автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Ресурсосберегающая технология формообразования с применением алюмоборфосфатного концентрата в литье по выплавляемым моделям

На правах рукописи

Верцюх Сергей Сергеевич

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ АЛЮМОБОРФОСФАТНОГО КОНЦЕНТРАТА В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Челябинск - 2014

005551486

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноУральский государственный университет» (научно-исследовательский университет).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Знаменский Леонид Геннадьевич

Официальные оппоненты: Брусницын Сергей Викторович

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», профессор кафедры литейного производства и упрочняющих технологий;

Котов Дмитрий Анатольевич кандидат технических наук, ОАО «Центральный научно-исследовательский институт металлургии и материаловедения», главный технолог.

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Уфимский государствен-

ный авиационный технический университет» (г. Уфа)

Защита состоится 10 июня 2014 г., в 14.00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», www.magtu.ru.

Автореферат разослан « 9 » _2014 года.

Учёный секретарь ()

диссертационного совета ф^)* Селиванов

^ Валентин Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Литейное производство существенно влияет на качественные показатели и долговечность современных машин и оборудования. Развитие техники предъявляет высокие требования к качеству отливок. Современные литые заготовки должны иметь достаточные физико-механические свойства и химические характеристики, а также высокую точность при небольшой толщине стенок и массе.

В настоящее время для этого используется метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) в оболочковые керамические формы на этилсиликатном связующем (ЭТС). Данная технология обеспечивает получение точных отливок достаточно высокого качества из сплавов цветных и черных металлов. Существенным недостатком указанного технологического процесса является необходимость проведения длительной операции гидролиза в присутствии органических растворителей. Кроме того, твердение ЭТС-суспензии на воздухе проходит крайне медленно, а известное ускорение этого процесса в присутствии аммиака ухудшает экологическую обстановку в литейных цехах. Наряду с повышенной вредностью и длительностью, базовая технология характеризуется и дороговизной применяемых материалов. Помимо ЭТС нашли определенное применение в ЛВМ растворы жидкого стекла п кремнезолен. Однако, первые не обеспечивают керамическим формам требуемые термопрочность и точность, а для вторых связующих остается актуальной проблема нестабильности свойств получаемых форм и длительность воздушной сушки слоев суспензии на выплавляемой модели. При этом следует отметить негативное влияние 8Ю2, входящего в состав указанных связующих материалов, на качество поверхности отливок из химически активных сплавов.

Альтернативой этилсиликату с точки зрения обеспечения ресурсосберегающего характера литейной технологии, повышения качества отливок, в том числе из химически активных сплавов, и улучшения экологической обстановки является алюмоборфосфатный концентрат (АБФК).

Однако до настоящего времени применение АБФК в процессах формообразования для ЛВМ, в особенности для изготовления отливок ответственного назначения из жаропрочных никелевых сплавов, до сих пор представляется малоизученным, но, безусловно, перспективным направлением.

Таким образом, разработка ресурсосберегающей технологии ЛВМ в многослойные керамические формы на неорганических недорогих и безопасных материалах является весьма актуальной задачей литейного производства.

Работа выполнена в соответствии с ведомственной целевой аналитической программой «Развитие научного потенциала высшей школы (20092011 гг.)» и при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках приоритетного национального проекта «Образование» (2011 г.).

Цель и задачи исследования. В связи с вышеизложенным, целью настоящей диссертационной работы являлось изучение закономерностей процессов точного формообразования на алюмоборфосфатном концентрате и их физической активации в ультразвуковом поле, и, на основе этого, разработка эффек-

тивной ресурсосберегающей технологии литья по выплавляемым моделям. Для достижения сформулированной цели было необходимо решить следующие задачи:

- исследовать кинетические процессы, протекающие при отверждении слоев огнеупорного покрытия на АБФК зернистым периклазом, применяемым в качестве обсыпочного материала;

- изучить структуру и свойства многослойных огнеупорных покрытий на АБФК;

- уточнить механизм формирования прочности оболочковых керамических форм на АБФК с периклазовой обсыпкой, а также изменение их физико-механических свойств при прокалке и охлаждении;

- создать статистическую математическую модель, позволяющую оптимизировать состав суспензии на АБФК для обеспечения достаточного уровня физико-механических свойств форм и реологических свойств суспензии;

- разработать ресурсосберегающую технологию изготовления керамических оболочковых форм на АБФК с применением зернистого периклаза в качестве обсыпочного материала;

- исследовать влияние ультразвуковой обработки на дегазацию суспензий на АБФК и создать соответствующую аналитическую функциональную математическую модель;

- разработать технологию ультразвуковой обработки суспензий на АБФК-связующем и изготовления керамических форм;

- изучить влияние разработанной ресурсосберегающей технологии точного формообразования на качество отливок ответственного назначения и освоить ее в производстве.

Научная новизна. Обоснована теоретически и подтверждена экспериментально система научных положений, обеспечивающих ресурсосберегающий характер новых технологических решений в изготовлении оболочковых керамических форм на АБФК для отливок из различных сплавов, в частности химически активных (сплавы на основе №. сложнолегированные стали и др.). В том числе:

- получены новые данные по структурным и дилатометрическим параметрам многослойных керамических оболочковых форм на АБФК-связующем с периклазовой обсыпкой в области высоких температур, их физико-механическим свойствам;

- установлены закономерности влияния ультразвукового воздействия на реологические свойства суспензий и физико-механические характеристики керамических оболочковых форм, создана аналитическая функциональная модель ультразвуковой дегазации суспензий на АБФК;

- подтверждена термохимическая устойчивость керамических оболочковых корундовых форм на АБФК к заливаемым в вакууме жаропрочным никелевым сплавам.

Практическая ценность. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический процесс изготовления многослойных оболочковых керамических форм на алюмоборфосфатном кон-

центрате с применением в качестве обсыпки зернистого периклаза. Оптимизирован состав суспензии, позволяющий получать керамические формы с повышенными прочностными свойствами и низкой химической активностью.

Освоение данной технологии позволяет существенно сократить цикл изготовления и повысить качество отливок из цветных и черных сплавов. Кроме того, отсутствие в связующем кремнезема способствует снижению риска появления обедненного легирующими элементами слоя на отливках из жаропрочных никелевых сплавов, заливаемых в вакууме, а замена дорогостоящего этилсили-ката обеспечивает улучшение условий труда рабочих и экологической обстановки в цехе, а также снижение себестоимости производства отливок.

За счет снижения брака, сокращения продолжительности изготовления форм, использования недорогих формовочных материалов достигнут экономический эффект в размере 1,7 млеь руб. на 1 тонну годных отливок из жаропрочного никелевого сплава (в ценах сентября 2012 г.).

Реализация работы. Разработанный технологический процесс изготовления многослойных оболочковых керамических форм прошел опытно-промышленные испытания в условиях ОАО СКБ «Турбина» (г. Челябинск) на широкой номенклатуре отливок из сложнолегированных сталей и сплава на никелевой основе.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы представлялись на 9-м и 10-м съездах литейщиков России (2009, 2011 гг.), 8-й Всероссийской научно-практической конференции (Санкт-Петербург) 2010 год, 6-й Уральской межрегиональной молодежной выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ) изобретателей, рационализаторов «Евразийские ворота России», проводимой в рамках Всероссийской программы «Шаг в будущее» (медаль 1-й степени в номинации «Лучшая рационализаторская разработка», Челябинск, 2011 г.), 11-й Всероссийской выставке НТТМ (премия Президента Российской Федерации, установленная указом от 6 апреля 2006 года №325 «О мерах государственной поддержки талантливой молодежи», Москва, 2011 г.), 3-й, 4-й и 5-й конференции аспирантов и докторантов ЮУрГУ (20112013 гг.), 63-й 64-й и 65-й научных конференциях преподавателей и сотрудников ЮУрГУ (2011-2013 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных статей (в том числе из перечня ВАК - 6), получено 5 патентов на изобретения.

Структура и объём работы. Диссертация включает в себя введение, четыре главы, основные выводы, список литературы из 109 наименований и 2 приложения; содержит 126 страниц машинописного текста, 18 таблиц, 33 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована тема диссертации, сформулирована ее актуальность, спланирована структура, краткое содержание глав, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено состояние производства точных отливок методом ЛВМ и его развитие, выявлены особенности и специфика изготовления как многослойных оболочковых, так и объемных форм для изготовления отливок из различных сплавов. Проведен анализ и определены недостатки существующих технологий изготовления оболочковых и монолитных форм и стержней с применением высокопрочного гипса, ЭТС, жидкого стекла, кремнезолей для ЛВМ. Показано, что часть из них применима только при использовании низкотемпературных сплавов, обладает рядом существенных технологических недостатков, имеет длительный цикл изготовления и высокую стоимость, вызывает ухудшение экологической обстановки при производстве. Сделан вывод, что совершенствование технологий ЛВМ в настоящее время представляется возможным за счет разработки новых и рационализации используемых технологических процессов с применением современных формовочных материалов, обладающих необходимыми свойствами.

Проанализирован опыт применения и перспективы внедрения алюмобор-фосфатного концентрата в различные технологии литья. На основании полученных данных обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе изучены закономерности воздействия каталитических обсыпок на кинетику структурообразования и технологические характеристики керамических оболочковых форм на алюмоборфосфатном концентрате, в том числе в области высоких температур.

Исследование кинетики отверждения слоев огнеупорного покрытия на АБФК-связующем проводилось с целью определения параметров подготовки суспензии и периклазовой обсыпки с точки зрения скорости отверждения.

Для реализации поставленной задачи использовали связующее на основе водного раствора АБФК (ТУ 113-08-606-87), микропорошки электрокорунда белого марки 25А фракций Р800, Е320 (ТУ 3988-075-00224450-99) и зернистый обсыпочный материал - периклаз (ТУ 14-8-448-83).

В результате исследований был получен ряд зависимостей, на основании которых определены параметры подготовки суспензии и обсыпки: плотность АБФК - 1300... 1400 кг/м3; количество связующего - 30...35 мае. %; дисперсность периклаза - 0,3...0,4 мм. Указанные параметры обеспечивают ускоренный цикл формообразования в ЛВМ. Так продолжительность отверждения каждого слоя огнеупорного покрытия, в этом случае, составляет 40...60 мин. Ускорение формообразования, в данном случае, достигается за счет взаимодействия АБФК-связующего суспензии с оксидом магния обсыпки, в результате которого формируется манипуляторная прочность слоя, позволяющая наносить следующие слои без разрушения предыдущих.

На следующем этапе представлялось целесообразным изучить структуру и свойства огнеупорных суспензий и изготовленных из них керамических оболочковых форм.

При проведении экспериментов было зафиксировано существенное увеличение прочности керамических образцов при повышенных температурах и снижение ее до значений на 20...30 % ниже начальных после охлаждения. В

этой связи целесообразным представлялось определить влияние изменения температуры на прочность керамических корундовых образцов на АБФК с пе-риклазовой обсыпкой. Кинетические зависимости их прочности при нагреве и охлаждении представлены на рис. 1.

7

ге

С

2.6

й

I 5

и

II

о.

с о

О 200 400 600 800 1000

Температура, °С

Рис. 1. Кинетические зависимости изменения прочности керамических оболочковых форм при нагреве и охлаждении: 1 - нагрев; 2 - охлаждение

Высокая «сырая» прочность образцов, а также ее значительное увеличение в процессе прокалки, позволяют сделать вывод о возможности использования исследуемых процессов формообразования для изготовления керамических оболочковых форм высокого качества. После прокалки и охлаждения, в то же время, наблюдается разупрочнение форм, что снижает трудоемкость процесса выбивки и очистки точных отливок от остатков керамики.

Для изучения многоэтапных процессов, протекающих при экстремальном изменении температуры керамических форм на АБФК с периклазовой обсыпкой, и выявления соответствующих механизмов формообразования использовали результаты дилатометрии и дериватографии (рис. 2).

1,0 1000

0,8 900

0,6 800

0,4 700

0,2 600

0,0 500

од 400

0,4 300

0,6 200

0,8 100

1,0

Т *

/

✓

/

0,0

з -0,5

а

-1,0

3

CD

X GJ -1,5

X

-"к

-2,0

О 10 20 3 0 40 50 60 70 80 90 100 т.мин

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 т. "с

а б

Рис. 2. Дилатометрические зависимости (а) и дериватограмма (б) корундовых образцов на АБФК с периклазовой обсыпкой

Результаты, полученные на дилатометре и дериватографе системы «РА1ЛЛК» (Венгрия) были подтверждены качественным рентгенофазовым анализом (рис. 3).

шю

12000

я

I пт

е 8080

1

1 (¡ООО

1

I шю

2000

0

--------- -------------------------

А .'Т

1- АС ' 5л л Ьхл ч _ _ I— __

20 зо

«7

юо 10

120

60 70 83 2 в, град

Рис. 3. Дифрактограмма корундового образца на АБФК с периклазовой обсыпкой после прокалки (950 °С, 3 ч): А - а-АЬОз, ФА - А1Р04, М - Р^О, ФМ - М§3(Р04)2, Б - В203, ФБ - ВР04

Установлено, что при обсыпке зернистый периклаз внедряется в слой корундовой суспензии на растворе АБФК и начинает взаимодействовать со связующим, в результате чего выделяются из указанного раствора и «срастаются» фосфатные кристаллогидраты различных форм (рис. 4). Огнеупорный слой от-верждается и приобретает определенную прочность. При нагреве и прокалке образцов (950 °С, 3 ч) аморфный оксид бора обуславливает спекание и повышение, за счет этого, «горячей» прочности керамических оболочковых форм. Снижение прочности оболочек после формирования отливок при последующем охлаждении обусловлено, главным образом, распадом фосфата бора при температуре 500 °С и ниже на соответствующие оксиды фосфора и бора. Высокая прочность форм на этапе заливки расплава в совокупности с их разупрочнением на стадии охлаждения и отбивки керамики способствуют получению отливок высокого качества, а также обеспечивают минимальную трудоемкость финишных операций. _ ________

ШММИИМИИИЙР

ШЯШ 1 ■

Рис. 4. Микроструктура образца керамической формы на растворе АБФК и микропорошках электрокорунда белого с периклазовой обсыпкой (хЮОО)

Анализ приведенных дилатометрических зависимостей показывает, что коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) корундовых образцов на АБФК с периклазовой обсыпкой в температурных интервалах 20...620 °С и 20...830 °С составляет 1,61-10 и 3,97-10"6 "СГ1 соответственно, что обуславливает высокую геометрическую точность получаемых форм и отливок.

Для оптимизации состава коррундовой суспензии на АБФК проведено математическое моделирование при использовании метода полного факторного эксперимента (ПФЭ).

При составлении матрицы планирования эксперимента размера 23 применяли следующую систему кодирования функций откликов и соответствующих им факторов варьирования: У! - условная вязкость суспензии, V (с); У2 - прочность образцов при изгибе, аИЗг (МПа); У3 - газопроницаемость, Г (ед); X! -количество связующего водного раствора АБФК, САБфк (% мае.); Х2 - плотность водного раствора АБФК, Рабфк (г/см3); Х3 -удельная поверхность электрокорунда, У (см2/г).

В результате математическая модель была получена в следующем виде:

У1 = 2948,38 - 80,725X1- 2130Х2 - 0,97855Х3 +59Х1Х2 + + 0,02565Х,Х3 + 0,73Х2Х3 - 0,019Х!Х2Х3; (1)

У2 = 17,765 - 0,755Х] - 14Х2 + 0,000225Х3 + 0,65Х!Х2; (2)

У3 = 131 + 0,2X1 - 95Х2 - 0,042Х3 + 0,03Х2Х3. (3)

Исходя из производственного опыта определялись технологические диапазоны значений их основных свойств суспензий и форм, а именно:

- условная вязкость суспензии по вискозиметру ВЗ-4, с 50. ..60;

- прочность образцов при изгибе, МПа 4,0... 5,0;

-газопроницаемость, ед. 5,0...7,0.

При подстановке предельных значений интервалов функций откликов в

полученные математические уравнения 1-3, определили диапазоны оптимальных значений содержания всех компонентов суспензии и параметров их подготовки:

- водный раствор АБФК, мае. % 34...39

- электрокорунд белый (микропорошки), мае. % 61...66

- плотность связующего, г/см3 1,35... 1,4

- удельная поверхность электрокорунда, см2/г 3300. ..3800.

Из суспензии оптимизированного состава параллельно с базовыми (на

ГРЭТС и водном кремнезолыюм связующем «Сиалит-20С») были изготовлены образцы для контроля физико-механических свойств. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

На основании полученных результатов разработана технология изготовления керамических оболочковых корундовых форм на АБФК-связующем с периклазовой обсыпкой. Она позволяет добиться решения актуальных задач в ЛВМ: существенно сократить цикл изготовления керамических оболочковых корундовых форм, повысить их прочность и точность получаемых отливок, а также значительно улучшить экологическую обстановку в цехах литья по выплавляемым моделям, благодаря исключению использования в производстве

этилсиликата, аммиака и органических растворителей. Все это способствует повышению в несколько раз производительности технологического процесса получения многослойных керамических форм в ЛВМ с сохранением необходимых физико-механических характеристик, снижению брака отливок по вине форм и достижению существенного экономического эффекта за счет замены используемых дорогостоящих материалов. Все это, в своей совокупности, определяет ресурсосберегающий и экологически безопасный характер разработанной технологии формообразования на неорганическом связующем - водном растворе АБФК.

Таблица 1

Результаты испытаний керамических оболочковых корундовых форм

Показатели Формы на ГРЭТС (базовая) Формы на «Сиалит-20С» (базовая) Формы на АБФК

1. Время затвердевания слоя, мин 90...120 60...90 40...60

2. Газопроницаемость, ед 1...2 2...3 5...7

3. Прочность образцов при изгибе, МПа: - после вытопки моделей в перегретой модельной массе («сырая» прочность) - при температуре 950 °С («горячая» прочность) 4,2...4,5 5,3...6,0 3,5...3,8 4,7...5,0 4,3...4,8 6,0...7,0

3. Выбиваемость (остаточная прочность), МПа 2,4...2,9 1,5...1,8 1,2...1,5

Помимо корундовых форм, для отливок из углеродистой стали экономически целесообразным является использование более дешевого пылевидного кварца в качестве наполнителя суспензий. Однако подготовка кварцевой суспензии на АБФК сопровождается интенсивным газовыделением (водород) в результате взаимодействия примесей пылевидного кварца с фосфорной кислотой, образующейся при гидролизе АБФК. В связи с этим предполагалось задействовать ультразвуковую дегазацию указанной суспензии.

В третьей главе изучены особенности влияния ультразвукового поля на суспензию на АБФК-связующем, установлены закономерности изменения ее вязкости и степени дегазации под воздействием ультразвука (УЗ), а также соответствующие процессы формообразования в ЛВМ.

Для обработки суспензии в ультразвуковом поле изготавливали установку, дно которой являлось волноводом при использовании генератора УЗГ-22-10 и магнитострикционного преобразователя ПМС6-22.

Проведённые исследования показали, что ультразвуковая обработка кварцевой суспензии на АБФК-связующем позволяет существенно повлиять на процесс её дегазации. Это обеспечивается уменьшением вязкости суспензии и кавитационными явлениями под действием ультразвука, что кинетически уп-

рощает их всплываиие в суспензии. При этом роль кавитационных процессов увеличивается с ростом интенсивности и снижением частоты ультразвука, а, следовательно, усиливается дегазирующий эффект.

На основе результатов экспериментов в аналитической форме получена следующая зависимость вязкости от времени Г) = Ят) при использовании ультразвуковой обработки кварцевой суспензии на АБФК: Л = "По т0 < ТИобр,

/7 - ще^-^ тн0Бр < х < тКоьр, (4)

77 = щектк0Бр < т, где Т|0 - исходная динамическая вязкость суспензии, Па с; т0 - момент времени после приготовления суспензии, с; т"БР, ТоБР - время начала и конца обработки суспензии, с; К] - коэффициент интенсивности изменения динамической вязкости, учитывающий параметры ультразвукового воздействия, с-1.

Для адекватной оценки кинетики дегазации кварцевых суспензий на АБФК в ультразвуковом поле получена аналитическая функциональная математическая модель в виде следующей системы уравнений:

9 По

(5)

А".

/

(РвНЕШ + )

Руз

4о I

P\-l > Pfíjirin + РсТ ^

УЗ — гВНЕШ ГСТ , I 2п

ЗГрг (РШЕШ+Рсг+у)

где h — высота подъёма газового включения в суспензии в УЗ поле, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; рс - плотность используемой суспензии, кг/м3; рг - плотность газа, кг/м3; Г|0 - начальная динамическая вязкость раствора, Па с. г - начальный радиус воздушного пузырька, м; R - радиус кавитациониого пузырька, м; Ki - коэффициент интенсивности изменения динамической вязкости, зависящий от параметров УЗ воздействия, с _1; / - частота ультразвука, Гц; Рвнеш- внешнее давление опокой, Па; Рст - гидростатическое давление, Па; Руз - амплитуда ультразвукового давления, Па; N - мощность ультразвукового поля, Вт; с - скорость распространения ультразвуковых волн в среде, м/с; S -площадь излучающей поверхности, м2; I - интенсивность ультразвука, Вт/м"; хр, xf¿EP, XqEP, i - моменты времени после приготовления суспензии, соответствующие расширению кавитационной области, началу и концу ультразвуковой

обработки, времени выдержки суспензии после обработки, с; ст - поверхностное натяжение на границе «жидкость - газ», Дж/м2.

На основании созданной аналитической модели разработана методика расчета параметров ультразвукового воздействия для эффективной дегазации кварцевых суспензий на АБФК, реализованная в компьютерной программе «ХКО.ВАБ». Так при интенсивности ультразвука - 10... 12 кВт/м2, частоте -22...28 кГц и продолжительности воздействия 7... 13 минут достигается дегазация указанных суспензий от газовых включений размером более 100 мкм на высоте до 0,8 м.

Учитывая установленный эффект «разжижения» суспензии под действием ультразвука, обеспечивается возможность увеличить ее наполненность и, за счет этого, повысить на 25...30 % прочность кварцевых керамических форм на АБФК (таблица 2).

Таблица 2

Влияние ультразвуковой обработки кварцевой суспензии на АБФК на свойства

Показатели Способ подготовки суспензии

без УЗ с УЗ

1. Время отверждения слоя, мин 57...62 45...50

2. Прочность образцов при изгибе, МПа: а) после вытопки моделей б) при 950 °С 3,1...3,6 4,2...4,7 4,5...5,0 5,3...5,9

готовления качественных точных отливок из углеродистых сталей при заливке расплава в указанные керамические формы без опорного наполнителя. Такой способ заливки представляется энерго- и материалосберегающим.

В четвертой главе представлены результаты опытно-промышленных испытаний разработанной технологии формообразования и дана оценка ее влияния на качество точных отливок. При этом технологический процесс изготовления керамических оболочковых форм на АБФК-связующем реализован на предприятии ОАО СКБ «Турбина» (г. Челябинск). Пример керамической формы и отливки показан на рис. 5.

а б

Рис. 5. Керамические формы (а) и отливка из никелевого сплава (б), изготовленные по разработанной технологии

Анализ поверхности литых образцов показал, что во время заливки на границе расплав-форма не происходит химических реакций, способствующих обеднению поверхностного слоя отливки основными легирующими элементами (рис. 6).

Глубина сканирования, мкм Содержание элементов, %

А1 Р Б Т! V Сг Со V/

10 5,5 0.02 0.006 0,006 4,36 0,79 10,07 14.65 1,51

20 5.67 0,018 0,001 0,007 3,43 0.89 9,23 14,61 1,45

30 5,47 0.021 0,002 0,005 3,5 0,85 9,94 14,84 1,78

Форма на ГРЭТС 4,9... 5,2 1,11... 0.016 0,008... 0.01 0,006... 0,009 4,0... 4,2 0,46... 0.51 8,6... 9,2 13... 13,6 0,81... 1,11

ТУ 1-92-17791 5.1... 5,7 <0,025 <0,01 <0,01 4,2... 4,7 0,5... 1.0 9.0... 10,0 13,5... 14,5 1,0... 1,8

Рис. 6. Химический состав поверхностного слоя отливки из жаропрочного никелевого сплава ВЖЛ12У-ВИ (ТУ 192-177-91)

Полученные результаты свидетельствуют о термохимической устойчивости в вакууме корундовых керамических оболочковых форм на АБФК с перик-лазовой обсыпкой и их химической инертности к жаропрочным никелевым сплавам.

Таким образом, появляется возможность заменить процесс формообразования с применением дорогостоящего и экологически опасного этилсиликата на неорганическое связующее (АБФК) и обеспечить ресурсосбережение и улучшение условий труда в цехах ЛВМ. Об этом, в частности, свидетельствует калькуляция затрат на изготовление одной тонны точных отливок из жаропрочного никелевого сплава (табл. 3).

Таблица 3

Калькуляция затрат на изготовление 1 тонны точных отлнвок из

Затраты на 1 тонну отливок,

Статьи расходов тыс. руб.

базовая тех- разработанная

нология технология

Основные материалы 3645,83 3259,17

Вспомогательные материалы 18,4 4,6

Электроэнергия и топливо на техноло- 36,9 17,44

гические нужды

Основной фонд ЗП 276,5 189,64

Дополнительный фонд ЗП 218,34 147,96

Отчисления на единый социальный налог 168,24 114,78

Потери от брака 2005,21 977,75

Эксплуатационные расходы на содержание и ремонт оборудования 201,4 154,45

Общецеховые расходы 38,46 31,64

Специнструмент 16,54 14,32

В непроизводственные и общецеховые расходы 54,41 53,7

Итого: 6680,23 4965,45

----------------- ~— ^»X«1Л ИЛ иХиОЛСпИЛ

форм, использования недорогих формовочных материалов достигнута суммарная экономия затрат в размере 1,7 млн. руб. на 1 тонну годных отливок из жаропрочного никелевого сплава (в ценах сентября 2012 г.).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Кинетические зависимости процесса химического закрепления слоев корундовой суспензии на АБФК периклазовой обсыпкой показали, что при количестве связующего 30...35 мае. %, плотности 1,3... 1,4 г/см3 и дисперсности обсыпочного материала 0,3...0,4 мм удается достичь продолжительности затвердевания каждого слоя огнеупорного покрытия в пределах 40...60 мин. Установлено, что при формировании прочности слоя основная роль принадлежит кристаллогидратам М£(Н2Р04)2 ' ЗН20 и ¡\^НР04 • ЗН20, образующимся в результате химического взаимодействия суспензии на АБФК и зерен периклазовой обсыпки, внедряющейся в слой.

2. В процессе нагрева форм кристаллизационная влага удаляется и происходит переход ортофосфатов магния в безводные пирофосфаты и метафосфаты. При этом аморфный оксид бора обеспечивает спекание при температурах 800... 1000 "С и формирует высокую прочность керамических оболочковых

форм на АБФК при прокалке. Диссоциация фосфата бора при охлаждении формы до 500 °С и ниже приводит к понижению ее прочности и улучшает условия отделения керамики от отливки. Методом планирования эксперимента создана статистическая математическая модель, связывающая состав суспензии с ее свойствами и физико-механическнми характеристиками получаемых керамических оболочковых форм на АБФК.

3. Показано, что ультразвуковая обработка кварцевых суспензий на АБФК с интенсивностью 10... 12 кВт/м2, частотой 22...28 кГц и продолжительностью воздействия 7... 13 минут обеспечивает эффективную ее дегазацию от газовых включений размером более 100 мкм на высоту до 0,8 м. Определено, что интенсификация процесса всплывания газовых включений из обработанной ультразвуком кварцевой суспензии на АБФК обусловлена снижением в 1,3-1,5 раза её вязкости, протеканием кавитационных процессов и наличием акустических течений. Установленный эффект «разжижения» суспензий на АБФК под действием ультразвука позволяет также увеличить степень их наполнения и, вследствие этого, повысить на 25...30 % прочность керамических кварцевых форм.

4. Для адекватной оценки происходящих процессов получена аналитическая модель кинетики ультразвуковой дегазации суспензий на АБФК в виде системы уравнений. На основании установленных закономерностей ультразвуковой обработки кварцевых суспензий на АБФК создана методика расчёта оптимальных технологических параметров дегазации, реализованная в компьютерной программе «UZO.BAS».

5. Микроспектральным анализом и методом жидкостной капиллярной микроскопии (JIIOM) отливок ответственного назначения из жаропрочных никелевых сплавов подтверждена термохимическая устойчивость керамических оболочковых корундовых форм на АБФК с периклазовой обсыпкой в условиях вакуума.

6. Разработанные на основе проведенных исследований технологии изготовления керамических оболочковых форм на АБФК с периклазовой обсыпкой и применением ультразвуковой обработки суспензий позволяют в несколько раз ускорить процесс формообразования, обеспечить ресурсосбережение и улучшить экологическую обстановку в цехах ЛВМ за счет замены дорогостоящего и опасного этилсиликата на перспективные неорганические связующие материалы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Знаменский, Л.Г. Формы на алюмоборфосфатном концентрате для художественного литья по выплавляемым моделям / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивоч-кина, A.C. Варламов, С.С. Верцюх // Литейное производство сегодня и завтра: Тезисы докладов 8-й Всероссийской научно-практической конференции. -СПб.: Изд-во Политехн.ун-та. - 2010. - С. 19.

2. Знаменский, Л.Г. Прогрессивные технологии ускоренного точного фор-мообразоваия /Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкииа, A.C. Варламов, С.С. Верцюх //

Наука и производство: сборник научных трудов / под ред. В.В. Ерофеева. - Челябинск: ЧРО РАЕН. - 2010. - С. 11-16.

3. Знаменский, Л.Г. Теоретические основы электронно-ионной обработки кристаллогидратных связующих в точном литье / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивоч-кина, A.C. Варламов, С.С. Верцюх, Е.В. Карачев // Труды десятого съезда литейщиков России. - Казань: Изд-во «Вертолет». - 2011. - С. 337-342.

4. Знаменский, Л.Г. Технология литья в оболочковые керамические формы с применением алюмоборфосфатного концентрата / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина, С.С. Верцюх // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Металлургия». - 2011. - № 38 - С. 45-47. (издание рекомендовано ВАК).

5. Знаменский, Л.Г. Ускоренное формообразование на алюмоборфосфат-ном концентрате для литья по выплавляемым моделям /Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина, A.C. Варламов, С.С. Верцюх // Литейщик России. - 2012. - №3 - С. 33-35. (издание рекомендовано ВАК).

6. Знаменский, Л.Г. Применение алюмоборфосфатного концентрата в процессах формообразования для литья по выплавляемым моделям / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина, A.C. Варламов, С.С. Верцюх // Литейное производство. -2012. - №3. - С. 29-32. (издание рекомендовано ВАК).

7. Знаменский, Л.Г. Ресурсосберегающие технологии формообразования в литье по выплавляемым моделям / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина, A.C. Варламов, С.С. Верцюх // Заготовительные производства в машиностроении. -2012. - № 12 - С. 3-5. (издание рекомендовано ВАК).

8. Знаменский, Л.Г. Ресурсосберегающие процессы точного формообразования на алюмоборфосфатном концентрате / Л.Г. Знаменский, С.С. Верцюх // Экономика и производство: сборник научных трудов / под ред. В.В. Ерофеева. - Челябинск: ЧРО РАЕН. - 2012. - С. 98-101.

9. Знаменский, Л.Г. Ресурсосберегающая технология формообразования в точном литье / Л.Г. Згнаменский, О.В. Ивочкина, С.С. Верцюх, A.C. Варламов // Литейное производство: сегодня и завтра. Сб. тр. 9-й междунар. иаучно-практ. Конференции. - С.-Петербург, изд. политехнического университета. -2012.-С. 409-412.

10. Знаменский, Л.Г. Корундовые формы на алюмоборфосфатном концентрате в точном литье / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина, A.C. Варламов, С.С. Верцюх, М.В. Судариков // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер. Металлургия. - 2012. - № 39. - С. 52-56. (издание рекомендовано ВАК).

11. Знаменский, Л.Г. Бескремнеземное связующее в точном литье химически активных сплавов / Л.Г. Знаменский, A.C. Варламов, С.С. Верцюх // Литейное производство. - 2013. - №8 - С. 15-17. (издание рекомендовано ВАК).

12. Пат. №2404011 Российская Федерация МПК В22С 1/00. Способ подготовки зернистых материалов для изготовления керамических форм и стержней / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина, A.C. Варламов, С.С. Верцюх.; заявка №2009139872/02; заявл. 28.10.2009; опубл. 20.11.2011, Бюл. № 32.

13. Пат. №2412778 Российская Федерация МПК В22С 1/18. Способ химического закрепления слоев жидкостекольного покрытия в литье по выплавляемым моделям / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина, A.C. Варламов, С.С,Верцюх; заявка №2009147986/02; заявл. 23.12.2009; опубл. 27.02.2011, Бюл. № 6.

14. Пат. №2499650 Российская Федерация МПК В22С 1/00. Способ приготовления бескремнеземного связующего для литья по выплавляемым моделям химически активных сплавов / Л.Г. Знаменский, С.С. Верцюх, A.C. Варламов.; заявка №2012143558/02; заявл. 11.10.2012; опубл. 27.11.2013, Бюл. №33.

15. Пат. №2443499 Российская Федерация МПК В22С 1/00. Способ подготовки зернистых материалов для изготовления керамических форм и стержней в литье по выплавляемым моделям / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина, С.С. Верцюх.; заявка №2010148809/02; заявл. 29.11.2010; опубл. 27.02.2012, Бюл. №6.

16. Пат. №2478453 Российская Федерация МПК В22С 1/00. Способ изготовления форм по выплавляемым моделям (варианты) / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина, С.С. Верцюх.; заявка №2011146577/02; заявл. 16.11.2011; опубл. 10.04.2013, Бюл. №10.

Верцюх Сергей Сергеевич

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ АЛЮМОБОРФОСФАТНОГО КОНЦЕНТРАТА В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Специальность 05Л6.04- Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 03.04.2014. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 82/246.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (научно-исследовательский университет)

04201459319 и

17 На правах рукописи

/

Верцюх Сергей Сергеевич

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ АЛЮМОБОРФОСФАТНОГО КОНЦЕНТРАТА В ЛИТЬЕ

ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Специальность 05.16.04. - Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Знаменский Л.Г.

Челябинск - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................................................9

1.1 Анализ существующих способов изготовления форм в литье по выплавляемым моделям...................................................................10

1.1.1 Оболочковые керамические формы..................................................12

1.1.2 Объемные наливные формы..........................................................16

1.2. Перспективы использования алюмоборфосфатного

концентрата для литья по выплавляемым моделям.......................................18

1.3 Прогрессивные способы обработки материалов в точном литье..................22

1.4 Цель и задачи исследований...............................................................25

ГЛАВА 2. РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ

ФОРМ НА АЛЮМОБОРФОСФАТНОМ КОНЦЕНТРАТЕ............................27

2.1 Кинетика химического закрепления слоев керамических

форм периклазом..............................................................................29

2.2 Структура и свойства суспензий и керамических

форм на АБФК-связующем.................................................................34

2.3 Оптимизация состава суспензии для оболочковых

форм на АБФК-связующем.................................................................57

2.4 Разработка технологии изготовления керамических

форм на АБФК.................................................................................64

Выводы..........................................................................................68

ГЛАВА 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА НА СУСПЕНЗИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ

АЛЮМОБОРФОСФАТНОГО КОНЦЕНТРАТА..........................................70

3.1 Особенности воздействия УЗ-поля на металлофосфатную

суспензию.......................................................................................70

3.2 Исследование процесса дегазации кварцевой суспензии

на АБФК в ультразвуковом поле..............................................................75

3.3 Модель ультразвуковой дегазации суспензий на АБФК..........................86

Выводы..........................................................................................91

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

НА КАЧЕСТВО ТОЧНЫХ ОТЛИВОК......................................................94

4.1 Взаимодействие химически активных сплавов с керамическими формами и его воздействие на качество отливок........................................94

4.2 Технико-экономические показатели (ТЭП) эффективности разработанных технологий.................................................................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................112

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................114

Приложения......................................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс на сегодняшний день ставит перед машиностроительными предприятиями актуальную задачу повышения качества изготавливаемой продукции при общем сокращении затрат на ее производство. Данные требования объективно объясняют необходимость развития точного литья.

На сегодняшний день возможность изготовления высококачественных отливок практически любой конфигурации обеспечивает перспективный метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) в разовые многослойные оболочковые формы. Однако, используемые в данном виде литья материалы, зачастую, являются дорогими, дефицитными и неэкологичными, а способ формообразования характеризуется высокой трудоемкостью и длительностью, что в совокупности приводит к получению форм с заниженными физико-механическими свойствами и отливок с низкой размерной точностью. Кроме того, несмотря на большое количество уже разработанных и успешно применяемых в ЛВМ связующих, до сих пор не существует универсального состава, позволяющего получать высококачественные отливки из широкого спектра сплавов, но при этом удовлетворяющего требованиям производства и мировым стандартам экологической безопасности.

Таким образом, разработка ресурсосберегающей технологии ЛВМ в многослойные керамические формы на неорганических недорогих и безопасных материалах является весьма актуальной задачей литейного производства.

В связи с вышеизложенным, целью представленной диссертационной работы была разработка, с учетом проведенных исследований, ресурсосберегающей технологии изготовления оболочковых керамических форм на алюмоборфосфатном концентрате (АБФК), позволяющей существенно снизить себестоимость продукции ЛВМ, повысив качественные показатели производства.

В первой главе проведен обзор используемых в производстве на современном этапе технологий литья по выплавляемым моделям, проанализированы принципиальные особенности существующих способов получения и виды керамических форм для изготовления по выплавляемым моделям различных отливок из

широкого спектра сплавов. Произведен анализ наиболее перспективных процессов получения форм в ЛВМ. В результате доказана актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе установлено, что задача повышения ресурсоэффективности процесса изготовления оболочковых керамических форм может быть решена путем применения в качестве связующего водного раствора алюмоборфосфатного концентрата. Исследована кинетика химического закрепления слоев огнеупорного покрытия на АБФК периклазом. Проанализирована структура и свойства огнеупорных формооболочек, а также выявлены закономерности изменения их прочности при нагреве и охлаждении. Уточнен механизм твердения в системе «АБФК-спеченный периклаз» для форм в ЛВМ. Методом планирования эксперимента сформулирована математическая модель, описывающая влияние состава суспензии на АБФК с ее свойствами: условной вязкостью, прочностью образцов при изгибе и газопроницаемостью. Разработана технология изготовления оболочковых форм из суспензии на АБФК, определено время сушки слоев оболочек, обеспечивающее полное высыхание и отсутствие расслоений.

В третьей главе выявлены закономерности ультразвуковой обработки смесей на АБФК. Установлен механизм формообразования из суспензий на АБФК-связующем в поле ультразвукового воздействия. Представлены данные по дегазации суспензий ультразвуком и разработана аналитическая модель этого процесса. Предложена методика оптимизации технологических параметров ультразвуковой обработки при производстве формооболочек, реализованная в программе

«иго.вА8».

В четвертой главе представлены результаты производственных испытаний разработанного технологического процесс точного формообразования в производстве отливок из жаропрочных никелевых сплавов, а также приведены результаты металлогрфических исследований в части изучения реакционной способности керамических форм в условиях вакуумной заливки. Экономический эффект в расчете на 1 тонну годных отливок из жаропрочных сплавов на никелевой основе, в случае внедрения на ОАО СКБ «Турбина» технологии производства с примене-

нием многослойных оболочек на АБФК-связующем, составит 1,7 млн. руб. (в ценах сентября 2012 г.).

В приложении представлена программа расчета параметров ультразвуковой обработки суспензии на АБФК-связующем, а также акт промышленных испытаний разработанной технологии литья химически активных жаропрочных сплавов на основе никеля.

Практическая значимость настоящей работы состоит в том, что обоснована теоретически и подтверждена экспериментально система научных положений, обеспечивающих ресурсосберегающий характер новых технологических решений в изготовлении оболочковых керамических форм на АБФК для отливок из различных сплавов, в частности химически активных (сплавы на основе №, сложно-легированные стали и др.). В том числе:

- получены новые данные по структурным и дилатометрическим параметрам многослойных керамических оболочковых форм на АБФК-связующем с перикла-зовой обсыпкой в области высоких температур, их физико-механическим свойствам;

- установлены закономерности влияния ультразвукового воздействия на реологические свойства суспензий и физико-механические характеристики керамических оболочковых форм, создана аналитическая функциональная модель ультразвуковой дегазации суспензий на АБФК;

- подтверждена термохимическая устойчивость керамических оболочковых корундовых форм на АБФК к заливаемым в вакууме жаропрочным никелевым сплавам.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- данные по существующим технологиям получения керамических формо-оболочек;

- технологические процессы получения и физико-механические свойства формооболочек на металлофосфатном связующем, результаты микроструктурного анализа используемых материалов;

- кинетика отверждения слоев огнеупорного покрытия в системе «суспензия на АБФК - периклаз», а также влияние ее состава на физико-механические свойства форм на основе АБФК, результаты дилатометрического анализа формообо-лочек;

- технология получения многослойных корундовых керамических форм для ЛВМ с использованием в качестве связующего алюмоборфосфатного концентрата и зернистого периклазового песка в качестве отвердителя;

- статистическая математическая модель, характеризующая влияние состава на технологические свойства смеси и физико-механические характеристики изготавливаемых форм, методика определения параметров технологии получения формооболочек с заданным набором свойств;

- механизм упрочнения многослойных керамических форм из суспензий на основе водного фосфатного связующего и влияние изменения температуры на прочность оболочек на основе результатов дериватографии и качественного рент-генофазового анализа;

- аналитическая модель, описывающая процессы дегазации суспензий на АБФК, протекающие при ультразвуковом воздействии;

- результаты проведенных в производственных условиях испытаний разработанной ресурсосберегающей технологии получения многослойных керамических форм.

Для решения задач диссертационной работы применялись следующие научные методы: кондуктометрия, дилатометрический, дериватографический и качественный рентгенофазовый анализы, растровая электронная микроскопия, метод планирования эксперимента.

Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложения.

Представленная диссертационная работа выполнена на кафедре металлургии и литейного производства федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

Основные материалы диссертационной работы представлялись на 9-ом и 10-ом съезде литейщиков России (2009, 2011 гг.), 8-ой Всероссийской научно-практической конференции (Санкт-Петербург) (2010 год), 6-ой Уральской межрегиональной молодежной выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ) изобретателей, рационализаторов «Евразийские ворота России», проводимой в рамках Всероссийской программы «Шаг в будущее» (медаль 1-ой степени в номинации «Лучшая рационализаторская разработка», Челябинск, 2011 г.), 11-ой Всероссийской выставке НТТМ (премия Президента Российской Федерации, установленная указом от 6 апреля 2006 года №325 «О мерах государственной поддержки талантливой молодежи», Москва, 2011 г.), 3-ей, 4-ой и 5-ой конференции аспирантов и докторантов ЮУрГУ (2011-2013 гг.), 63-ей 64-ой и 65-ой научных конференциях преподавателей и сотрудников ЮУрГУ (2011 -2013 гг.).

По материалам исследований в открытой печати опубликовано 11 статей (в том числе 6 из Перечня рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ), выдано 5 патентов на изобретения.

Диссертация включает в себя 126 страниц машинописного текста с 18 таблицами, 33 рисунками, списком литературы, включающим 109 наименований, приложения на 3 страницах.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Литейное производство существенно влияет на качество и надежность современных машин и оборудования. Развитие техники предъявляет свои требования к качеству отливок. Современные литые заготовки должны иметь высокие механические свойства, физические и химические характеристики, а также точность при минимальной толщине стенок и массе.

Разработка новых образцов современной техники, конкурентоспособной на мировом рынке в областях приборостроения, металлургии, а также машиностроения поднимают проблему перевода на качественно новый уровень точного литья отливок, работающих в химически агрессивных средах и при высоких физических нагрузках.

Важнейшей задачей литейного производства в целом является улучшение экологической обстановки на рабочих местах, а также обеспечение ресурсосберегающего характера литейной технологии. Решить указанную задачу можно путем комплексной автоматизации производства, основанной на использовании прогрессивных технологических процессов.

В настоящее время основным методом литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) является способ получения отливок в многослойные керамические формы, позволяющий изготавливать литые заготовки сложной конфигурации с развитыми поверхностями и большим количеством технологических поднутрений [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Основными причинами брака в ЛВМ являются, в первую очередь, низкое качество керамических форм, вызванное несовершенством технологии их изготовления и качеством используемых при этом формовочных и модельных материалов [7, 8].

В связи с этим, был проведен анализ применяемых на отечественных и зарубежных литейных заводах и научно-исследовательских институтах прогрессивных технологических процессов. В результате сформулированы цель и задачи исследования.

1.1 Анализ существующих способов изготовления форм в литье по выплавляемым моделям

Важнейшим объектом исследований представленной диссертационной работы является точное литье по выплавляемым моделям.

Анализ данных отечественной и иностранной литературы [7, 9, 10] показал, что способ литья по выплавляемым моделям, благодаря своим преимуществам, получил значительное распространение в машиностроении и приборостроении. Объясняется это, в первую очередь, геометрическими особенностями некоторых деталей, которые технически невозможно, или экономически нецелесообразно получать какими-либо другими способами [11, 12, 13].

Возможность успешного промышленного применения ЛВМ во многом определялась не только достижениями в развитии литейной технологии, но и химии кремнийорганических соединений, в частности - разработкой промышленного метода получения этилсиликата, являющегося исходным материалом высокого качества для приготовления связующего.

Стартовой площадкой для развития этого метода служили разработки литейных связующих для ЛВМ, которые, главным образом, предназначались для изготовления разного рода турбинных лопаток газотурбинных двигателей наземного и воздушного базирования (ГТД). В процессе развития и совершенствования технологий изменялись и конструкционные особенности изготавливаемых отливок [7]. Таким образом, в начале 60-х годов из жаропрочных сплавов на никелевой основе получали уже цельнолитые колеса рабочие турбин с опорным бандажным кольцом. Стоит отметить, что на начальном этапе промышленного освоения метода ЛВМ применяли сложный, дительный и ресурсозатратный процесс, основывавшийся на применении дорогих материалов - натурального воска, этилсиликатного раствора в качестве связующего и наполнителя. В связи с длительностью цикла (до трех суток) и дороговизне отливок, изготавливаемых данным методом, применение его было весьма ограниченным.

Благодаря научно-техническому прогрессу, коснувшемуся и особенностей технологии литья по выплавляемым моделям, появилась возможность существенно расширить возможности этого метода, обеспечить высокоэффективность его применения в серийном и массовом производстве.

Благодаря постоянным научным исследованиям, промышленное использование ЛВМ обеспечивает получение сложных по форме и различных по развесу отливок с толщиной стенок менее 1 мм и шероховатостью поверхности от Яг = 20 мкм до Яа = 1,25 мкм (ГОСТ 2789-73), а также высокой размерной точностью практически из любых литейных сплавов [7].

В процессе развития исследуемого метода были определены его два основных вида: литье в многослойные формооболочки и литье в монолитные керамические формы. Учитывая достоинства и недостатки каждого из этих методов,а также зная конкретные условия производства, можно выбрать спос