеря массы для керамических форм из ЭТС-40 и Сиалит-20 в процессе их сушки составляет около 90% от

общего количества жидкой фазы в суспензии. Проведенные расчеты показали, что потеря массы для формы на связующем ЭТС-40 имеет расхождение с экспериментальными данными в среднем на 20%.

Рис. 5. Зависимость потери массы керамической формы % от времени сушки: а) ЭТС-40, наполнитель кварцевый песок; б) Сиалит-20, наполнитель кварцевый песок; в) Сиалит-20, наполнитель плавленый кварц; ряд 1 - расчетные данные; ряд 2 - экспериментальные данные

Большое расхождение данных объясняется незавершенностью процесса поликонденсации. Для керамических форм на основе Сиалит-20С расхождение результатов расчетов и эксперимента не превышает 5%. I

Было сделано предположение о зависимости глубины скоплений растворителя от скорости оседания пылевидной фракции. Распределение маршапита в жидкой среде под действием силы тяжести подчиняется закону ,

Стокса. Выполненные расчеты показали, что глубина, на которую может опуститься частица размером 20 мкм за время до образования геля кремнекислоты, составляет от 40 до 120 мкм. Экспериментальные данные были получены на основе фотографий излома образцов. Сравнение опытных и теоретических значений показывают наличие влияния силы тяжести именно в соотношении уравнения Стокса. Однако, учитывая сложный характер движения жидкой фазы, нужно отметить, что проведенные вычисления лишь приближённо подтверждают влияние силы тяжести на сегрегацию компонентов огнеупорной суспензии.

В четвертой главе проведен анализ выполненных исследований. Образование капиллярно-пористой среды является быстропротекающим процессом в масштабе времени формирования всей керамической формы и длится не более 5 с.

Далее, при наличии положительного капиллярного давления на поверхности раздела суспензия - газ происходит массоперенос жидкой фазы к поверхности раздела и далее - испарение ее в атмосферу. Жидкая фаза представляет собой растворитель (органический для ЭТС и вода для кремнезоля). Такой вывод следует из наблюдения за формированием контактной поверхности керамической формы. Скопления жидкой фазы в дальнейшем при сушке покидают форму, оставляя после себя пустоты без следов кремнегеля.

Видеозапись погружения частиц обсыпки в суспензионный слой керамической формы показывает, что погружение частиц носит пороговый характер. Песчинка может от 10 до 60 с находиться на поверхности суспензии и затем в течение 1 с погрузиться в суспензию. Результаты измерения краевого угла смачивания и поверхностного натяжения показывают, что огнеупорная суспензия смачивает модельный состав и кварцевый огнеупорный наполнитель. Согласно измеренным значениям 9 и <тЖ1, частица обсыпки должна погружаться в суспензию сразу, однако этого не происходит. Переход режима несмачивания в режим смачивания происходит скачкообразно. Возможное объяснение этого явления: соотношение массы жидкой фазы и массы пылевидной фракции в объеме суспензии, прилегающем к частице обсыпки, меняется во времени и зависит от фильтрации растворителя и перераспределения компонентов огнеупорной суспензии. То есть, массоперенос в капиллярно-пористой среде определяет процесс внедрения зернистого материала обсыпки в суспензионный слой. В результате, как показывает сканирование излома формы, последняя имеет крайнюю неоднородность, особенно на границе слоев суспензии с обсыпкой и слоев чистой суспензии.

Таким образом, взаимодействие твердой фазы обсыпки и огнеупорной суспензии определяется в значительной степени процессом массопереноса жидкой фазы в капиллярно-пористой среде суспензионного слоя. Образовавшись в первые 1 ... 5 с после нанесения суспензии, она, по-видимому, не претерпевает в дальнейшем существенной деформации вплоть до температуры прокалки 500°С. Меняется лишь форма границ в результате нанесения обсыпки и образования скоплений растворителя (воды или спирта). Такой вывод следует из анализа измерений пористости и проницаемости. Пористость увеличивается до температуры прокалки 500°С, далее - она стабилизируется. Пористость измерена на "холодных" образцах, и полиморфные превращения кварца не учитываются. При 500°С из керамической формы удаляются растворитель и органические остатки. Для формы на связующем ЭТС-40 в основном завершается процесс поликонденсации.

Проницаемость керамической формы до температуры прокалки 500°С увеличивается примерно на 20%. Существенный рост проницаемости наблюдается при более высоких температурах, когда происходит образование трещин в керамической форме.

Отсюда следует вывод: пространственная структура керамической формы формируется в результате эволюции капиллярно-пористой среды. Если это предположение верно, то проницаемость керамической формы при 500°С соответствует проницаемости капиллярно-пористой среды, через которую происходит удаление растворителя в процессе сушки.

Таким образом, можно утверждать, что капиллярно-пористая среда, формирующаяся в первые 1 ... 5 с после нанесения огнеупорной суспензии на модель, определяет и характер взаимодействия с моделью, и процесс нанесения обсыпки.

В ходе исследований отмечено влияние характера массопереноса на прочность керамических форм. Чем активнее движение жидкой фазы, тем ниже прочностные характеристики формы.

Так, в этилсиликатных суспензиях массоперенос значительно интенсивнее, чем в суспензиях на основе кремнезоля. Прочность на изгиб формы на кремнезоле выше, чем у формы на основе ЭТС. Однако, если сушка форм на связующем Сиалит-20 ведется недостаточно интенсивно, то происходит образование значительных скоплений растворителя. Прочность таких форм в 2 - 3 раза ниже, чем у форм, подвергаемых интенсивной сушке.

Исследования расхода формовочных материалов при формировании керамической оболочки показали, что предпочтительнее использовать полидисперсную обсыпку. Независимо от номера слоя процентное усвоение зерен изменяется мало. Полидисперсность обсыпки позволяет получить более плотную упаковку зерен и тем самым уменьшить неоднородность формы.

Общие выводы

1. Разработана и реализована технология изготовления керамических форм при ЛВМ на кремнезольном связующем, включающая технологию приготовления суспензии, способ ее нанесения, сушки, удаления модельного состава и прокалки, обеспечивающая получение керамических форм с повышенной прочностью (20 МПа) и заданной газопроницаемостью.

2. Исследован механизм структурообразования керамической формы, выявлено наличие глобулярных сетчатых структур и динамика их формирования. > Установлена связь между структурообразованием формы и ее механической прочностью и газопроницаемостью.

3. Установлено, что процесс формирования слоя керамической формы начинается с образования пылевидной фракцией капиллярно-пористой структуры в течение 0,5 ... 5 с после нанесения суспензии. Эволюция капиллярно-пористой структуры определяет прочность керамической формы, качество ее контактной поверхности и характер взаимодействия суспензии с обсыпкой.

4. Предложена модель массопереноса жидкой фазы при формировании структуры керамической формы на основании уравнения материального баланса.

5. Выполнен сравнительный анализ физико-механических и технологических свойств суспензий и керамических форм на основе ЭТС-40 и Сиалит-20. Показано, что прочность керамических форм на кремнезольном связующем в 1,5

16

- 2 раза выше, чем на этилсиликатном. Керамические формы, выполненные из Сиапит-20 и плавленого кварца, имеют прочность на изгиб 28 МПа, что в 3 - 4 раза выше, чем при использовании ЭТС-40.

6. Расчет процесса массопереноса в форме и экспериментальное определение коэффициента проницаемости показало, что капиллярно-пористая структура формы, образовавшаяся в течение первых 5 с после нанесения суспензии, не

меняется вплоть до прокалки при температуре 500 °С.

7. Теоретически и экспериментально установлено, что структура контактной поверхности керамической формы и глубина проникновения обсыпки определяются процессом массопереноса в капиллярно-пористой среде огнеупорной суспензии формируемого слоя, в течение первых 100 с после нанесения суспензии.

8. Установлено, что суспензия на кремнезольном связующем необратимо твердеет и сохраняет свою структуру без разрушения при контакте с водой. Способ удаления модельного состава (в воде или горячим воздухом) не влияет на прочность керамической формы.

9. Качество контактной поверхности керамических форм на Сиапит-20 уступает по этому показателю формам на ЭТС-40 и зависит от ориентации по отношению к силе тяжести. Установлено, что введение в суспензию на Сиалит-20 добавок КМЦ или огнеупорной глины позволяет получать из форм на ее основе отливки с шероховатостью менее 20 Rz.

10. Установлено, что комбинированные керамические формы с первым слоем из ЭТС-40 и остальными - из Сиалит-20 по прочности в 1,5 раза превосходят этилсиликатные формы.

11. Разработанная технология реализована на производстве отливок для художественных изделий ООО "Рестамп", ООО "Русский Модерн", ЧП "Биана" и других. Применение кремнезольного связующего Сиалит-20 позволило обеспечить экономию свыше 5 тыс. рублей на 100 кг литья.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Мартынов К.В., Гуляева Т.Б., Емельянов В.О. Исследование структуры и свойств керамических форм на основе кристаллического кварца. Материалы 4-й Всероссийской научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 2003 г., стр. 103-104.

2. Мартынов К.В., Емельянов В.О., Бречко A.A. Структура и свойства керамических форм на основе кристаллического кварца. Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции. Литейное производство сегодня и завтра. Материалы 5-й Всероссийской научно-практической конференции, 22 - 24 июня 2004 г., Санкт-Петербург, стр. 187-191.

3. Мартынов К.В., Емельянов В.О., Бречко A.A. Исследование структуры и свойств керамических форм на основе этилсиликатных и кремнезольных связующих. Материалы семинара "Совершенствование технологии и повышение

эффективности литейного производства" Санкт-Петербург, 14-17 декабря 2004 г., стр. 1-14.

4. Мартынов К.В., Емельянов В.О., Бречко A.A. Перспективы использования кремнезольного связующего при изготовлении керамических форм для литья по выплавляемым моделям. SciTecLibrary.ru Электронная научно-техническая библиотека. Статьи и публикации - Металлургия, Машиностроение и Металлообработка, 26 января 2005 г.

5. Мартынов К.В., Емельянов В.О., Бречко A.A. Аналитические особенности формирования структуры керамической оболочки в литье по выплавляемым моделям. Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т.1: Сборник трудов 1-й Международной научно-практической конференции "Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности", Санкт-Петербург, 31 мая - 2 июня 2005 г., стр. 133-135.

6. Мартынов К.В., Емельянов В.О., Бречко A.A. Особенности формирования поверхности контактного слоя керамических форм на основе ЭТС-40 и Сиалит-20С. Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т.1: Сборник трудов 1-й Международной научно-практической конференции "Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности", Санкт-Петербург, 31 мая -2 июня 2005 г., стр. 135-136.

7. Мартынов К.В., Емельянов В.О., Бречко A.A. Структура и свойства керамических форм для литья по выплавляемым моделям. Литейщик России. -2005,-№7, стр. 31-35.

8. Мартынов К.В., Емельянов В.О., Бречко A.A. Физические параметры огнеупорной суспензии и керамических форм для литья по выплавляемым моделям. Труды 1-го Международного форума "Актуальные проблемы современной науки". Естественные науки. Части 3,4: Механика. Машиностроение и машиноведение. Металлургия. Литейное производство. Самара 2005 г., 12-15 сентября, стр. 55-57.

9. Мартынов К.В., Емельянов В.О., Бречко A.A. Исследования формирования структуры керамической формы для литья по выплавляемым моделям. Труды 1-го Международного форума "Актуальные проблемы современной науки". Естественные науки. Части 3,4: Механика. Машиностроение и машиноведение. Металлургия. Литейное производство. Самара 2005 г., 12-15 сентября, стр. 57-59.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 01.11.2005. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100. Заказ 138Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: 550-40-14 Тел./факс: 247-57-76

№ 2 5 9 9 4

РНБ Русский фонд

2006-4 29694

i

1. Введение.

2. Состояние вопроса.

2.1. История процесса.

2.2. Технология формирования керамических оболочек и

V основные исходные материалы.

2.2.1. Огнеупорные наполнители.

2.2.2. Связующие.

2.2.3. Добавки и растворители.

2.2.4. Технология формирования керамических оболочек.

2.3. Исследования формообразования в литье по выплавляемым моделям.

2.3.1. Особенности формирования структуры керамической формы.

2.3.2. Исследования в области совершенствования технологии формирования оболочек и поиск новых формовочных материалов.

2.4. Цели и задачи исследования.

3. Методика проведения исследований.

3.1. Выбор материалов для изготовления керамических форм. щ 3.2. Определение физических параметров огнеупорной суспензии

3.3. Исследование процесса формирования структуры керамической формы в холодном и нагретом состоянии.

3.4. Определение прочности керамической формы на изгиб.

3.5. Определение шероховатости отливок.

3.6. Расчет массопереноса в керамической форме.

4. Результаты исследований. fr 4.1. Определение физических параметров огнеупорной суспензии

4.2. Исследование процесса формирования структуры керамической формы в холодном и нагретом состоянии.

4.3.0пределеиие прочности керамической формы на изгиб.

4.4. Определение шероховатости отливок.

4.5. Теоретические и экспериментальные исследования массопереноса в формируемом слое керамической формы.

5. Анализ результатов исследований.

6. Промышленное опробование и внедрение.

Общая тенденция развития литейного производства идет в направлении увеличения объемов литья, изготовляемых специальными способами, которые обеспечивают более качественные и точные отливки. Одним из этих способов является метод литья по выплавляемым моделям.

Современная социальная обстановка в России сформировала значительный сектор литейного производства, поставляющего заготовки для художественных изделий. Оформление жилых и административных помещений, реставрация памятников культуры требует возрастающего объема точнолитых заготовок из медных сплавов.

От качества керамической формы в J1BM в значительной степени зависит качество изготовляемых отливок, в частности, их геометрическая и размерная точность, а также шероховатость их поверхности. Технологические и физико-механические свойства самой формы во многом определяются свойствами связующего и технологией его приготовления.

Одними из самых широко распространенных связующих в нашей стране являются этилсиликаты. Но ЭТС - это один из самых дорогих материалов, из применяемых в J1BM. Его использование для приготовления керамических форм требует применения органических растворителей и аммиака, что создает взрыво- и пожароопасную обстановку и вредные условия на производстве.

Решение задач по снижению себестоимости отливок и улучшению экологических условий производства требует поиска новых связующих материалов, не уступающих по своим свойствам ЭТС, а также разработки технологий получения из них керамических форм.

За рубежом уже отказались от органо-минеральных связующих и перешли на кремнезольные, которые выпускаются там под различными марками: Ludex, Siton, Клебозол, Сизоль и др. Использование кремнезольного связующего Сиалит-20, выпускаемого отечественной промышленностью, позволяет во многом решать поставленные задачи. Связующее Сиалит-20 в настоящее время в промышленном масштабе выпускает ЗАО "Силикат" в г. Елабуга. До сих пор Сиалит-20 не нашел широкого применения для изготовления керамических форм в J1BM.

Сиалит-20 является экологически чистым материалом, технология его использования в J1BM не требует применения вредных веществ. Суспензии на основе

Сиалит-20 обладают высокой живучестью, их можно хранить без потери свойств в течение шести и более месяцев. Стоимость Сиалит-20 в 3 раза ниже стоимости ЭТС. Таким образом, разработка технологии на основе Сиалит-20 является актуальной задачей.

Целью работы явилась разработка технологии изготовления керамических форм на основе Сиалит-20. Для этого необходимо было исследовать структуру и свойства керамических форм на основе Сиалит-20 и сравнить их с формами на основе ЭТС на различных стадиях технологического процесса их изготовления. На защиту выносятся следующие положения:

1. Прочность форм на кремнезольном связующем Сиалит-20 в 1,5 - 2 раза превосходит аналогичные показатели форм на органо-минеральном связующем. Остальные технологические показатели сопоставимы.

2. Свойства керамической формы (прочность, качество отпечатка, взаимодействие с обсыпочными материалами, формирование контактной поверхности) обусловлены явлением массопереноса в капиллярно-пористой среде.

3. Капиллярно-пористая среда - это самоструктурирующийся объект. Время самоструктурирования составляет менее 5 с.

4. Массоперенос в капиллярно-пористой среде сопровождается возникновением динамических структур, время существования которых не более 120 с.

5. Число участников формирования капиллярно-пористой среды составляет 106 я "у

10 на 1 м керамической формы, что позволяет говорить о хаотическом распределении частиц маршалита в связующем.

6. Взаимодействие суспензии с обсыпочным материалом определяется процессом массопереноса в капиллярно-пористой среде и скоростью диффузии растворителя в окружающую среду.

Научная новизна выносимых на защиту результатов работы заключается в следующем:

1. Процесс формирования слоя керамической формы начинается с мгновенного образования капиллярно-пористой среды. Ее эволюция определяет прочность керамической формы, качество ее контактной поверхности и характер взаимодействия суспензии с обсыпкой.

2. В процессе формирования слоя керамической формы установлено явление интенсивного движения суспензии, определяющее создание глобулярных пространственных структур.

3. Разработана модель массопереноса жидкой фазы при формировании структуры керамической формы на основании уравнения материального баланса.

Разработанная технология позволила реализовать процесс получения керамических форм на связующем Сиалит-20 для изготовления отливок из сплавов на медной основе применительно к реставрации или изготовлению новых художественных изделий. Результаты работы внедрены на фирмах ООО "Рестамп" и ООО "Русский Модерн". Полученные отливки не уступают по чистоте поверхности и размерной точности отливкам, изготовленным с использованием этилсиликатных оболочек. Годовой объем выпуска отливок только для фирм ООО "Рестамп" и ООО "Русский Модерн" составил свыше 1500 кг. Экономический эффект за счет сокращения расхода связующих материалов превысил 45000 рублей.

Работа выполнена на кафедре "Машины и технология литейного производства" Санкт-Петербургского Института Машиностроения под руководством профессора д.т.н. Бречко А.А. и научного консультанта доцента к.т.н. Емельянова В.О.

2. Состояние вопроса

2.1. История процесса

Метод литья художественных изделий был развит уже в период рабовладельческого общества. Особенно широкое распространение он получил в Античной Греции, Византии, Италии. С IX - X веков литье, в том числе художественных изделий, начинает бурно развиваться в Древней Руси.

Христианская Русь, богатая своими великолепными и многочисленными храмами, в области литья колоколов значительно опередила все другие страны. Колокола отливались со сложным декором: изображениями святых, портретами царей, старославянскими текстами Священного Писания. Метод художественного литья широко применялся для изготовления украшения храмов, например: огромных паникадил со сложным кружевным узором, бронзовых арок и т. д. Согласно принятой технологии основное изделие отливали в песчаную форму, а аппликации и декор лепили из пчелиного воска и вытапливали в процессе сушки форм.

Пушки, отлитые московскими мастерами, имели богатый декор и являлись художественными произведениями. Наиболее известны работы А. Чохова (знаменитая Царь-пушка, отлитая в 1586 г.), М. Осипова, Я. Дубинина, Е. Данилова, Ф. Терентьева, И. и М. Маториных (Царь-колокол весом более 200 т, отлитый в 1735 г.), А. Григорьева (непревзойденный по красоте звучания звенигородский Царь-колокол) и др.

С конца 17 века, в период царствование Петра I уделявшего много внимания украшению Петербурга и пригородных дворцов, происходит мощный подъем производства русского художественного литья. Возникает большой спрос на его самые разнообразные предметы: монументальные статуи и бюсты, барельефы, люстры, украшения для мебели и каминов, дверные ручки, вазы, часы, статуэтки и т.д.

С 1781 года созданная при Академии художеств Литейная мастерская начинает выполнять заказы в виде копий античных скульптур и по проектам таких выдающихся скульпторов, как Ф. Г. Гордеев, И. П. Прокофьев, Ф. И. Шубин, М. И. Козловский, П. П. Соколов и др.

Важным достижением в развитии художественного литья в России является колоссальная статуя - памятник Петру I работы Э. М. Фальконе (1782 г.). Скульптор работал над памятником в течение 12 лет.

Высокое мастерство русских литейщиков проявилось при создании различных скульптур Петродворца. Вместо свинцовых были выполнены новые бронзовые скульптуры: "Самсон, раздирающий пасть льва" М.И. Козловского, "Волхов" И. П. Прокофьева, "Сирены", "Персей", "Нева" Ф. И. Шубина.

Широко известен в истории русского художественного литья Б. И. Орловский. В 1828 - 1836 гг. им изготовлены памятники М. И. Кутузову и М. Б. Барклаю-де-Толли, установленные возле Казанского собора Санкт-Петербурга.

Выдающийся скульптор И. П. Мартос в 1804 - 1818 гг. изготовил памятник Минину и Пожарскому в Москве.

В это же время широкое развитие получило камерное литье из бронзы и драгоценных металлов. Для изготовления этих изделий используют технологию литья по выжигаемым (выплавляемым) моделям из воска.

Особой любовью петербуржцев пользуются бронзовые группы "Укротители коней" на Аничковом мосту замечательного скульптора П. К. Клодта (1850 г.).

В 1862 году скульптором Микешиным М. О. был создан символический памятник-колокол "Тысячелетие России" в Новгороде, отражающий главнейшие события и дела первого тысячелетия Русского государства. Более ста государственных деятелей, полководцев, писателей, художников, отлитых в бронзе, олицетворяют силу, героизм и духовное величие русского народа.

В 40-х годах 19 века всемирное признание получили художественные отливки Каслинского чугунолитейного завода. Каслинское художественное литье отличается четкостью силуэта, тщательной отделкой деталей, исключительной выразительностью ажурных композиций и огромным разнообразием выпускаемых изделий. Это -кабинетная скульптура, тонкие горильефы, филигранный сквозной орнамент, архитектурные детали, чеканные барельефы и др. "Ажурным чудом" называли газеты Каслинский павильон на Всемирной выставке в Париже в 1900 году.

Художественное литье явилось базовой основой, на которой в 20 веке начала развиваться технология изготовления отливок по выплавляемым моделям [11,72].

В 1924 году на государственном меднообрабатывающем заводе "Красный выборжец" был создан "Художественный монументальный бронзолитейный отдел", который в 1939 году стал заводом "Монументскульптура".

Известными русскими скульпторами в советский период являются Е. В. Вучетич (памятник-ансамбль советским воинам в Трептов-парке в Берлине, памятник-ансамбль Героям Сталинградской битвы на Мамаевом кургане в Волгограде), Мухина В. И. (скульптурная группа "Рабочий и колхозница" в Москве), Аникушин М. К. (мемориал "Героическим защитникам Ленинграда" в Санкт-Петербурге) и др.

Бурное развитие химии привело к появлению органо-минеральных композиций, в частности этилсиликатов, которые способны после гидролиза переходить в твердое состояние. На основе этих материалов произошел скачок в развитии технологии литья по выплавляемым моделям, прежде всего для промышленных, а далее и художественных изделий.

Метод литья по выплавляемым моделям в настоящее время получил широкое применение в машиностроении и приборостроении. Преимуществом этого метода является возможность получить отливки, максимально приближенные по форме и размерам к готовой детали, в ряде случаях - без дополнительной обработки. Другим преимуществом метода JIBM является его высокая экономичность, т.к. его применение снижает трудоемкость и стоимость изготовления изделий, сокращает расход металла и инструмента, потребность в станочном оборудовании и производственных площадях, уменьшает энергоемкость и потребность в станочниках высокой квалификации [123].

Метод J1BM позволяет проектировать сложные тонкостенные детали (с толщиной стенки 1мм и менее), создавать конструкции повышенной сложности, невыполнимые другими методами обработки, объединять отдельные детали в цельнолитые комплексы.

Применение для изготовления керамических форм высокоогнеупорных и термостойких материалов, пригодных для нагрева до температуры, превышающей температуру плавления литейного сплава, и быстрого охлаждения без деформации и разрушения, позволяет высокоэффективно использовать методы направленной кристаллизации, получать высокогерметичные отливки и монокристаллические изделия.

Промышленное освоение и применение метода J1BM началось в 1940-1942 гг. в связи с необходимостью получения из труднообрабатываемых сплавов на кобальтовой и никелевой основе лопаток авиационных газотурбинных двигателей.

В 70-е годы в Советском Союзе были созданы крупно механизированные и комплексно автоматизированные литейные цеха для серийного и массового выпуска отливок с годовым объемом до 10 тысяч т.

Широкое и многообразное применение метода J1BM определяется гибкостью технологии и многочисленностью ее вариантов. Каждый из этих вариантов наиболее эффективен в определенных условиях производства, его масштабах и требованиях к качеству и свойствам отливок.

В связи с развитием туризма в России, а также выходом на мировую международную арену, началось восстановление и реконструкция памятников старины, храмов, музеев. Для решения этой задачи потребовалось изготовление утраченных художественных изделий и, соответственно, резко возрос спрос на художественное литьё.

Сейчас в Санкт-Петербурге имеется много производственных предприятий и фирм, занимающихся изготовлением отливок для художественных изделий на основе метода JIBM. Крупнейшие из них - ОАО "Русские самоцветы", ООО "Рестамп", ООО "Русский Модерн".

7. Общие выводы

1. Разработана и реализована технология изготовления керамических форм при JTBM на кремнезольном связующем, включающая технологию приготовления суспензии, способ ее нанесения, сушки, удаления модельного состава и прокалки, обеспечивающая получение керамических форм с повышенной прочностью (20 МПа) и заданной газопроницаемостью.

2. Исследован механизм структурообразования керамической формы, выявлено наличие глобулярных сетчатых структур и динамика их формирования. Установлена связь между структурообразованием формы и ее механической прочностью и газопроницаемостью.

3. Установлено, что процесс формирования слоя керамической формы начинается с образования пылевидной фракцией капиллярно-пористой структуры в течение 0,5 . 5 с после нанесения суспензии. Эволюция капиллярно-пористой структуры определяет прочность керамической формы, качество ее контактной поверхности и характер взаимодействия суспензии с обсыпкой.

4. Предложена модель массопереноса жидкой фазы при формировании структуры керамической формы на основании уравнения материального баланса.

5. Выполнен сравнительный анализ физико-механических и технологических свойств суспензий и керамических форм на основе ЭТС-40 и Сиалит-20. Показано, что прочность керамических форм на кремнезольном связующем в 1,5-2 раза выше, чем на этилсиликатном. Керамические формы, выполненные из Сиалит-20 и плавленого кварца, имеют прочность на изгиб 28 МПа, что в 3 - 4 раза выше, чем при использовании ЭТС-40.

6. Расчет процесса массопереноса в форме и экспериментальное определение коэффициента проницаемости показало, что капиллярно-пористая структура формы, образовавшаяся в течение первых 5 с после нанесения суспензии, не меняется вплоть до прокалки при температуре 500 °С.

7. Теоретически и экспериментально установлено, что структура контактной поверхности керамической формы и глубина проникновения обсыпки определяются процессом массопереноса в капиллярно-пористой среде огнеупорной суспензии формируемого слоя, в течение первых 100 с после нанесения суспензии.

8. Установлено, что суспензия на кремнезольном связующем необратимо твердеет и сохраняет свою структуру без разрушения при контакте с водой. Способ удаления модельного состава (в воде или горячим воздухом) не влияет на прочность керамической формы.

9. Качество контактной поверхности керамических форм на Сиалит-20 уступает по этому показателю формам на ЭТС-40 и зависит от ориентации по отношению к силе тяжести. Установлено, что введение в суспензию на Сиалит-20 добавок КМЦ или огнеупорной глины позволяет получать из форм на ее основе отливки с шероховатостью менее 20 Rz.

10. Установлено, что комбинированные керамические формы с первым слоем из ЭТС-40 и остальными — из Сиалит-20 по прочности в 1,5 раза превосходят этилсиликатные формы.

11. Разработанная технология реализована на производстве отливок для художественных изделий ООО "Рестамп", ООО "Русский Модерн", ЧП "Биана" и других. Применение кремнезольного связующего Сиалит-20 позволило обеспечить экономию свыше 5 тыс. рублей на 100 кг литья.

1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир., 1979.

2. Аксенов П.Н. Технология литейного производства. М.: Машгиз, 1957.

3. Антипенко В.Ф., Конотопов B.C., Цыбрий В.В., Ясинский В.В. Материалы для литья по выплавляемым моделям на предприятиях Украины. Литейное производство. 1995. - № 7-8 - с. 30.

4. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы. Справочник. М.: Машиностроение, 1990.

5. Арсентьев В.В., Кирпиченков В.Я., Князев С.Ю. Курс физики т. 1, 2 С-Пб: Лань, 2001.

6. Астахов А.Н., Арсеньев В.В., Курочкина Н.Д. Улучшение свойств огнеупорной суспензии для керамической формы. Литейное производство. 1997. - № 4 - с. 36-37.

7. Барабаш В.А., Лакеев А.С. Термостойкие материалы для ускоренной высокотемпературной обработки форм при литье по выплавляемым моделям. -В кн.: Совершенствование процессов точного литья и их интенсификация. Кишинев: НТО Машпром, 1984, с. 55-58.

8. Берг П.П. Качество литейной формы. М.: Машиностроение, 1971.

9. Берг П.П. Формовочные материалы. М.: Машиностроение, 1963.

10. Береснев В.В., Никифоров С. А., Клименченко B.C., Ашмарина Е.М. Повышение термостойкости комбинированных оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям на Челябинском тракторном заводе. Литейное производство. 2001. - № 5 - с. 27-29.

11. Бех Н.И., Васильев В.А., Гини Э.Ч., Петриченко A.M. Мир художественного литья. История технологии. М.: Металлург, 1997.

12. Богуславский А.Ш. Классификация связующих материалов и формовочных масс. Литейное производство. 1978. - № 8 - с. 16-17.

13. Бречко А.А., Великанов Т.Ф., Примак И.Н. Формирование структурно-механических свойств смесей. Литейное производство. -1981. № 6 - с. 14-15.

14. Бречко А.А., Великанов Г.Ф. Формовочные и стержневые смеси с заданными свойствами. Л.: Машиностроение., 1982

15. Быховский А.И. Растекание. Киев: Наукова думка, 1983.16.19.20,21,22,23,24,25,2627,28