автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка нового состава силикатного связующего и самотвердеющих суспензий для изготовления оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям

Челябинск»!! государственный технический университет

<°Г6 од

; У ¿(]р На правах рукописи

НИКИФОРОВ Сергей Алексеевич

РАЗРАБОТКА НОВОГО СОСТАВА СИЛИКАТНОГО СВЯЗУЮЩЕГО

И САМОТВЕРДЕЮЩИХ СУСПЕНЗИЙ.ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Специальность: 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации -на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск -1994

Работа выполнена в отраслевой лаборатории литейных процессе при кафедре общей химии Челябинског о государственного техническог университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Ю.П.Васин Официальные оппоненты: академик МиРИА,

АТИ Российской Федерации, АН Чувашской Республики, доктор технических наук, профессор И.Е.Илларионов;

главный инженер Челябинского КТИАМ, кандидат технических наук КХЕЛорошин

Ведущее предприятие - Челябинский завод "СТАНКОМАШ"

Защита состоится 1994г. ъ^У^ас/^Яшн. на

заседании специализированного совета К.053.13.06 Челябинско! государственного технического университета.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направить по адресу: 454080, г.Челябинск, прЛенина, 76, ЧГТУ, • Ученый совет университета, тел. 39-91-23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЧГТУ. .

Автореферат разослан т^» 1994 г:

Ученый секретарь специализированного, совета К-053.13.06, кандидат технически наук, доцент //, БЗ.Клецкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕР И СТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное развитие технологии литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) определяется повышением качества литых изделий, снижением их себестоимости,:' 'улучшением экологии производства. Перспективным в этом направлении является применение в технологии ЛВМ связующих на основе жидкого стекла (ЖС). Это подтверждается многочисленными публикациями как в СНГ, так и за рубежом. Однако связующие на основе стандартного ЖС имеют ряд недостатков, которые приводят к повышенному браку оболочек и отливок, нарушению стабильности . производства. Эти недостатки связаны с повышенным содержанием в ЖС щелочных соединений.

Улучшить комплекс технологических свойств жидкостекольных оболочковых форм можно путем модифицирования ЖС активными к пзптизации кремнеземосодержащими материалами и химическими реагентами, обеспечивающими эффективное упрочнение оболочек на разных стадиях технологии. Поэтому важно изучить свойства силикатных связующих, характер формирования оболочек на различных технологических стадиях, процессы высокотемпературных превращений в керамике при прокалке.

Цель работы. Изучить процессы формообразования жидкостекольных оболочек и с учетом полученных результатов разработать новый состав связующего .с высоким содержанием коллоидного кремнезема, способы приготовления связующего и технологию ЛВМ на его основе для уменьшения брака форм и отливок, снижения себестоимости литья и повышения стабильности производства.

Задачи исследования:

- установить связь разновидностей технологии ЛВМ с величиной брака' оболочек и отливок; . '

- исследовать совместное влияние состава связующего и параметров технологии и с помощью математических методов найти области их оптимальных значений и свойств оболочек;

- изучить процессы высокотемпературных превращений в керамике и установит!, их связь со свойствами оболочек; ■ _

- исследовать и разработать способы модифицирования ЖС активными кремнеземосодержащими материалами химическими реагентами для получения высококремнеземйстогожидкосгекольного связующего (ВКЖС) и самотвердеющих суспензий;

- изучить механизм упрочнения, и разработать технологии: изготовления оболочек из самотвердеющих суспензий;

- испытать и освоить в производстве технологию изготовленш оболочек с использованием ВКЖС й СС.

Основные положения, представляемые к защите:

- результаты анализа разновидностей технологий ЛВМ на ЖС по ряд, заводов;

- "оптимизационные, зависимости прочностных свойств оболочек г состава связующего, полученные методом планирования экспериментов;

- результаты дилатометрического и термогравнметрического анализог высокотемпературных превращений в керамике при прокалке;

- механизм и способы приготовления ВКЖС и самотвердеющиа суспензий;

- технология изготовления оболочек с применением ВКЖС у. самотвердеющих суснензий.

Научная . новизна. Определена роль щелочных соединений связующего в формировании свойств жидкостекольных оболочек Установлено, что низкомодульные сосгаБЫ связующего увеличиваю! содержание в оболочках химически связанной и иммобилизованной воды, которая является основной причиной разупрочнения оболочек на стадии выплавки моделей. Определено, что остаточная вода вызывает также дополнительное (к термическому) расширение и расслоение оболочек при прокалке. Установлено, что при прокалке щелочные соединения являются основной причиной пластической деформации керамики и нарушения размеров оболочек. Теоретическим расчетом определено изменение • количества жидкой силикатной фазы в керамике при прокалке с изменением модуля "исходного связующего.

Методом математической статистики определены допустимые пределы изменения состава связующего по модулю, при которых достигаются оптимальные прочностные свойства оболочек на • разных стадиях технологии. Эти пределы характеризуются величиной модуля исходного связующего от 4,5 до 6,5 ед.

Установлено, что добавки кальций-магниевых материалов в . высококремнёземистое связующее способствуют химическому отверждению суспензий с длительным инкубационным периодом коагуляции коллоидного кремнезема. Установлено, что. при этом повышаются такие важные свойства оболочек, как тидростойкость за счет образования в пленках связующего кальций-натриевых . водостойких 2

гидросиликатов, термопрочность и термостойкость за счет твердофазного спекания керамики при прокалке. Изучен- механизм отверждения самотвердеющих суспензий на основе высококремнеземистого связующего и установлена особенность их упрочнения в тонком слое оболочек при воздушной сушке.

Изучен механизм и кинетика взаимодействия Ж С с добавками активного кремнезема при приготовлении высококрсмнеземисгого связующего.

Практическая значимость работы н реализация ее в промышленности. Разработаны новый состав связуюшего - В К/КС, самотвердеющие суспензии (СС) на его основе и технология изготовления комбинированных и единых многослойных оболочек, обеспечивающие уменьшение брака оболочек и отливок, сокращение времени и стабилизацию по параметрам производственного цикла, снижение себестоимости литья. Разработанная технология внедрена на Челябинском заводе "Станкомаш" (ЧЗС) и Кыштымском машиностроительном заводе (КМЗ). При этом достигнуто снижение себестоимости 1 т литья по ЧЗС на 52 руб. 78 коп. и по КМЗ на 25 руб. 45 коп. {по актам внедрения в ценах 1990г.). Продолжаются работы на Рязанском заводе "Це¡пролит" (РЗЦ). Расчетный эффект по РЗЦ в ценах 1992г. составляет 4,5 млн.руб.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: "Новые формовочные материалы в литейном производстве", Челябинск, 1989; "Охрана труда и прогрессивные технологические процессы в литейном производстве", Чебоксары, 1990; "Рациональное использование материальных ресурсов в литейном производстве", Челябинск, 1991.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ и получено 2 авторских свидетельства на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 68 рисунков, состоит из введения, шести глав, общих выводов, приложений и списка литературных источников из 138 наименований. , 0

В первой главе приведен анализ литературы и патентов, рассмотрены тенденции и перспективы развития технологии ЛВМ с использованием ЖС. Приведены цель, теоретические и практические предпосылки работы, задачи исследования. • 3

Во второй главе приведен анализ по ряду заводов разновидностей технологий ЛВМ и их связи с -качеством оболочек и отливок.. Представлены результаты исследования методом планирования экспериментов по оптимизации прочностных свойств оболочек, состава связующего и параметров технологии.

В третьей главе изложены результаты исследования свойств жидкостекольной керамики при высоких температурах. Представлен теоретический расчет количества образующейся жидкой силикатной фазы в керамике при. прокалке и механизм ее влияния па термомеханические свойства оболочек.

В четвертой главе рассмотрены процессы формирования оболочек из самотвердеющих суспензий. Рассмотрена особенность затвердевания самотвердеющих суспензий в тонком слое оболочки. Представлены составы суспензий и технология изготовления оболочек.

В пятой главе рассмотрены процессы и способы приготовления ВКЖС с использованием активных кремнеземосодержащих материалов.

В шестой главе представлены результаты испытания и внедрения в производство нового состава связующего - ВКЖС и технологии изготовления оболочек.

Приборы и методики исследования. Для оптимизации состава связующего и параметров технологии применен метод планирования экспериментов с обработкой результатов на ЭВМ. Высокотемпературные процессы исследовали на дилатометре модели р-1500Д, дериватографе системы Ф.Паулик-Л.Паулик-ЛЭрден, высокотемпературном микроскопе на базе МИМ-7. Прочность керамики при нагреве определяли на модернизированном стандартном приборе по методу В.А.Озерова. Расчет количества образующейся жидкой фазы в керамике проведен по методу Ю.П.Васина. Определение живучести самотвердеющих суспензий проводили на автоматизированном приборе (по ах-И 137792) методом погружения ипш Вика. Структурные превращения в самотвердеющих композициях определяли с использованием дериватографа . и дифрактометра УРС-50.. Процессы пептизацйи кремнезема при модифицировании связующего исследовали с помощью вискозиметров и оптического нефелометра Кдейнманна. В исследованиях также использованы стандартные приборы и методы, применяемые в ЛВМ,

. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Анализ литературы показал, что в направлении улучшения свойств ЖС, применяемого в ЛВМ, прослеживается два направления: обработка 4

ЖС неорганическими кислотами или их солями и очистка его от щелочных »единений методом перегонки через катионобменные смолы.

Ни тот, ни другой путь в полной мере не удовлетворяет производство. При обработке ЖС кислотами или их солями щелочные соединения остаются в связующем и сохраняют свое влияние на процессы формообразования. Кремнезоли, очищенные от щелочных соединений, не обеспечивают оболочкам такие важные технологические свойства как гидросгойкость, термостойкость и Имеют высокую стоимость.

Стандартное ЖС имеет максимальный модуль 3,2 ед. На практике фактически используется ЖС с модулем от 2,2 до 3,2 ед. Поэтому при подготовке ЖС в технологиях ЛВМ часто проводят его предварительную обработку, например, хлористым аммонием, неорганическими кислотами и

др.

Проведенный анализ разновидностей технологий на заводах ЧТЗ, ЧелябЗИП, КМЗ, УРАЛАЗ, РЗЦ показал, что брак оболочек и отливок выше в тех технололгиях, в которых используется низкомодульное ЖС (КМЗ, ЧелябЗИП). Особенно высок брак оболочек на заводах, где ЖС не контролируется по модулю (РЗЦ). Установлено, что предварительная обработка ЖС, например хлористым аммонием, способствует снижению брака оболочек на стадии выплавки моделей, но не устраняет их брак на стадии прокалки и заливки.

В работе определена роль щелочных соединений связующего в формировании оболочек на разных стадиях технологии.

-Исследовали технологию формирования многослойной оболочки с воздушной сушкой каждого слоя. В качестве контрольных параметров выбрали прочность оболочек после выплавки моделей в модельном расплаве или горячей подкисленной (по норме производства) воде, при нагреве до 800°С - "горячая прочность" (ГП), и после охлаждения прокаленных оболочек. Установлено, что при воздушной сушке образцов щелочные соединения мигрируют к поверхности (в направлении от модели), создавая градиент изменения состава связующего по сечению каждого нанесенного слоя. Химическим анализом определено, что на внутренней поверхности в направлении от модели содержание щелочей в каждом слое снижается до 40%, а на наружной - повышается до 80% от исходного содержания. В результате этого создается неравномерность прочности, а из-за разности усадки поверхностей - возникновение напряжений между слоями оболочек. Эти процессы приводят к расслоениюи частичному разрушению оболочек при выплавке моделей и прокалке. Установлено, что при выдержке высушенных образцов в модельном расплаве по мере нагрева они размягчаются и теряют прочность

на 40...80% в зависимости от модуля связуюющего. Чем ниже модуль, тем больше теряется прочность оболочек. Установлено, что это связано с воздействием остаточной влаги в пленках ЖС, которые при нагреве в замкнутом пространстве модельного расплава размягчаются из-за плавления щелочи в остаточной химически связанной и иммобилизованной воде. Установлено, что при охлаждении после выплавки моделей прочность оболочек увеличивается за счет упрочнения модельного состава, находящегося в порах материала оболочек. Однако зародившиеся трещины и расслоения в оболочках сохраняются и снижают их сравнительную прочность. Вместе с-тем • установлено, что щелочные соединена способствуют спеканию керамики при прокалке оболочек и повышению, их прочности после.охлаждения. При этом избыток щелочей в связующем способствует залечиванию мелких трещин керамики, но вызывает развитие .крупных трещин и расслоение' из-за снижения ГП и высокой пластической деформации оболочек. При недостатке щелочей в связующем снижается термостойкость оболочек. и .их прочность после охлаждения..' ■''■'.'*.

, Таки.м образом ; щелочные соединения ЖС проявляют как отрицательное, так : ,м - положительное влияние на процесс формообразования оболочек. Поэтому необходимо было определить допустимые пределы их содержания в.связукнцемпрн которых достигаются оптимальныс'свойства оболочек на разных стадиях формообразования.;

Оптимизация: состава спязующего по модулю проведена методом планирования экспериментов с обработкой результатов на ЭВМ. Получены уравнения регрессии и факторные графические и табличные зависимости прочностных; сеойств .образцов на. выбранных стадиях исследуемой . технологии -.от. модуля, плотности связующего и вязкости суспензии. На рис.1 представлены. графические зависимости прочности от модуля и. плотности связующего при фиксированных значениях вязкости суспензии. • Как видно, все зависимости по характеру приближаются к параб0л1{ческ0му1изменени!0. Поэтому с помощью ЭВМ провели обработку результатов экспериментов и определили область оптимальных значений" прочности для указанных трех стадий технологии, которая располагается при значениях модуля связующего от 4,5 до 6,5 ед., его плотности от 1200 до 1250 кг/м? и вязкости от 38 до .45 с по ВЗ-4. На рис.2 представлена . полученная на ЭВМ одна из номограмм прочносгей, оптимальная область которых для выбранных стадий технологии располагается при модуле связующего около 5 ед., плотности около 1250 кг/мЗ при фиксированной вязкости 45 с.

6

Рис.1 Графические зависимости прочно'сти от модуля и плотности связующего при фиксированных значениях вязкости суспензии *

а - после выплавки модели .

6горячая прочность при 800°С

Г

РисЛ в - прочность после охлаждения {продолжение)

Связующее с модулем 4,5...6,5 ед. отличается по количественному составу от стандартного ЖС, поэтому его условно назвали высококремнеземистым жвдкостекольным связующим (ВКЖС).

Сравнительные исследования образцов из связующих разного состава при высоких температурах показали существенные различия в их деформации и термопрочности в зависимости от модуля связующего. На рис.3 показаны графики деформаций образцов с модулем связующего, еД.: 2,5; 3; 5; 45, испытанных при одинаковых условиях нагрева.

Установлено, что в зависимости от модуля связующего деформация расширения при нагреве протекает до температуры 620...638°С и соответственно для вышеуказанных модулей составила. 2,45; 1,59; 1,45 1,41. Пластическая деформация (уменьшение размера образца по высоте при постоянной нагрузке), которая начинается при температурах выше 620...638оС соответственно составила, %: 1,91; 0,5; 0,14; 0.

Более высокое расширение образцов с низким модулем связующего связано с повышенным содержанием в них иммобилизованной и химически связанной воды, которая при нагреве вспучивает пленки связующего. Это подтверждается результатами испытания на дериватографе, по которым установлено изменение массы образцов с теми же значениями модуля связующего соответственно, %: 2,27; 1,5; 0,93; 0,44 На термограммах- всех образцов отмечены участки эндоэффектов при температурах 100°С, а для образцов с модулем 2,5 и 3 ед. также при 8

=R. 98oC, .BXcC . 1203oC, ВШЕШЯ •

Рис.2 Номограмма оптимальных прочносгей

температурах, °С: 270; 440; 490. Наблюдения на высокотемпературном микроскопе показали, что ' высушенные пленки .низкомодульного связующего и суспензий при нагреве до 600°С сначала вспучиваются, вызывая дополнительное (к термическому) расширение образцов, а затем при дальнейшем нагреве размягчаются и уплотняются. Причем более интенсивное вспучивание и размягчение наблюдается у образцов на низкомодульном ЖС. При этом существенно изменяется прочность образцов в нагретом состоянии - "горячая прочность" (ГП). С уменьшением модуля связующего ГП при температурах прокалки 800...850°С сильно уменьшается и при-модуле ЖС 2,5 ед. она доходит до нуля. Величина ГП при прокалке определяется количеством "образующейся в керамике при вторичном силикатообразовании жидкой силикатной фазы и ее вязкостью. Расчеты по диаграмме состояния Na20-Si02 показали, что при одинаковом исходном содержании связующего количество жидкой фазы в. образцах на кремнеземистом наполнителе с низкомодульным связующим 2,5 ед. на 16% больше, чем в образцах с модулем 3 ед. Согласно данным А.ААппена это ' 9

. мод..2,5

~ ~ ~ ~ ----------------8

коя. 6

2-1

-

———-

^______ ^— 1-—

1

а

6 :

<Г 6

4 • № Мм/

. РисЗ Графики деформации

■<5,м/7а ~

УЖ

Графики изменения прочности

объясняется превалированием по скорости процесса образования жидкой фазы в силикатах доэвге этического состава (при модуле от 2-х до 3 ед.) над процессом ее расхода .па растворение кварцевого наполнителя в заэвтектических составах (при модуле от 3-х и более). Причем наименьшая вязкость силиката достигается при модуле 3 ед.

Таким образом, применение высскокремнеземистого связующего 13КЖС с модулем 4,5...6,5 ед. позволяет енизить в керамике при прокалке количество жидкой силикатной фазы и увеличить ее вязкость, что обеспечивает сохранение ГП оболочек на высоком уровне, например для модуля 5 ед. около 1,3...1,5 МПа, при котором полностью исключается пластическая деформация керамики и связанные с ней отклонения размеров оболочек.

Вместе с тем установлено,. что с повышением модуля связующего снижается термостойкость оболочек, оцениваемая в работе по остаточной прочности керамики .после охлаждения на воздухе и быстром вторичном нагреве до 1200°С. Установлено, что при тешгасменах снижение прочности тем больше, чем выше модуль и меньше плотность исходного связующего. Поэтому при использовании технологий, с которых предусматривается прокалка оболочек без опорного наполнителя, хранение их после прокалки и заливка в холодном' состоянии (например на ЧелябЗИПе, КМЗ, РЗЦ), необходимо применять меры по повышению термостойкости керамики.

■Установлено,' что наиболее подходящей мерой для повышения термостойкости оболочек является применение в составе суспензий кальций или магний 'содержащих добавок, которые, способствуя твердофазно'Му спеканию- керамики, не вызывают ее пластической деформации при прокалке и снижение прочности при быстром.охлаждении после прокалки и при заливке фермоблоков металлом.

В работе подробно исследовали влияние на процесс формирования оболочек двухкальцкевого силиката (С^^ ). в виде саморассыпающегося шлака феррохромового производства. Установлено, что добавки указанного материала не только повышают термостойкость и термопрочность керамики при прокалке, ко и улучшают свойства оболочек при воздушной сушке за счет эффекта самотвердения суспензий. В частости, увеличивается скорость упрочнения и конечная • прочность, а также повышается гидростойкость оболочек, уменьшающая их разупрочнение при выплавке в модельном расплаве или горячей воде. Важным фактором для самотвердеющих суспензий (СС) оказалась их живучесть. Установлено, что живучесть суспензий с добавками езежепрокаленного ^С^Б.составляет 40...60 мин, что достаточно для технологии изготовления оболочек небольшими партиями, . когда полностью расходуется весь объем

.11

приготовленной суспензии (например как на ЧЗС). Однако этого времени недостаточно для устойчивой работы в условиях конвейерного производства. Учитывая, что % является эффективным, дешевым и широко распространенным в литейном производстве материалом, исследовали возможность повышения живучести СС с его применением.

Одним из простых и доступных путей повышения живучести СС является предварительная водная обработка отвердителя. Установлено, что при водной обработке $ С^ происходит гидратация его частиц с поверхности и снижение активности к жидкосгекольному связующему. При этом эффект самотвердения уменьшается, но влияние добавки С^ на термостойкость и термопрочнссть оболочек сохраняются. С помощью водной обработки # в зависимости от ее длительности удалось увеличить живучесть СС до 3...8 часов, что вполне удовлетворяет условиям конвейерного производства при периодическом обновлении суспензии в расходном баке по мере ее потребления на формообразование.

При исследовании установлена особенность отверждения СС в тонком слое суспензии, нанесенной на блок. Согласно работам ПА.Борсука и С.ПДорошенко процесс затвердевания ЖС с двухкальциевым силикатом сопровождается коагуляцией коллоидного кремнезема и образованием гидросиликатов кальция. Установлено, что прочность в нанесенном на блок слое при воздушной сушке и пщростойкость оболочек зависят от полноты образования в связующей композиции гидросиликатов. Рентгеноструктурным анализом установлено, что появление гидросиликатов кальция: ксонотлита, тоберморита в связующей композиции обнаруживается через 60...80 мин. после выдержки образцов на воздухе. При этом замечено, что образование .гидросиликатов кальция связано с водным балансом в связующей композиции. При уменьшении содержания воды в системе образование гидросиликатов замедляется.

Определено, что в тонком слое суспензии при воздушной сушке оболочек одновременно протекают два процесса упрочнения. Один из процессов связан с удалением из связующего воды в атмосферу, при котором происходит повышение плотности связующей композиции и концентрационное упрочнение в ней коллоидного кремнезема. При этом, в отличие от обычной жидкосгекольной суспензии, пленки связующей композиции из СС имеют более пористую структуру, способствующую хорошему удалению воды испарением из материала оболочки. Поэтому, как установлено с помощью дериватограммы, в материале оболочек из СС на 85% содержится меньше иммобилизованной воды.

Второй процесс упрочнения определяется . химическим взаимодействием жлдкостекольного связующего с С2й который сопровождается образованием гидросиликатов кальция.

Установлено, что если второй процесс превалирует над первым, то конечная прочность и гидростойкость оболочек увеличиваются. Исследованием определено, что развитие второго процесса усиливается при использовании в суспензии ПАВ, замедляющих испарение воды из связующей композиции. На рис.4 представлены зависимости изменения прочности образцов при воздушной сушке: 1 - с Ь'С^Б без ПАВ; 2 - с Й^З и ПАВ; 3-е С2$, обработанного предварительно водой; 4 - без отзерднтеля.

Лучшие результаты получены с добавками. ПАВ в виде пасты РАС и машинного масла. Для подавления пенообразования совместно с ПАВ в суспензиях применяются пеногасители в виде моноэтаколамина. При этом добавки ПАВ улучшают смачиваемость моделей самотвердеющими суспензиями, необходимую при формировании лицевых слоев оболочек.

На основании ' результатов исследования разработаны составы самотвердеющих суспензий с использованием ВКЖС и технологии партионного и конвейерного изготовления многослойных оболочек.

В работе исследованы процессы, протекающие при приготовлении ВКЛСС из стандартного ЖС с добавками растворов кремнезоля, аэросила и аморфного микрокремнезема в виде электрофильтровой пыли ферросплавных печей. Рассмотрен механизм пептизации кремнезема при различных условиях введения добавки, интенсивности перемешивания и нагрева. •

При введении раствора кремнезоля в ЖС сначала наблюдается флокуляция коллоидного кремнезема, а затем его пептизация в раствор. Установлено, что это связано с перестройкой мицелл кремнезоля, имеющего малое содержание стабилизирующего иона. При введении твердых порошкообразных материалов аэросила или микрокремнезема вязкость обрабатываемого ЖС сначала сильно* повышается, а затем снижается и стабилизируется. Наблюдения под микроскопом и с помощью оптического Нефелометра показали, что пептизация твердого кремнезема происходит медленно'в течение 30...40 мин. при активном перемешивании. Процесс ускоряется при нагреве раствора-Наилучшие результаты приготовления ВКЖС получены при автоклавной обработке стандартной силикат-глыбы совместно с микрокремнеземом. ВКЖС полученное автоклавным способом, испытано и внедрено на ЧЗС для изготовления комбинированных с ЭТС слоями оболочек. При этом достигнуто снижение брака оболочек и отливок на 20%, уменьшен расход этилсиликата и

повышена производительность в 2,8 раза. На этом же заводе испытаны с положительным результатом самотвердеющие суспензии на основе ВКЖС и С23 для формирования единых многослойных оболочек. Принято решение об организации отдельного участка для конвейерного изготовления оболочек из СС.

На КМЗ вместо стандартного ЖС внедрено связующее ВКЖС. При этом сокращено число слоев оболочек с 5-ти до 4-х и заменен один из 2-х слоев из ЭТС на ВКЖС. Продолжаются работы по применению ВКЖС и самотвердеющих суспензий на РЗЦ, где ожидается сокращение брака оболочек и отливок и расхода ЭТС в условиях массового конвейерного производства.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ производства показал, что величина брака оболочек и отливок в основном связана с разновидностью применяемых технологий, в частности, со свойствами исходного ЖС и способами его предварительной подготовки,

2. Установлено, что основное слияние на формирование качества оболочек и отливок оказывают щелочные соединения ЖС, которые на разных стадиях технологии проявляют как отрицательное, так и положительное влияние. Поэтому как избыток, так и недостаток щелочей в связующем, ухудшает качество оболочек и отливок.

3. Установлено, что при формировании оболочек воздушной сушкой-в ее слоях происходит миграция щелочи и возникновение градиента состава связующего по толщине каждого поочередно нанесенного слоя, из-за которого происходит расслоение и разрушение оболочек на стадиях вытопки моделей. При прокалке оболочек щелочные соединения способствуют спеканию керамики и повышению ее термостойкости. Однако, как при избытке, так и при недостатке их в связующем, деформационные и прочностные свойства оболочек ухудшаются.

4. Методом планирования экспериментов с обработкой результатов на ЭВМ определены допустимые пределы изменения состава связующего по модулю от 4,5 до 6,5 ед, его плотности от 1200 до 1250 кг/м^ и по вязкости суспензии от 38 до 45 с по ВЗ-4, при которых достигаются оптимальные прочностные свойства оболочек на разных стадиях технологии.

5. Дериватографическими исследованиями установлено, что низкомодульные составы ЖС содержат больше как иммобилизованной, так и химически связанной воды.Значения потери массы образцов при испытании составили для связующих с модулем 2,5; 3; 5; 45 ед.

соответственно, %: 2,27; 1,5; 0,93; 0,44. Оптические наблюдения показали, что удаление воды из обраэцоз при нагреве сопровождается вспучиванием связующих пленок, которое приводит к ж деформации.

6. Дилатометрические исследования показали, что величина деформации расширения керамики при нагреве с увеличением модуля ЖС с 2,5 до 6,5 ед. уменьшается на 45...48%, а пластическая - на 92...9б%, что снижает вероятность разрушения и расслоения оболочек на стадиях выплавки моделей и прокалки.

7. Установлено, что снижение горячей прочности керамики при прокалке связано с образованием в ней жидкой силикатной фазы. Расчеты показали, что при снижении модуля ЖС с 3 до 2,5 ед. в керамике при 800°С дополнительно увеличивается количество жидкой фазы на 16% за счет взаимодействия избытка щелочи с наполнителем - пылевидным кварцем. Наоборот, с увеличением модуля с 3-х до 5 ед. - оно уменьшается на 33%. При этом ГП при 800°С низкомодульных составов керамики снижается до 0, а высококремнеземистых - лишь до 1,7...1,9 МПа. Поэтому применение высококремнеземистого связующего обеспечивает возможность проведения прокалки оболочек без опорного наполнителя с малой вероятностью их деформации и разрушения.

8. Для повышения гидростойкости и термостойкости оболочек в состав суспензии на основе ВКЖС предложено вводить двухкальциевый силикат. При этом в оболочках при сушке их на воздухе происходит дополнительное упрочнение связующего за счет самотвердения суспензии.

9. В работе установлена особенность упрочнения самотвердеющих суспензий в тонком слое при воздушной сушке оболочек, которая связана с протеканием двух процессов: испарения воды и образования в связующей системе сложных кальций-натриевых гидросиликатоз. Превалирование старого процесса над первым приводит к повышению конечной прочности оболочек и их гидростойкости. Повышение гидростойкости оболочек обеспечивает им сохранение высокой прочности при выплавке в модельном расплаве или горячей воде.

10. Разработаны составы самотвердеющих суспензий на основе ВКЖС с добавками % СзБ. Для повышения живучести суспензий в работе исследован и разработан способ предварительной водной обработки порошкообразного сГ. С2Э в виде ФШ. Установлено, что в зависимости от длительности водной обработки живучесть суспензии можно увеличить до 3...8 часов, что обеспечивает возможность использования самотвердеющих суспензий в непрерывном конвейерном производстве.

11. Разработаны способы приготовления ВКЖС с использованием активного кремнезема. Интенсивность пептизации активного кремнезема

зависит от температуры и параметров, перемешивания раствора. Наилучшие результата достигаются при автоклавном приготовлении ВКЖС с использованием аморфного микрокргмнезема.

12. Разработаны и внедрены в производство составы СС и технология изготовления оболочек, Новый состав связующего ВКЖС и самотвердеющие суспензии позволяют частично или полностью заменить эгилсиликат, сократить брак оболочек на 50...80% и отливок на 30...40%. При этом достигается снижение себестоимости литья и стабилизация технологического процесса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Физико-химические превращения в материале керамических форм на основе силикатов натрия/ Ю.П.Васин,

М.М.Бортников,ВГТурлсв,С АНикифоров // Полифосфатные холоднотвердеющие смеси и отливки из высокопрочного чугуна: Тездокл.науч.-техн.конф. - Липецк:ЛПИ.-1989. - С.28.

2. Смачиваемость выплавляемых моделей жидкостекольными суспензиями / КШ.Васик, С АНикифоров, О.ГДесяткова, Л.М.Смолина // Новые формовочные материалы в литейном производстве: Тездокл.науч.-техн.конф. -Челябинск: УДНТП. -1989.- С.78. "

3. Улучшение термических свойств комбинированных оболочек / Ю.П.Вйсин, СЛ.Никифоров, М.М.Бортников, С.М.Антипов //Охрана труда и прогрессивные техн. процессы в литейном производстве: Тезлокл.межреспубл.науч.-практич.конф. - Чебоксары: Чувашский госуииверситет. -1990-СЛ24. и - г:

4. Влияние модуля жидкого стекла иа прочность оболочковых форм . ЛВМ / САНикифоров, С.М.Антипов, В.Г.Гурлев // Охрана труда и ирогрссивные техн. процессы в литешюм производстве:

Тездокл'.межреспубллауч.-практич.коиф, - Чебоксары: Чувашский госуниверситет. - 1990. * СД20.

5. Модифицирование жидкого стекла кремнезолем / М.М.Бортников, СЛ.Никифоров, С.МЛитигюв // Охрана труда и прогрессивные техн. процессы в литейном производстве: Тездощшежреспубл.науч,-лрактич.конф. - Чебоксары: Чувашский госуниаерситет. - 1990. - С.122.

6. Физико-химические процессыпримодифицироеании

. жидкостеколь'ного связующего / Ю.П.Васин, В.Г.Гурлев, М.М.Бортников, СА.Никифоров// Состояние техн. уровня и тенденции развития литейного произврдспва: Тездокл. краевой аауч.-техн.конф. - Красноярск: СДНТП. -1990. - С.12.

16 V

7. Повышение прочности комбинированных оболочковых форм / Ю.ПЛЗаснн, СА.Никифров, М.М.Бортников // Интенсификация техн. процессов в литейном производстве: Тез докл. -1990. - С.22.

S. Суспензии на основе коллоидного кремнезоля /САНикифоров, М.М.Бортников, СМАнтипов // Прогрессивные технологии изготовления форм для производства отливок: Тездокл.науч.-техн.конф. - Челябинск: УДНТП. - 1990. - С.92.

9. Высокотемпературные превращения в материале оболочковых форм / ЮЛ.Васин, С.А.Никифоров, В.Г.Гурлеп, М.В.Судариков // Рациональное использование материальных ресурсов в литейном производстве: Тез. докл.науч.-технжокф. - Челябинск: УДНТП. -1991. - С.37.

10. Улучшение свойств керамических оболочек / Ю.П.Васин, СА.Никифоров, В.Г.Гурлев // Новые процессы формообразования: Тезлокл.науч.-практич.конф., посвященной 40-летию НПС "НИСа" -Одесса: ОПИ.-1991.-С.77.

11. Повышение прочности керамических оболочек / С.А.Никифоров. С.МАнтипов, В.ВАрхипенко // Вопросы теории и технологии литейных процессов: Сб.научн.тр./ Под реддокт.гехн.наук, проф. В.МАлександрова. -Челябинск: ЧГТУ.-1991,-С.145-149.

12. Васин Ю.П., Никифоров CA. Сзмотвердеющие суспензии для керамических оболочковых форм // Рациональное использование материальных ресурсов в литейном производстве: Тездокл.науч.-техн.ко!(ф. - Челябинск: УДНТП. -1991. - С. 37-39.

, 13. Связующие композиции на основе жидкостекольного коллоидного кремнезёма./ Ю.П.Васин, С.А.Никифоров, М.М.Бортников // Технология получения и применения новых материалов в порошковой металлургии и машиностроении: Сб.науч.тр. Института машиноведения и металлургии ДВО РАН. - Владивосток: ВИМАШ. -1992. - С143-147,

14. Самотвердеющие суспензии для оболочковых форм / ЮЛ.Васин," САНикифоров, М.М.Бортников, В.Г.Гурлев // Литейное производство. -1993. - N 4. - С. 19-20. . *

. 15. A.C. 1357792, СССР. МКИ G 01 N 11 /10. Установка для определения срока схватывания самотвердеющей связующей композиции / САНикифоров, Н.ИАнкудинов, А.П.Никифоров // Заявл. 01.04.86, N 4047677/31-02, опубл. 07.12.87 в B.M.N 45. '

16. A.C. 1304968, СССР. МКИ В22С 1/02, 1/18. Самотвердеющая смесь для изготовления литейных форм / ЮАДрягигг, СА.Никифоров, Б.М.Токмин // Заявл. 11.09.85, N 3968494/22-02, опубл. 23.04.87 в Б.И. N 15.

Издательство Челябинского государственного технического университета

ЛР£020354. 20.01.92. Подписано в -печать 24.03194. Оорпат бумаги 60X84 1/16. Печать оггсетяая. Усл.веч.л, п,93.. Уч.-изд.л. г>,99. Тирад 100 экз.'-Заказ 62/136» .

УОИ издательства. '454080, г. Челябинск, пр. то. В.И.Ленина, "7в.