автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Управление структурой и свойствами оболочковых форм по выплавляемым моделям

На права* рукописи

КУРЕНКОВ Владимир Иванович

УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени гсищидата технических наук

Комсомольск-н'а-Амуре - 1996

Работа выполнена в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете (г. Комсомольск-на-Амуре).

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Ри Хосен

кандидат технических наук, профессор Евстигнеев А.И.

Научный консультант: кандидат химических наук, доцент

Петров В.В.

Официальш..е оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бабкин B.i'. (г. Красноярск) кандидат технических наук, доцент Щекин A.B. (г. Хабаровск)

Ведущая организация: Институт машиноведения и металлургии

ДВО РАН (г. Комсомольск-на-Амуре)

Защита состоится " tx^t-e. 1996 г. в часов на заседании диссертационного совета К 064.70.02 Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета по адресу:

681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, КнАЕТУ.

Ваш отзыв в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КнАГТУ.

I угореферат разослан " " ¡л^уорх 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Б.М. Соболев

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■ Актуальность работы. Среди прогрессивных методов получения точных отливок независимо от марки применяемых сплавов широкое распространение получил метод литья по выплавляемым моделям (ЛЕМ). Большая номенклатура отливок, получаемых ЛВМ, возможность уменьшения толщины стенки отливок, снижение ияи полное исключение припусков на механическую обработку, а также высокая степень автоматизации и механизации технологических процессов позволяет считагь этот метод литья одним из перспективных. Наряду с бесспорными преимуществами данного способа литья имеются серьезные недостатки, которые определяются низкой термомеханической прочностью оболочковых форм (0$) в ЛВМ, приводящей к растрескиванию форм на различных этапах технологического процесса и, как следствие, к высокому браку как самих форм, так и отливок, полученных в них. Высокая стоимость исходных материалов, главным образом зтилсшшката, сложность, длительность и многооперационность технологического процесса формообразования оболочек сдерживает развитие этого прогрессивного способа литья. Повышение трещиностойкости 05 путем управления их структурой и свойствами за счет применения новых, более совершенных технологических процессов, недефицитных материалов, всестороннего контроля исходных составляющих, связующих растворов и суспензий на стадии их приготовления, расчет с помощью математических методик наиболее ватаых параметров технологического процесса позволит снизить брак 0$, отливок, полученных в; них и, как следствие, повысить эффективность метода ЛВМ.

Цель и задачи работы. Целью настоящей "работы является исследование и разработка более совершенных технологических процессов изготовления ОФ для ЛВМ с повышенной трещиностойкгстью за счет управления их микро- и макроструктурой. Для достижения этой цели в диссертационной работе решались следующие задачи :

- создание системного подхода к анализу структур и свойств ОФ ЛВМ путем классификации их по уровням с целью управления качеством 0$ на всех структурных уровнях и прогнозирования их физико-механических свойств;

- исследование всех стадий "радигчонных технологических процессов формообразования оболочек для оценки их влияния ж процессы трещинооСразования СФ;

- разработка математических моделей, позволяющих рассчитывать

необходимые параметры технологического процесса выплавления моделей из 05;

- исследование и разработка технологических процессов, позволяющих управлять микро- и макроструктурами ОФ ЛВМ;

- разработка методик контроля исходных материалов и наиболее ответственных операций изготовления 0$ ЛВМ.

Методы исследовашо":. В работе использовались как общеизвестные и принятые методики определения физико-механических и технологически х свойств суспензий, 01', отливок, так разработанная с участием автора методика контроля качества этилсиликата и суспензий методом диэлектрической спектроскопии.

Научная нгтязпа. Впервые предложена иерархия структур ОФ в ЛВМ, которая показывает возможности :: пути целенаправленного изменения физико-механических характеристик каждого структурного уровня и всей 01' в целом, определяя тем самым ее качество.

В целях снижения трещинообразования в ОФ ЛВМ на стадии выплавления моделей впервые предложены расчетные методы определения тер-моврекаинах параметров выплавления моделей лг ОФ, учитывающие влияние металлического стояка.

Ра работана методика определения качества этилсиликата и связующих растворов методом диэлектрической спектроскопии, которая позволяет контролировать полноту реакций гидролиза и поликонденсации при изготовлении связующих растворов и прогнозировать механические свойства 02' изготовленных из этих связующих.

Практическая значимость работы. Предложены номограммы для инженерных расчетов минимально необходимого времени выплавления моделей из ОФ ЛВМ с учетом их конструктивных особенностей.

Предложены наиболее рациональные конструкции стояков с наименьшим захолаживающим эффектом на операции выплавления моделей из ОФ ЛВМ.

Разработана технология изготовления ОФ в ЛВМ из суспензии, приготовленной барботажным способом, позволяющая снизить брак форм и отливок.

Предложена и защищена авторским свидетельством технология рационального армирования фирм ЛВМ фарфоровой крошкой, позволяющая повысить трещи:,остойкость форм.

Исследована возможг-ють применения местных сырьевых материалов в качестве обсыночных материалов для изготовления форм ЛВМ, что позволяет снизить себестоимость форм вследствие снижения транс-

юртных расходов, не ухудшая, при этом, качества самих ОФ.

Технология пропитки форм ЛВМ ортофосфорной кислотой позволяет ; минимальными затратами повысить прочность форм более чем в два эа&а от их исходного состояния.

Использование добавки "Соапсток" при изготовлении этилсиликат- • яих связукшх позволяет использовать суспензию в течении семи суток против двух по базовой технологии, причем вуход годных ОФ увеличивается почти в 1,4 раза.

Технология использования высших жирных спиртов, отличная от общерекомендуемой, позволяет источить обсыхание суспензии из ЭТО-40 до 40 с при изготовлении форм на автоматических линиях с одновременным „ошшением выхода годного литья более чем в 2 раза.

Разработана и защищена авторским свидетельством конструкция установки приготовления связующего и керамической суспензии , позволяющая увеличить срок ее службы и снизить трудозатраты на ее очистку.

Реализация результатов работы. Еароота;,шая технология приготовления этлсшшкатной суспензии, технология- использования фарфоровой крошки в качестве обсыпочного армирующего материала для промежуточных слоев оболочковых форм, технология использования высших жирных спиртов фракций Схе - С21 в качестве антииспарителя ацетона в суспензии из ЗТС-40, технология применения натриевой соли хлопкового соапстока в качестве стабилизатора суспензии на основе зтилсиликата внедрены на заводе "Аскольд" (г.Арсеньев Приморского края) с общим годовым "кономическим эффектом 70,462 тыс. рублей (по уровню цен 1989 г.).

Промышленную апробацию в условиях завода "Аскольд" прошла также технология пропитки ОФ ортофосфорной кислотой, пески Чалгановс-кого каолинового комбината и Новоигирминского ГОК в качестве обсы-почногс материала для 05 ЛВМ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы обсуждались на региональной научно-технической конференции "Прогрессивные технологические провесы производства отливок, материалов и их обработка (г. Чебоксары, 1РЯ9 г.); областной научно-технической конференции "Прогрессивные методы получения отливок" (г. Горький, 1989 г.); региональном научно-технипеско'м совещании "Повышение эффективности литейного производства" (г. Омск, 1989 г.); региональной научно-технической конференции "Прогрессив-ш.»"- технологии изготовления форм и стержней для производства отли-

веж" (г. Челябинск, 1990г.); региональной научно-технической конференции "Интенсификация технологических процессов в литейном производстве" (г. Барнаул, 1990 г.); международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве (г. Хабаровск, 1991 г.); научно-техническом семинаре "Методы контроля и исследований в производстве отливок по выплавляемым моделям (г. Москва, 1992 г.); международном научно-техническом симпозиуме "Механика строительных конструкций из новых материалов и проблемы практического внедрения в производство" (г. Комсомольск-на-Лмуре, 1993 г.).

Автор выражает глубокую признательность к.т.н., доценту Дмитревскому И. П. к.т.н., доценту Черномасу В.В., к.т.н. Сапченко И.Г. , а также всем сотрудникам пг -блемной научно-исследовательской лаборатории и кафедры "Машины и технология .¡итейного производства" КнЛГТУ, отдела главного металлурга к литейного цеха точного литья завода "Аскольд" (г. Арсеньев) за содействие в выполнении и представлении работы.

П> .Зликации. По результатам выполненных исследований опубликованы 22 печатные работы, получено 2 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Дисертация состоит из введения, б глав, общих выводов, списка литературы из 128 наименований и 7 приложений. Содержит 112 листов машинописного текста, 25 таблиц и 55 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении показана актуальность темы, сформулирована научная новизна, основные положения, выносимые па защиту, и практическая значимость работы.

В первой главе рассматривается современное состояние технологии ЛВМ, анализ которого порполил выявить комплекс проблем, связанных с низким качеством изготовляемых ОФ и получаемых в них отливок.

Коомс того, патентный и литературный анализ свидетельствует о следующем:

- основным источником брака отливок в ЛВМ является недостаточно качественная 01' из кристаллического кварца, имеющая низкую ■прочность, трещиностойкость, термостойкость, податливость и газопроницаемость ;

- брак ОФ по растрескиванию связан с недостаточной изученностью причин и механизмов образованию в них трещин на основных технологических этапах формообразования оболочек и их применения;

- не выясненным остается вопро.. о вкладе каждой из технологически х операций процесса формообразования оболочек и их параметров на процесс зарождения трещин в СФ и дальнейшее их развитие при прокаливании, особенно без опорного наполнителя;

- отсутствие методик расчета и контроля режимов и параметров основных стадий процесса формообразования оболочек;

- наиболее перспективными приемами повышения качества С® ЛВМ является комплексное решение проблемы повышения клчества путем воздействия как в целом на систему "модель - связующее - оболочка", так и отдельного воздействия на каждый элемент системы.

Проведенный анализ показал, что поиск и выбор путей повышения качества и свойств ОФ возможен только на базе комплексного изучения закономерностей взаимодействия системы "стояк - модель - оболочка - теплоноситель" как в процессе формообразования оболочек, так и при прокаливании и заливки их расплавом. Исходя из этого была поставлена цель и определены задачи исследований.

Во второй главе приведены теоретические предпосылки исследований. Все дефекты в оболочковых формах ЛВМ можно объединить в следующие три группы: дефекты исходного си^ъя И их составляющих; дефекты - производные процессов формообразования, которые оказывают доминирующее влияние на качество ОФ; дефекты - производные условий подготовки и заливки форм или термомеханических воздействий.

Согласно современным представлениям о.г-„механизме разрушения композиционных и керамических материалов, можно утверждать, что качества и свойства оболочковых форм определяются, главным образом, их структурой и связями на границе раздела фаз, составляющих многокомпонентную систему "связующее-пылевидный наполпитель-обсы-почный материал". Установление взаимосвязи между последними компонентами позволит выяснить причины, объяснить природу и механизм образования различных дефектов, а также наметить основные пути и способы их устранения.

Отличительной особенностью предлагаемого системного подхода к анализу структур и свойств СФ ЛВМ, лвляе.ея то, что отправной точг кой строения иерархических структур ОФ приняты атомный и электронный уровни, которые определяют свойства всех вышележащих уровней.

Иерархический подход к рассмотрению строения и свойств ОФ ЛВМ

показывает возможности и пути целенаправленного изменения структуг и физико-механических характеристик каждого структурного уровня j: всей . ОФ в целом, влияя тем самым на ее качество. Для получения максимального уровня физико-механических свойств ОФ в целом необходимо одновременно воздействовать на все ре структурные уровни.

В настоящее время возможно осуществлять воздействие только на микро- и макроструктуры СФ. Поэтому поставлена задача - найти эффективные ¡етоды воздействия на эти структурные уровни с целью управления физико-механическими и технологическими свойствами суспензий и ОФ.

В третьей главе 'представлены методы_ воздействия на микро- и ма' ^структуру ОФ. В первом разделе главы показано, что управлять микроструктурой ОФ возможно с помощью воздействия на процессы гидролиза и поликонденсации связующего путем его модифицирования для получения связующи;: растворов с улучшенными показателями служебных свойств. Способы модифицирования связующего, применявшиеся в работ^ представлены ниже.

Применение высших жирных спиртов (ВЖС). Большой проблемой при изготовлении . ОФ на автоматических линиях является обсыхание суспензии после нанесения ее на модельные блоки, особенно при применении ЗТС-40 в качестве связующего и ацетона в качестве растворителя. На суспензию после обсыхания невозможно нанести обсыпочный материал, что приводит к резкому снижению качества и повышенному браку ОФ.

При проверке влияния ВЖС на обсыхание суспензии в условиях автоматической линии завода "Аскольд" (г.Арсеньев) по общерекоменду-емой методике установлено, что время обсыхания снижаемся на 5 - 7 с с одновременной п-терей суспензией текучести.

В результате экспериментов установлено, что ВЖС необходимо вводить в суспензию в виде расплава с температурой 100 - 110 °С в количестве 0,10 - 0,13% от жидкой составляющей непосредственно перед заливкой в суспензию подкисленной соляной кислотой воды, т.е. гидролиз связующего необходимо производить в присутствии ВЖС. В воде для гидролиза необходимо предварительно растворить i варенную соль до плотности 1050 - 1060 кг/м3- Время обсыхания экспериментальной суспензии увеличивается с 23 - 25 с до 38 - 40 с.

Брак оболочек, изготовленных из суспензии с добавкой ВЖС по предложенной технологии, в летний период снижается в 1,5 - 2 раза.

Применение натриевой соли хлопкового соапстока. В процессе

¡ранения этилсиликатные суспензии теряют свои свойства, а именно, ¡нижается связующая способность, суспензия расслаивается и р итог,-;тановится не пригодной для дальнейшего использования. Поэтому дхл изготовления качественных ОФ применяют свежеприготовленные суспензии. Эта проблема актуальна для цехов с одно- двухсменным цикле;; производства ОФ.

С целью стабилизации свойств этнлеиликатних суспензии п процессе их хранения предложено использовать натриевую соль хлопкового соапстока (соапсток), являющуюся отходом производства хлопкового масла. Испытания проводились гч заводе "Аскольд" (г.Арсеньев). Соапсток вводили в суспензию в количестве 0,1% от жидкой фазы суспензии в виде водного раствора, используемого для гидролиза этилсиликата. Опытная суспензия хранится без потери свс.га технологических свойств до 7 суток и имеет повышенную седиментационную устойчивость, в то время, как цеховая суспензия хранится не более 2 суток и требует постоянного перемешивания для предотвращения расслаивания.

Соапсток использовался при приготовлении . суспензии для всех пяти слоев ОФ. После окончания рабочего дня суспензия сливалась и использовалась на следующий день (или после выходных дней) для обмазки СФ начиная с третьего слоя. Для первого и второго слоя готовилась свежая суспензия с применением соапстока. ОФ изготовленные из суспензии модифицированной ссапстоком имеют повышенный в 1,4 раза выход годного. Т.о. применение соапстокг. позволило полностью использовать суспензию и одновременно улучшить качество ОФ без ухудшения качества отливок.

Пропитка С®. С целью увеличения прочности СФ предложено пропитывать их ортофосфорной кислотой. Ортоф^сфорная кислота, проникая в поры оболочки, взаимодействует, особенно при повышенной температуре не стадии прокаливания, с соединениями железа, которые всегда присутствуют в наполнителе суспензии, образуя фосфаты железа и создавая дополнительные связи в структуре 01.

Пропитка готовых форм производилась в течении 40 - 60 с раствором ортофосфорной кислоты в ацетоне в соотношении 1:2. Причем оболочки, изготавливающиеся на автоматической линии, вместо пятиз-лойных изготавливались четырехсложными. Выход годных пропитании:: форм выше в 1,3 -„1,5 раза, чем изготовленных без'пропитки. Прочность образцов ОФ после пропитки возрастает в 2,0 - 2,5 раза. Т.о. пропитка готовых форм ортофосфорной кислотой, позволяет воздейс-

твовать на микроструктуру С® уже после ее изготовления, за счет введения в поры ОФ дополнительных связей в виде фосфатов железа.

Барботажная технология приготовления суспензии. С целью воздействия на микроструктуру ОФ была разработана и освоена в условиях завода "Аскольд" (г.Арсеньев) барботажная технология приготовления суспензии. При данном способе приготовления суспензия перемешивается за счет энергии всплывающих пузырьков ьоздуха. Проведенные исследования показали, что при барботакном приготовлении процесс гидролиза и поликонденсации этилсиликата идет быстрее, чем при механическом перемешивании. Это позволяет в два раза (с 90 мин. до 40-45 мин.) сократить время приготовления суспензии. Такая суспензия более стабильна в седиментационном отношении и не требует дополнительного перемешивания в процессе ее нанесения на модельные блоки. Одновременно суспензия насыщается воздухом, что позволяет значительно пс дсить технодогическ: свойства как самой суспензии, так к приготовленных из нее 05 за счет создания в них мелкопористой структуры. Поскольку формы с такой етрутурой имеют повышг"ную трещиностойкость, это приводит ч снижению брака ОФ при прокаливании ^ез опорного наполнителя более чем в 2,5 раза, а качество отливок, полученных в этих 01>, полностью .отвечает предъявляемым к ним требованиям.

Барботажная технология приготовления суспензии позволяет воздействовать, как ка микроструктуру 01' за счет изменения .химизма протекания гидролиза связующего, так и на макроструктуру за счет создания в ней мелких пор за счет насыщения ее воздухом, а это, в свою очередь, позволяет повысить трещиностойкость СФ.

Во втором раздело главы показание способы воздействия на макроструктуру ОФ, с помощью армирования всех или отдельных слоев ОФ путем введения различных добавок в обсыпочный материал, или полной заменой одного обсыпочного материала другим с иными физико-механическими характеристиками.

Армирование ОФ фарфоровой крошкой. С целью повышения трещинос-тойкости традиционных ОФ на кварцевом песке, основываясь на анализе многих армирующих материалов, автором было предложено армировать ОФ фарфоровой крошкг-1. исследовалась фарфоровая крошка следующих фракций < 0,3 мм; 0,3 - 1,0 мм; 1,0 - 1,5 мм; 1,0 - 5,0 мм.

Фарфоровой крошкой армировались 3-ий; 3, 4-ый; 3, 4, 5-ый; 3, 4, 5, 6-ой и 4, 5-ыи слои. Испытания технологии армирования ОФ фарфоровой крошкой проводилось в сравнении с цеховой технологией

на наиболее бракоиосной детали - "корпус водомернс; колонки", которые показали, что наиболее рационачен вариант армирования фарфоровой крошкой фракции 0,3 - 1,0 мм 3 ь 4-го слоев ОФ, при котором брак ОФ по трещинам, снизился в 2,7 раза по сравнению с традиционными СФ.

Свойства трехслойных образцов 02> с промежуточным слоем из фарфоровой крошки и традиционных представ,-ены в табл. 1.

Таблица 1.

Свойства экспериментальных и контрольных образцов.

Образец би (20 °С), МПа Газопроницаемость , ед Термостойкость, теплосмен

I* II III

С фарфоровой крошкой Традиционный 4.6 3.7 * * 6,6/2,8 5,0/2,2 2,5/2,6 2,0/2,2 0,86/1,44 0,33/0,33 > 26 2-3

* I - после сушки; II - после выплавления; III - после прокаливания.

** в числителе после выплавления в расплаве модельного состава и промывания в воде, в знаменателе после выплавления только в воде.

Таким образом, использование отходов фарфоровс.о производства в виде крошки для армирования промежуточных слоев СФ ЛВМ обеспечивает повышение их прочности, термостойкости- и трещиностойкости, газопроницаемости и приводит к резкому снижению потерь СФ при безопорном прокаливацууд.

Применение. новых формообразующих материалов. Исследовалась возможность применения местных сырьевых ресурсов на предмет использования их для производства СФ. В качестве обсыпочного материала использовались кварцевые пески Чалгановского каолинового комбината марки КРС Б по ГОСТ 2138-84, Новоигирминокого ГОК марки 1К0315Б по ГОСТ 2138-84, а также клиноптилолита Середочного место-рождены в качестве обсыпочного материала фракции < 1,6 мм и наполнителя суспензии в различных соотношениях с пылевидным кварцем. Для ера. гения был взят песок Кичигинского месторождения марки ЗК04Б по ГОСТ 2138-84. Исследование физико-механические свойств трехслойных образцов СФ показало, что при использовании Чалгановского и Новоигирминского песков и клиноптилолита прочность образцов соответствует прочности образцов, изготовленных на Кичигинском

песке. Однако производственные испытания песков показали, что только при использовании Чалгановского песка качество ОФ и отливок соответствует предъявляемым к ним требованиям и не хуже чем у форм и отливок, изготовленных с использованием Кичигинского песка, а при использовании Новоигирминского песка наблюдалось повышение брака ОФ по трещинам.

Попытка использования клиноптилолита в качестве наполнителя суспензии показала, что прочность на статический изгиб образцов С® падает с увеличением содержания клиноптилолита в суспензии.

В четвертой главе приведены расчеты теплофизические особенности выплавления моделей из ОФ при наличии металлического стояка.

При исследовании причин возникновения брака оболочек по растрескиванию на стадии прокаливания без опорного наполнителя, а именно на этой операции он наибольший и достигает на ОФ крупных и сложных отливок 70-80 %, экспериментально доказано, что на брак ОФ главным образом, влияют условия выплавления моделей.

По мере выплавления партии форм температура расплава модельного состава в ванне снижается от 160 до 120 °С и ниже. После прокаливания этих ОФ их брак по трещинам растет, а при температуре ванны 110-120 °С все ОФ после прокаливания оказываются бракованной.

Результаты исследований позволили выдвинуть гипотезу о том, что на брак ОФ по растрескиванию наибольшее влияние оказывают именно режимы выплавления моделей, поскольку именно на этой технологической операции зарождаются микротрещины, которые далее развиваются до макротрещин, что приводит к растрескиванию ОФ при их прокаливании и заливки расплавом.

Поэтому теоретическое и экспериментальное выяснение особенностей выплавления легкоплавких моделей в различных средах теплоносителя позволит еще на стади" разработки технологического процесса не только изучить эту важную технологическую опеоацию, но и выбрать оптимальные режимы ее выполнения.

В первом разделе главы ставилась ц.ль - оценить влияние материала стояка и его конструкции на температурные особенности поведения системы "стояк - модель - оболочка".

Такая система и условия выплавления моделей нашли самое широкое распространение в производстве и характерны для предприятий как с ручными участками нанесения суспензии на модельные блоки, так и с автоматическими линиями формообразования оболочек.

Для решения поставленной задачи на первом этапе необходимо

сначала определить температурное поле стояка, что -ает возможность подсчитать количество тепла, выделенного или поглощенного стояком в процессе выплавления моделей, а на втором этапе - определить температурное поле модели при наличии металлического стояка. Расчетная схема системы "стояк-модель-оболочка" приведена на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная схема при выплавлении моделей в направлении "г" (а) и направлении "г" (б):

1 - оболочка; 2 - модель; 3 - полый стояк; 4 - сплошной стояк.

При решении этой задачи принято, что тепло к стояку поступает от среды через систему "оболочка - модель"," и ввиду малости коэффициентов теплопроводности модельного состава (Лм) и оболочки (Лт), можно пренебречь градиентами температур в модельном составе и Оболочке в направлении г, что подтверждается расчетами. Со стороны г - О тепло поступает непосредственно от среды ; стояку. Так как г0 < 1-1 (го/Ц =» 0,1), где г0 и Ц - радиус и длина стояка, ти последний можно считать тонкостенным, при этом задача может быть сведена к одномерной по г.

При переходе поставленной краевой задачи к краевым условиям первого рода, принятых допущениях и проведенных преобг аованиях получено выражение для определения температурного поля в стояке, из решения которого следует, что температура практически не зави-

• - 14 -

опт от величины г и является постоянной для данного момента времени.

В табл. 2 представлены значения температур стояка в зависимости от его конструкции и материала, расс'итанные по полученному выражению.

Таблица 2

Рассчетные значения температуры стояка

Коэффициент теплоотдачи теплоносителя, Вт(м2-°С) Текущее время, ч Температура стояка, °С

из стали 20 кз дюраля

100 0,01 0,02 0,03 0,05 0,10 0,01 0,02 23,3/20,6* 26,5/21,2 29,6/21,8 35,4/23,0 48,5/25,9 24,2/20,8 28,2/21,5 27,4/21,4 34,3/22,7 40,7/24,1 52,0/26,7 73,8/33,0 29,3/21,7 37,8/23,5

600 0,03 0.05 0,10 32,0/22,3 39,2/23,8 54,7/27,4 45,5/25,2 58,8/28,4 82,5/36,2

* числитель - для полого стояка, знаменатель - для сплошного.

Как видно, повышение температуры полого дюралевого стояка идет наиболее резко. Это может существенно сказаться на времени выплавлении модели. Зная температурное поле стояка, можно подсчитать тепловой поток, который выделяется или поглощаете стояком в модели.

При переходе поставленной краевой задачи от краевых условий третье! о рода к краевым у ловиям первого рода, ряда допущений и проведенных преобразований получено выражение для определения температурного поля в модели.

В табл. 3 приведены результаты расчетов значений температур в модели по полученной формуле при 2 - 0,25 м, г - г0 - 0,053 м, г -Гц 0,058 м, г - 0,055 м в зависимости от материала стояка и текущего времени.

Как видно, наиболее выгодным является полый дюралевый стояк, т.к. температура в нем повышается наиболее резко. Из сравнения температур моделей со стояком и без него видно, что стояк препятствует росту температуры в модели. Это влияние уменьшается с ростом

Таблица 3

Температуры модели в зависимости от конструкции и материала стояка и текущего времени

Температура модели, оО

г. полый стояк сплошной стояк без стояка

M А * * * к* к а к к ** ***

0,058 46,5 75,7 ЖЛ 7ÏÎ7 93,0 sëta 26,6 72jO 2473 B7TU 92,0 sots 49,0 75,0 93,5

0,055 35,0 70,0 зз^и ШД5 91,5 grîu 26,6 66,0 2U70 LJ^B 90,0 8Б75 38,0 71,0 92,0

0,053 35,0 "0,0 Scia бзти 91.5 5ГЛ1 25,1 66,0 2070 90,0 8BTÏÏ 36,0 71,0 92,0

* при X - 0,002 ч, ** при X ~ 0,005 ч, *** при Т - 0,01 ч; числитель - дюралевый стояк, знаменатель - стальной стояк.

времени. Так, при х - 0,01 ч наличие стояка уже практически насказывается на температуре модели.

Таким образом, получена зависимость изменения температуры системы " стояк - модель " от конструкции, и материала стояка, что позволяет еще на стадии проектирования технологического процесса формообразования подобрать наиболее приемлемую конструкцию и материал с-гояка.

Вб втором разделе главы оценивалось влияние материала и конструкции стояка непосредственно на полное время выплавления моделей из оболочковых форм.

После достижения модельным составом температуры плавления tnJi начинается процесс его выплавления, кот рый длится в течении времени ïn.р. полагая, что в жидкой фазе температура остается постоянной и равной Тпл- Так как такой процесс идет одновременно в нап-рапении "z" и "г", то необходимо рассмотреть процесс выплавления моделей в обоих направлениях (см. рис. 1, а, б).

Процесс выплавления в направлении "г" может идти встречным путем, т.е. одновременным плавлением от стояка ¡1 от оболочки. Так как между границами раздела фаз имеется нерасплавленный модельный состав, то рассмотрев отдельно процесс выплавления от стояка и от оболочки, установлены следующие особенности.

При выплавлении в направлении "г" со стороны стояка по-ш;"; стальной стояк является поглотителем тепла, то есть со стороны

стояка процесса выплавления не происходит. При сплошном стальном стояке проце, : выплавления со стороны стояка тем более не идет, то есть он также является "холодильником". При полом дюралевом стояке процесс выплавления имеет место, в отличие от сплошного дюралевого стояка, который также является "холодильником".

При выплавлении моделей со стороны ОФ время выплавления составляет всего 1,98-Ю-4 ч и им можно в расчетах пренебречь.

Расчет времени выплавления моделей в направлении "г" для полого и сплошного стояков из стали и дюрале показал, что наиболее приемлемым по времени выплавления моделей из ОФ является полый дюралевый стояк.

Расчет суммарного времени выплавления моделей в направлениях "г" и "т." дает аналогичные результат I.

Таким образом, предложена методика расчета времени выплавления моделей из ОФ с учетом геометрических и физических свойств моделей, стояков, ОФ и условий теплообмена системы.

Однако, в предложенных расчетах не учитывалась зависимость коэффициента теплопередачи К от теплоносителя к стояку от времени, которая может оказать влияние на длительность процесса, поскольку при движении грпицц раздела фаз в модельном составе меняются термические сопротивления слоя модели, ввиду перехода твердой фазы в жидкую.

Позтому_ в третьем разделе главы выяснено, как изменяется сам коэффициент теплопередачи К в процессе выплавления и его влияние на продолжительность выплавления моделей из оболочек с учетом разных сред теплоносителя.

Анализ полученных решений и расчеты по реальным вначениям коэффициентов показали, что влияние фронта движения границы раздела фаз не столь существенно влияют на К(т), поэтому для оценочных расчетов можно принять, что К("С) - К(0). Кроме того, ошибка в определении а по критериальным зависимостям может нивелировать весь этот учет зависимости К - Г(т).

Полученные методы определения времени выплавления моделей дают весь>*а точные результаты, но являются очень громоздкими, поэтому разработан расчетно-графический метод оценки времени выплавления моделей в виде номограмм, приведенный в четвертом разделе главы, который более прост пр.. использовании, особенно для производственников и позволяет сравнительно быстро переходить от одних параметров, влияющих на "Св к другим.

В пятом разделе главы приведены экспериментальные исследования кинетики выплавления моделей при наличии стояка, проводившиеся для проверю! теоретических расчетов. Применялись стояки из стали и дюраля -сплошные, полые открытые и п-лые закрытые на которые наносили модельный состав и шесть слоев оболочки. Для снятия температурного поля в образцы заформовывалнсь хромель-капелевые термопары на границы "стояк - модель", "модель - оболочка", в модель, во внутренние слои ОФ и в теплоноситель.

За критерий выплавления модельного состава принято время прогрева стояка до температуры начала плавления модельного состава (53 °С), что фиксировалось показаниями термопары, расположенной на гра нице контакта стояк - модель, т.е. при достижении стояком заданной температуры он перестает захолаживать модельный состав.

При выплавлении образцов снимались кривые изменения температуры от времени по каждой термопаре, из анализа которых установлено, что для наиболее быстрого выплавления моделей следует применять полые открытые алюминиевые стояки. Наибольшее захолаживающее влияние на прогрев моделей оказывают сплошные стальные стояки.

Расчет температурных полей по разработанным методикам для конкретных условий данного эксперимента дает завышенные результаты (-20 %), это вызвано тем, что аналитически считается полное время выплавления моделей, а не время прогрева стояка "о температуры плавления модельного состава, ¡taie принималось в эксперименте.

Т.о. экспериментально установлено, что характер прогрева стояков различной конструкции и из различных материалов полностью соответствуют результатам аналитических-расчетов.

В пятой гладе ''представлен метод контроля качества суспензий методом диэлектрической спектроскопии. " Физико-механические характеристики микро- и макроструктуры ОФ, а следовательно и леей СФ определяются качестзом суспензии из которой изготавливается оболочка. Качество суспензий, • в свою очередь., зависит от множества факторов, из которых, центральное место занимает качество технического зтилсиликата. В зависимости от качества исходного этилси-ликата, даже при строгом соблюдении технологии его гидролиза и по-ликонденсяции образуются продукты различного состава и строения, что приводит к массовым вспышкам .-рака Лк В настоящее время не существует надежной методики качественной оценки исходною этилси-ликата и гидролизованных растворов, приготовленных на его основе. О качестве суспензии можно судить только после получения конечного

результата - обравцон СФ и определения их физико-механических характеристик. Поэтому важной задачей является создание методики контроля качества исходного зтилскликата и суспензий приготовленных на его основе, с помощью которой мс-аю было-бы прогнозировать свойства СФ еще на стадии приготовления связующих растворов.

С целью изучения закономерностей протекания процессов гидролиза и поликонденсации этилсиликатов был использован метод диэлектрической спектроскопии (ДС), сущность которого заключается в том, что в реакционную среду помещается емкостный . датчик специальной констру)сции. Если датчик включить в одно из плеч моста переменного тока, то можно судить, об изменениях, происходящих в реакционной среде, по характеру изменения тангенса угла диэлектрических потерь

б).

С помощью метода ДС исследовались процессы гидролиза этилсили-ката в воде и ацетоне. В качестве катализатора использовалась соляная кислота различной концентрации. По результатам эксперимента построены кинетические кривые зависимости Ьё б от времени гидролиза ЭТС-4и при рН среды равном 0,1; 0,28; 1,1; 1,98, Анализ кривых показывает, что в процессе гидролиза происходит уменьшение значений ^ 5, причем с течением времени кривые выходят на предельные значения, что характеризует окончание процессов происходящих в системе, т.е. время окончания гидролиза и поликонденсации этилси-ликата. Скорость протекания реакции увеличивается с уменьшением рН среды. При гидролизе ЭТС-40 в воде реакции идут медленнее, чем при ■использовании ацетона. Это объясняется тем, что этилсиликат не растворяется в воде поэтому в этом случае протекает гетерогенная химическая реакция на границе раздела фаз этилсиликат - вода, скорость которой определяется площадью поверхности раздела фаз. В ацетоне растворяется и эти силикат и вода, реакция протеки-зт в гомогенных условиях скорость которой выше.

Полученные результаты полностью коррелируют с результатами испытаний механических свойств образцов С\\ изготовленных из суспензий время гидролиза которых: 40; 60; 80; 100 мин, прочность образцов при изгибе составила соответственно: 1,1; 1,1; 1,8; 1,9 МПа. Анализ данных показывает, что прочность образцов ОФ увеличивается с увеличением времени гидролиза, причем, после окончания протекания реакций прочность образцов практически не изменяется, поэтому время окончания гидролиза является важнейшей технологической-характеристикой.

Дальнейшие исследования показали, что в процессе хранения <тилсиликата при доступе воздуха в нем происходят необратимые из-¡енения, которые регистрируются ходом кинетических кривых его гид-юлиза, из анализа которых следует, что при хранении этилсиликаа > юлее 3 месяцев он становится не пригодным для использования.

Исследование частотной зависимости процесса гидролиза и поли конденсации ЭТС-40, в частности водной суспензии состоящей ЗТС-40 и НИ (рис. 2), показывает, что после смешивания компонен-

Рис. 2. Зависимость tgS от частоты переменного тока для гидролиза ЭТС-40 при различном времени перемешивания: 1 - смешивание исходных составляющих; 2 - 40 минут гидролиза; 3-80 минут гидролиза; 4 - 140 мину, гидролиза.

тов в системе наблюдается два пика соответствующие ЗТС-40 и HCl (см.. рис. 2, кривая 1). После 40 минут гидролиза интенсивность пиков . ЭТС-40 и HCl падает и появляется третий пик, соответствующий продукту гидролиза - гелю кремниевой кислоты (кривая 2). Затем в процессе гидролиза идет закономерное снижение пиков ЗТС и HCl и увеличение пика геля кремниевой кислоты (кривая 3). В конечном итоге, на кривой остается только один пик соответствующий гели кремниевой кислоты, интенсивность которого в дальнейшем не изменяется (кригая 4).

Таким обризом, появляется еще одна возможность контроля ре-ак-

ции гидролиза и поликонденсации зтилсиликата по появлению и кинетике роста пика соответствующего образованию геля кремниевой кислоты. Однако е реальных композициях это является невыполнимым, поскольку на пик геля кремниевой кислоты накладывается пик пылевидного кварца, т.к. структуры геля кремниевой кислоты и пылевидного кварца идентичны. В этом случае контроль за полнотой гидролиза осуществляется по вырождению пика ЭТО, а по положению этого пика от частоты можно сделать вывод о пригодности исходного зтилсиликата.

В шестой главе приведены результаты внедрения разработанных технологических процессов изготовления СФ ЛВМ с повь-енной трещн-ностойкостью. Испытание и внедрение разработанных технологических процессов производилось на заводе "1 кольд" (г. Арсеньев) в цехе точного литья для условий автоматической линии кудели 84001-05 и участка ручной обмазки. Все разработанные мероприятия оформлялись технологическими инструкциями, актами испытаний и внедрений по форме Р-10.

Варботажн-'Я технология приготовления э'ылсиликатной суспензии, технология использования фарфоровой крошки в качестве обсыпочного армирующего материала для промежуточных слоев оболочковых форм, технология использования высших жирных спиртов фракций Cíe - С21 в качестве антииспарителя ацетона в суспензии из ЭТС-40, технология применения натриевой соли хлопкового соапстока в качестве стабилизатора суспензии на основе зтилсиликата внедрены на заводе "Ас-кольд" с общий годовой экономический эффект от вндренных технологий составил 70,462 тыс. рублей (по уровню цен 1989 г.).

основные вывода

1. На основе обширного анализа патентно-литературной проработки научно обоснован выбор направления теоретико-экспериментальных исследований процессов формообразования ОФ ЛРЧ.

2. Предложен системно-иерархический подход к анализу структур СФ ЛРЧ, который показывает возможности и пути управления физикоме-ханичесшши характеристиками каждого структурного уровня и ьсей оболочки в цел^м, определяя тем самым ее качество.

3. Установлено, чт на брак 03> по трещинам при их прокаливании без опорного наполнителя наибольшее влияние оказывают термоврэмен-ные режимы выплавления моделей из сф.

4. Разработаны математические методы расчета времени выплавления моделей из ОФ с учетом влияния материала и конструкции стояка, позволяющие еще на стадии проектирования технологического процесса формообразования оболочек подобрать наиболее приемлемый режим и способ выплавления, гарантированно обеспечив, при этом, минимальный брак оболочек по трещина,!. Выяснен характер изменения коэфф"~ циента теплопередачи К от теплоносителя к стояку и его влияние на продолжительность выплавления моделей из ОФ с учетом разных видов теплоносители.

5. Экспериментально установлен , что характер прогрева стояков различной конструкции и из различных материалов полностью соответствуют результатам аналитических расчетов.

6. Для инженерных расчетов разработан упрощенный расчетно-гра-фический способ оценки времени выплавления моделей из 01', представленный в виде номограмм.

7. Разработана методика контроля процессов гидролиза и поликонденсации зтилсиликатов, позволяющая осуществлять контроль качества исходного этиле илшсата и готовых суспензий, а также с уверенностью прогнозировать физико-механические свойства ОФ, изготовленных из этих связующих и суспензий.

8. На основе различных физико-химических методов обработки разработан комплекс технологических процессов управления структурой и свойствами ОФ на микро- и макроуровнях.

9. Установлены технологические особенности и режимы воздействия на структуру и свойства ОФ на ' микроуровне путем применения высших жирных спиртов, натриевой сол.. хлопкового соапстока, пропитки ОФ раствором ортофосфорной кислоты, барботажнок технологии приготовления суспензии. Введение ВЖС в суспензию в виде расплава увеличивает время обсыхания суспензии и снижает в летний период брак О:, по трещинам в 1,5 - 2,0 раза. Применение соапстока в качестве стабилизатора зтилсиликатной суспензии позволило сохранить живу1;ость суспензий до 7 суток с одновременным повышением в 1,4 раза выхода годных оболочек. Прописка СФ раствором ортофосфорной кислоты обеспечивает повышение выхода годрмх оболочек в 1,3 - 1,5 раза, а прочности в 2,0 - 2,5 раза. Барботажная технология приготовления этилсилнкатных суспензий позволяет более "ем в 2 раза сократить время их,приготовления, снизить брак 01> при прокаливании без опорного исполнителя более чем в 2,5 раза, без ухудшения качества получаемых я них отливок.

10. Определены оптимальные технологические параметры ОФ при армировании их промежуточных слоев фарфоровой крошкой фракции 0,3 -1,0 мм. Это обеспечивает сокращение до 2,7 раз потерь ОФ по трещинам при их прокаливании без опорного наполнителя за счет повышения прочности и трещиностойкости.

11. Установлена возможность применения местных песков в качестве обсыпочного материала при изготовлении ОФ, что позволило резко сократить транспортные расходы на доставку песка Кичигинско-го месторождения , не снижая, при этом, качества ОФ и получаемых в них отливок.

12. Разработана я защищена авторским свидетельством конструкция барботажной установи! приготовления связующего и суспензии, позволяющая увеличить срок ее службы.

13. На основе проведенных исследований разработан и внедрен в производство целый комплекс технологий, обеспечивающих снижение потерь ОФ по растрескиванию с суммарным годовым экономическим эффектом ^0,462 тыс. рублей (по уровню цен 1989 г.).

Основное содержание диссертации изложено в следующих печатных работах:

1. Исследование трещиноустойчивости оболочковых форм по выплавляемым моделям аккустическим методом ( в соавторстве) // Прогрессивные технологии изготовления форм и стержней для производства отливок. - Челябинск, 1990 - С. 62 - 63.

2. Метод диэлектрической спектроскопии контроля качества этил-силикатных растворов (в соавторстве) // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1995. - N 12. - С. 45-48. (Принято к опубликованию).

3. Иерархия структур и качество оболочковых форм по выплавляемым моделям (в соавторстве; // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1992 - N 2. - С. 59 - 62.

4. Влияние стояка на температурное поле "модель - стояк" (в соавторстве) // Современные технологические процессы и оборудование в машиностроении. - Чебоксары, 1992. - С. 103 - 104.

5. Оценка влияния стояка на время выплавления моделей (в соавторстве) // Современные технологические процессы и оборудование в машиностроении. - Чебоксары, 1992. - С. 105 - 106.

6. Температурные процессы в легкоплавкой модели при наличии металлического стояка (в соавторстве) // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1994. - N 2. - С. 47 - 51.

7. Особенности расчета времени выплавления легкоплавких моделей из оболочковых форм (в соавторстве) // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1995. - N 2. - С. 56-59.

8. Расчет времени выплавления моделей при наличии металлического стояка (в соавторстве) // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1994. - N 6. - С. 53 - 56.

9. Расчетно-графический способ оценки времени выплавления моделей из оболочковых форм (в соавторстве) // Литейное производство. - 1996. - N 1. - С.

10. Выбор типа стояка при лит:.о» по выплавляемым моделям (в соавторстве) // Литейное производство. - 1994. - N 3. - С. 18 - 19.

11. Отработка и опыт освоения барботажной технологии приготовления этилсиликатных суспензий (в соавторстве)// Авиационная промышленность. - 1990. - N 6. - С. 60 - 61.

12. Особенности оболочковых форм и отливок, полученных на этилсиликатных суспензиях, приготовленных барботажиым способом (в соавторстве)// Авиационная промышленность.- 1990.- N 7.- С. 70-71.

13. Изменение вязкости этилсиликатных суспензий в ванне нанесения модели 64001-06 (в соавторстве) // Повышение эффективности литейного производства. - Омск, 1989. - С. 43.

14. Свойства оболочковых форм по выплавляемым моделям при температурных воздействиях (в соавторстве) // Прогрессивные технологии изготовления форм и стержней для производства отливок. - Челябинск, 1990. - С. - 65.

15. Свойства армиров- чных оболочковых форм по выплавляемым моделям (в соавторстве) // Интенсификация технологических процессов в литейном производстве. - Барнаул, 1990. - С. 31.

16. Армирование оболочковых форм фарфоровой крошкой (в соавторстве) // Литейное производство. - 1992. - N 7. - С. 21 - 22.

17. А.с. 1770032 СССР. В 22 С 9/04. Способ изготовления обо-доч:овых форм по выплавляемым моделям / (в соавторстве) - N 4810?43/02; Заявл. 05.04.90; Опубл. 1992. Бюл. N 39.

18. Использование песков Чалг^новского комбината в качестве обсыпочного материала в ЛВМ (в соавторстве)'/ Прогрессивные технологически е процессы производства отливок, материалов и их обработка. - Чебоксары, 1988. - С. 35 - 36.

19. Испольговс'гие песка Новоигирминского ГОК в качестве обсыпочного материала в ЛВМ (в соавторстве) // Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве. - Хабаровск, 1991. - С.

116 - 117.

20. Исследование возможности применения цеолитов в качестве наполнителя суспензии и обсыпочного ма.зриала (в соавторстве) // Механика строительных конструкций из новых материалов и проблемы практического внедрения в производство. - 1994. - С. 119 - 122.

21. Снижение Срака оболочек при их прокаливании (в соавторстве) // Литейное производство. - 1992. - N 4. - С. 20 - 21.

22. A.c. 1771867 СССР. В 22 С 9/04, 5/04. Установка для приготовления связующего и керамической суспензии / в соавторстве - N 4901641/02; 'Заявл. 03.12.90; Опубл. 1992. Бюл. N 40.

23. Тенденция изобретательской деятельности в области литья по выплавляемым моделям (в соавторстве) // Технология получения и применения новых материалов в порошковой металлургии и машиностроении. - Владивосток, 1992. - С. 164 - 171.

24. Экспериментальное исследование выплавления моделей из оболочковых форм (в соавторстве) // Механика строительных конструкций из новых материалов и проблемы практического внедрения в производство. - 1994. - С. 122 - 124.

ХнАГТУ, тир. 100, пак. 11671.