автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка составов керамических суспензий и исследование свойств оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям на основе металлофосфатных связующих композиций

ВВЕДЕНИЕ

1. Состояние вопроса и постановка задач исследования

1.1. Характеристики способа литья по выплавляемым моделям и применяемых материалов

1.2. Металлофосфатные связующие композиции и их свойства

1.3. Приготовление металлофосфатных связующих

1.4. Общие закономерности отверждения металлофосфатных связую- 16 щих композиций

1.5. Выводы и постановка задач исследования

2. Методика проведения экспериментов

2.1. Характеристика исходных материалов

2.1.1. Характеристика огнеупорных материалов

2.1.2. Характеристика железосодержащих материалов

2.1.3. Характеристика водных фосфатных растворов

2.1.4. Характеристика поверхностно-активных веществ

2.2. Методы исследования

2.2.1. Физико-механические методы исследования

2.2.2. Математические методы исследования

3. Разработка составов керамических суспензий и исследование свойств оболочек для литья по выплавляемым моделям с применением алюмохром-фосфатного связующего

3.1. Механизм взаимодействия алюмохромфосфатного связующего с отвердителями на основе оксидов металлов

3.2. Разработка составов керамических суспензий на основе алюмохромфосфатного связующего

3.3. Влияние добавок на свойства оболочковых форм литья по выплавляемым моделям на алюмохромфосфатном связующем

3.4. Математическая обработка результатов экспериментов 73 Выводы

4. Разработка составов керамических суспензий и исследование свойств оболочек для литья по выплавляемым моделям с применением железофос-фатного связующего

4.1. Свойства железосодержащих материалов и получение железо-фосфатных связующих

4.2. Разработка составов керамических суспензий на железофосфатных связующих для литья по выплавляемым моделям

4.3. Влияние армирующих добавок на свойства керамических форм литья по выплавляемым моделям на железофосфатных связующих

4.4. Математическая обработка результатов экспериментов 102 Выводы

5. Влияние магнитной активации жидких компонентов керамических суспензий на свойства форм литья по выплавляемым моделям

5.1. Разработка установки для магнитной активации воды и жидких компонентов керамических суспензий

5.2. Воздействие постоянного магнитного поля при обработке жидких компонентов керамических суспензий на свойства форм для литья по выплавляемым моделям

5.3. Воздействие переменного магнитного поля при обработке жидких компонентов керамических суспензий на свойства форм для литья по выплавляемым моделям

5.4. Математическая обработка результатов экспериментов 131 Выводы

Материальной основой технического перевооружения народного хозяйства России является машиностроение, основная заготовительная база которого - литейное производство. Одной из главных задач совершенствования литейного производства, на сегодняшний день, можно считать повышение качества отливок, их размерно-геометрической и массовой точности при снижении или удержании на прежнем уровне себестоимости их получения. Достижению этой цели будет способствовать изыскание и разработка новых технологических процессов и оборудования, а также усовершенствование уже существующих. Данная цель может быть достигнута за счет более широкого внедрения в производство специальных способов литья, в том числе литья по выплавляемым моделям.

Основными недостатками оболочковых форм по выплавляемым моделям, изготовляемых с использованием традиционных материалов - кристаллического кварца и гидролизованного раствора этилсиликата, являются их относительно низкие прочностные показатели, термостойкость, газопроницаемость и трещиноустойчивость, что приводит к повышению брака отливок по газовым раковинам, засору, гребешкам и т.п., сложность управления процессом формообразования и высокая себестоимость процесса, связанные с использованием в качестве связующего этилсиликатов, которые требуют процесса гидролиза для придания им связующих свойств [20. 24. 83. 84, 85, 86, 87, 100, 103, 104 и др.]. Они дороги и требуют использования органических растворителей, которые также характеризуются высокой стоимостью и пожароопас-ностью [100, 104, 107. 1 1 1,123 и др.].

Одним из перспективных направлений повышения качества и снижения себестоимости литья по выплавляемым моделям является разработка технологических процессов изготовления оболочковых форм с использованием более дешевых и технологичных связующих, например металлофосфатных, которые хорошо зарекомендовали себя при производстве огнеупоров и изготовлении песчаных форм [12. 65. 96, 124.125,127.130 134 и др.].

Разработка составов керамических суспензий для изготовления форм по выплавляемым моделям иа основе различных металлофосфатов, обеспечивающих необходимое качество получаемых форм и отливок, представляет существенный научный и практический интерес.

Актуальность работы заключается в том, что использование металлофосфатных связующих композиций позволяет обеспечить высокие прочностные свойства форм и их трещиноустойчивость, которые не достижимы при использовании этилсиликатных связующих, а также существенно снизить себес тоимость процесса изготовления обо- , лочковых форм/за счет того, что фосфатные связующие композиции значительно дешевле этилсиликата, не требуют гидролиза, обладают более стабильными свойствами и большим сроком хранения [8. 23. 44. 76. 92 и др.]. Кроме того, отдельные компоненты таких композиций могут быть отходами производства: отвердителями - отходы металлургических производств, содержащие оксиды металлов, а в качестве фосфатных растворов - отходы электротехнической промышленности.

Целью исследования является разработка составов металлофосфатных связующих композиций и на пх основе керамических суспензий для изготовления форм литья по выплавляемым моделям;'и методов физико-химического воздействия на технологические свойства суспензий и оболочек, обеспечивающих получение точных отливок и снижение их себестоимости.

Задачами работы являются'исследование возможности применения металлофосфатных связующих композиций в ЛВМ, разработка составов керамических суспензий на металлофосфатных связующих композициях, позволяющих повысить качество отливок и снизить себестоимость их получения, анализ возможности использования металлургических отходов для ЛВМ и опытно-промышленные испытания разработанных составов.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Тематическими планами НИР и ОКТР Национальной академии наук и искусств Чувашской Республики на 1995-2000 годы и 2001 -2005 годы.

При выполнении диссертационной работы использовались методы определения и исследования физико-механических и технологических свойств керамических суспензий и оболочек.

На защиту выносятся следующие основные положения:

•результаты разработки составов керамических суспензий для JIBM на основе АХФС и железофосфатных связующих композициях;

•экспериментальные разработки по повышению технологических свойств оболочек за счет использования добавок и армирования; /

•экспериментальные разработки процессов и режимов активации жидких ком/ понентов керамических суспензий магнитными полями.

Работа выполнялась при содействии коллектива кафедры «Технология и предпринимательство» ЧГПУ им. И.Я. Яковлева. Лично автору принадлежат разработка составов и исследование свойств керамических суспензий и форм JIBM на основе АХФС и железофосфатпого связующего, исследование влияние магнитной активации жидких компонентов керамических суспензий на свойства форм JTBM, проведение опытно-промышленных испытаний разработанных составов в условиях ЦТСЛ ОАО «ЧАЗ».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен литературно-патентный обзор современного состояния литья по выплавляемым моделям, применяемых материалов и возможности использования ме-таллофосфатных связующих для изготовления форм JIBM.

2 . Исследованы закономерность проявления связующих свойств металло-фосфатных композиций и механизм взаимодействия алюмохромфосфатного связующего и ортофосфорной кислоты с отвердителями на основе оксидов железа.

3 . Установлена возможность использования отходов металлургических производств (кузнечно-штамповочного, чугуно- и сталеплавильного) в качестве отверди-телей для металлофосфатных связующих композиций.

4 . Разработана методика определения смачивающей способности керамических суспензий и методика определения устойчивости керамических оболочек против растрескивания при выплавлении модельного состава и прокалке, позволяющая дать количественную характеристику трещинообразования.

5 . Разработан состав керамической суспензии на основе АХФС в мае. %: АХФС 10,0 - 17,0; ортофосфорная кислота 1,2 - 2,0; кузнечная окалина углеродистых сталей 10,0 - 13,91; поверхностно-активное вещество 0,08 - 0,15; вода 13,5 - 20,0; пылевидный огнеупорный наполнитель - остальное на который подана заявка на патент РФ №.1765/2420 от 3.12.1999 (см. приложение 2) и получено положительное решение 99126582/03(027930).

6 . Исследованы свойства оболочек для JIBM на основе АХФС.

7 . Рассмотрено влияние температурного режима выплавления модельного состава из оболочек с применением в качестве связующего АХФС на их прочность и грещиноустойчивость.

8 . Исследовано влияние добавок ортофосфорной кислоты и лигносульфаната технического (JICT), на свойства оболочек на основе АХФС. Показано, что ортофосфорная кислота способствует повышению прочности керамики и снижению растрескивания оболочек.

9 . Исследовано влияние армирующих добавок на прочность и трещиноустой-чивость форм с применением АХФС. Установлено, что наиболее эффективным является использование в качестве армирующего материала молотой слюды.

10. Установлена возможность использования в качестве армирующего материала гранулированного ваграночного шлака ОАО «ЧАЗ».

11. Методом ортогональных композиционных планов реализована математическая модель, позволяющая прогнозировать технологические свойства форм ЛВМ на основе АХФС.

12 . Разработан состав керамической суспензии на основе железофосфатного связующего в мае. %: ортофосфорная кислота 12,5 - 20%; кузнечная окалина углеродистых сталей 12.5 - 20%; ПАВ 0,1%; огнеупорный наполнитель (маршаллит) - остальное. кроме того сверх 100%) - вода до вязкости 40-60 с по ВЗ-4, а также технологпческие процессы изготовления оболочек на его основе. }

13 . Рассмотрено влияние/добавок ЛСТ, оксидов магния и хрома на свойства оболочек" Установлено." что добавка оксидов магния и хрома способствует повышению прочности керамики, увеличивает живучесть суспензий и предотвращает растрескивание оболочек.

14 . Исследовано влияние армирующих добавок на прочность и трещино-устойчивость керамических форм на основе железофосфатных связующих композиций. Установлено, что наиболее эффективным является использование в качестве армирующего материала молотой слюды.

15. Реализована математическая модель, позволяющая прогнозировать свойства форм ЛВМ на основе железофосфатного связующего.

1 б. Спроектирована и изготовлена установка для обработки жидких компонентов керамических суспензий переменным и постоянным магнитными полями.

17 . Исследовано влияние магнитной обработки воды, связующих и керамических суспензий постоянными и переменными магнитными полями на технологические свойства форм ЛВМ. Установлены оптимальные режимы магнитной обработки.

18. Исследовано влияние магнитной обработки водных растворов добавок, способствующих насыщению раствора свободными ионами на технологические свойства оболочек. Установлено, что добавки CuS04 и NaCl способствуют повышению прочности керамики и предотвращают растрескивание оболочек.

19 . Реализована математическая модель, позволяющая прогнозировать свойства форм ЛВМ в зависимости от параметров магнитной обработки их жидких компонентов (разбавителя, связующего и самих суспензий).

2 0. Проведены опытно-промышленные испытания разработанных составов керамических суспензий в условиях ОАО «ЧАЗ», для изготовления форм отливок «вилка» и «корпус». Качество полученных отливок соответствует предъявляемым требованиям. / j

21. Ожидаемый годовой экономический эффект от использования разработанных составов составляет для форм на АХФС 2115,48 руб., а для форм на основе жслезофосфатного связующего - 2143,15 руб. на 1 т годных отливок.

1. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1986. - 544с.

2. Жуковский С.С., Лясс A.M. Формы и стержни из холоднотвердеющих смесей. М.: Машиностроение. 1978. - 224с.

3. Коротич В.И. Теоретические основы окомкования формовочных материалов. М.: Металлургия, 1966. - 225с.

4. Машиностроительные материалы: Краткий справочник / Раскатов В.М, Чуенков В.С, Бессонова Н.Ф., Вейс Д.А. М.: Машиностроение, 1980. - 512с.

5. Некоторые свойства оболочковых форм при высокой температуре. Чулкова А. Д., Иванов В. Н.// Литейное производство. 1980.- №6. - С. 13.

6. Некрасов Б.В. Курс общей химии. М.: Химия, 1965. 430с.102 . Нериии С.В. Чудиовский А.Ф. Физика почвы. М.: Наука, 1967. 180с.103 . Озеров В. А., Гаранин В. Ф. Литье повышенной точности по разовым моделям. М.: Высшая школа, - 1988. - 136 е.: илл.18

7. Особенности изготовления керамических оболочковых форм для точных отливок. Хрущева Н. К. Емельянова Л. В.//Литейное пр-во.-1987.-№7.-С.18.

8. Применение кремнезоля при изготовлении оболочковых форм в условиях массового производства. Хмелев Ю. Г., Дубровская Г. А., Лебедева Е. Н., Ноздрин

9. B. Д. Витко А. И.// Литейное производство. 1989.- №3. - С. 18.

10. Разработка рациональной технологии литья по выплавляемым моделям. Рыбкин В. А.// Литейное производство. 1989,- №9. - С. 15.

11. Ратинов В.Б., Забежинский Я.Л., Розенберг Т.И. К вопросу о теории твердения минеральных вяжущих веществ // Механизм твердения вяжущих веществ и гипсовые материалы: Сб. тр. ВНИИ железобетона / П.К. Балатев. М., 1957. - Вып.1.1. C. 3-7.

12. Ратинов В.Б., Иванов Ф.М. Химия в строительстве. М.: Стройиздат, 1969. - 200с.114 . Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. М.: Стройиздат, 1973. 207с.

13. Романовский С.Г., Раскина Е.А. Кинетика капиллярного впитывания жидкостей в постоянном магнитном поле // ИФЖ. 1969. Т. 16. Вып. 2.

14. Рыжиков В.И. Структуры пленок алюмокальцийфосфатного связующего // Бюллетень научно-технической информации УНИИО. М.: Металлургиздат, 1958. -№4. - С.44-51.

15. Сватовская Л.Б., Сычев М.М. Активированное твердение цементов. Л.: Стройиздат. 1983. - 161с.

16. Свойства армирующих суспензий и форм при добавке слюды. Евстигнеев А. И.// «Известия ВУЗов. Черная металлургия». 1985. - №10. - С.105 - 108.

17. Фосфатные связующие для оболочковых форм литья по выплавляемым моделям Клемчук Л.В. Антипенко В.Ф., Бочаров Л.А. и др. // Литейное производство. -1978.-№1,-С. 25.