![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Получение крупных стальных отливок по газифицируемым моделям с использованием наливной формовки. ⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 4
Литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) из пенополистирола по точности и качеству отливок, условиям труда и экологической безопасности может быть отнесено к высоким технологиям литейного производства. Эта технология хоть и перешагнула свой 50-ти летний «стаж» с даты первого изобретения Г. Шроера [1], сохраняет динамичные показатели по распространению в литейном производстве стран мира. Изобретение А. Чудновского [2] положило начало работ по ЛГМ в СССР, позволив считать отечественных литейщиков одними из соавторов этого технологического процесса, причем заметный вклад и активные работы до настоящего времени по его совершенствованию связаны с научным коллективом ФТИМС НАНУ, г. Киев, Украина. 4 Противопригарные покрытия на спиртовой основе для литья по газифицируемым моделям Требования, предъявляемые к противопригарным покрытиям для литья по газифицируемым моделям (ГМ) отличаются от требований, предъявляемых к противопригарным покрытиям, используемым в традиционных методах литья. Эти особенности связаны, прежде всего, с тем, что наносятся они на поверхность пенополистироловых моделей, а не на поверхность литейной формы, как при литье в песчано-глинистые формы, кокиль и т.д. Кроме основного требования к покрытию - предохранить поверхность отливки от пригара, при литье по ГМ покрытие способствует упрочнению модели и модельного блока вцелом, что упрощает их транспортировку от места изготовления к месту формовки и предотвращает поломку блоков моделей во время формовки. Важная роль отводится свойствам противопригарных покрытий при удалении газообразных продуктов деструкции пенополистирола из зоны их образования, которое происходит через слой противопригарного покрытия. Большинство традиционно - применяемых в литейном производстве противопригарных покрытий оказались непригодными для литья по ГМ из-за несмачиваемости поверхности модели, из-за низкой газопроницаемости; из-за высокой газотворности составляющих покрытия при заливке формы металлом, из-за взаимодействия с материалом модели. В начале восьмидесятых годов в институте проблем литья (ФТИМС НАН Украины) были проведены исследования по разработке быстросохнущих противопригарных покрытий на спиртовой и водной основе. В дальнейшем эти работы были продолжены и углублены. К разрабатываемым покрытиям были предъявлены следующие требования: хорошая кроющая способность при нанесении их на поверхность пенополистироловой модели; достаточно высокая газопроницаемость, обеспечивающая удаление продуктов разложение модели; достаточная механическая прочность при нормальных условиях и в условиях высоких температур; низкая газотворность. Кроме того покрытия должны быть быстросохнущими, обеспечивать высокую чистоту поверхности отливок, не взаимодействовать с поверхностью модели. При разработке противопригарных покрытий на спиртовой основе были опробованы различные композиции, в которых основу представляли 3%-ный или 4%-ный растворы поливинилбутираля в спирте, играющие роль стабилизаторов красочной суспензии и связующего, придающего покрытию прочность при нормальных условиях. В качестве огнеупорного наполнителя исследовали такие материалы: перлит, тальк, пирофилит, трепал, цирконовый концентрат, дистен-силлиманитовый концентрат, графит, пылевидный кварц. Перлит вспученный - фильтр-порошок (ДСТУ 3665-97) получается специальной обработкой минерала перлита в проточных печах. Основу перлита составляет SiO2. Температура плавления 1270оС. Насыпная плотность - 0, 09г/см3. Тальк (ГОСТ 19729-74). Молотый тальк получают из горной породы - талькита. Тальк - белый кристаллический порошок - магнезиальный силикат (3MgO·4SiO2· H2O). Насыпная плотность 1, 3 г/см3. Огнеупорность - 1200 - 1300 оС. Порошок пирофилитовый (ОСТ УРСР 1343-90). Получают порошок путем размола пирофилитовых сланцев. Марка порошка П - 06; размер частиц - менее 0, 1 мм. Состав: SiО2 < 78%; Al2O3 - 15-30%; Fe2O3 ≤ 0.1%; (К2О+Na2O) < 0, 1%; (СаО+MgO)< 0, 2%. Потери при прокаливании (не более) - 0, 6%. Насыпная плотность 1, 46 г/см3. Огнеупорность 1540 - 1610 оС. Трепел. Осадочная порода. Основу составляет двуокись кремния - SiO2 в форме кристабалита с примесью глинистого вещества органического происхождения. Температура плавления 1450'С, насыпная плотность 036 - 0, 60 г/см3. Цирконовый концентрат (ОСТ 4882-81) порошкообразный. Основу составляет двуокись циркония ZnO2 > 65% (мас.) Другие составляющие: FeO ≤ 0, 10; TiO2 ≤ 0.4; Al2O3 ≤ 2.0; СаО ≤ 0, 1; MgO ≤ 0, 1. Твердость по шкале Мооса 7-8; плотность насыпная 4, 3-4, 8г/см3; крупность < 0, 063 мм. Огнеупорность 1750-1800 'С. Дистен-силлиманитовый концентрат (ТУ 48-4-307-74). Марка КДС-П. Химический состав (% мас.): Al2O3 ≥ 57; SiO2 ≥ 9, 0; TiO2 ≤ 0, 1; Fe2O3; CaO ≤ 0.2; (Na2O+K2O) ≤ 0, 2; MgO ≤ 0.4; ZnO2 ≤ 2. Размер частиц не более 0, 05 мм. Насыпная плотность 3, 2 - 3, 5 г/см3. Огнеупорность 1600 - 1830'С. Графит скрытокристаллический (ГОСТ 5420-74). Графит кристаллический (ГОСТ 5279-74). Аллотропические модификации углерода. Скрытокристаллический графит черного цвета жирный на ощупь порошок. Насыпная плотность - 0, 74 г/см3. Кристаллический графит - темно-серый кристаллический порошок со слабым металлическим блеском. Насыпная плотность - 0, 53 г/см3. В покрытии использовано 50% об. кристаллического и 50% об. аморфного графита. Пылевидный кварц (маршалит) ГОСТ 9077-82 представляет собой тонкий порошок кремнезема SiO2. Рекомендуется использовать маршалит сорта 1 с содержанием SiO2 не менее 96%. Огнеупорность 1720'С. Зерновой состав: через сито 005 должно проходить не менее 75% материала. Насыпная плотность 0, 97 г/см3. Спирт этиловый (гидролизный) марки А или Б ГОСТ 17299-78 используется для приготовления растворов поливинилбутираля и борной кислоты. Является жидкой основой противопригарного покрытия. Не допускается присутствие в спирте механической влаги. Поливинилбутираль клеевой марки КБ ГОСТ 9436-73. Белый порошок с насыпной плотностью 0, 23 г/см3. Срок хранения не ограничен. Используется как катализатор способствующий вязкости покрытия и улучшает адгезию покрытия к модели. Борная кислота (ГОСТ 9656-75) является катализатором, регулирующим вязкость противопригарного покрытия в присутствии бакелитового лака и улучшает адгезизионные свойства его по отношению к материалу модели. Лак бакелитовый (ГОСТ 901-78) представляет собой раствор фенолформальдегидной смолы в органических растворителях. В противопригарных покрытиях используется - как высокококсующееся полимерное связующее, обеспечивающее ему прочность при температурах заливки формы металлом. В процессе работы были опробованы бакелиты жидкие и бакелитовые лаки различных марок. Используя эти материалы, были приготовлены противопригарные покрытия, где в качестве огнеупорного наполнителя использовали вспученный перлит. При этом определяли зольность лаков и смол бакелитовых, скорость высыхания красок, их газопроницаемость и газотворность, живучесть красочных суспензий. По результатам замеров для дальнейшей работы выбрали бакелитовые лаки марок А и Б. Сухой остаток бакелитового лака марки А составляет 50-60%; марки Б - 60-70%. Плотность лака должна быть 1, 05г/см3. Основу методик для проведения испытаний исходных продуктов, красочных суспензий и готовых противопригарных покрытий составили известные методики, используемые в литейном производстве, в которые внесли некоторые изменения, позволяющие использовать их для покрытия при литье по газофицируемым моделям. Относительную плотность покрытий определяли весовым методом
где А - масса цилиндра с покрытием, г; Долговечность покрытий характеризовалась седиментационной устойчивостью и скоростью оседания частиц дисперстной фазы. Исследуемое покрытие наливали в цилиндры диаметром 20 мм и высотой 150 мм. Через определенное время определяли высоту отстоя. Относительную величину отстоя определяли по формуле
где Н - относительная величина отстоя, %; Определение скорости высыхания покрытия производили путем измерения массы образца - пенополистироловой пластины размером 100х150х10 мм, в зависимости от времени сушки. Для измерения использовали технические весы, на которых одна из подвесок с тарелочкой заменена балансирующим грузом с крючком, на котором подвешивали предварительно взвешенный и окрашенный образец. Затем через определенные интервалы времени производили взвешивание образцов. Определение прочности покрытий на истирание производили по методике К.М.Ткаченко (" Противопригарные покрытия для форм и стержней", М. 1968 г.). На стеклянную пластинку наносится слой противопригарного покрытия, который затем высушивали. Пластинка закрепляется под углом 45о и в центр пластины на покрытие с высоты 5 см из стеклянной трубки диаметром 5 см и высотой 50 см через отверстие 3 мм высыпается стальной песок с размером частиц 0, 5 мм. Количество песка в килограммах, ушедшее на истирание слоя покрытия до образования просвета, служит эквивалентом прочности покрытия на истирание. Газопроницаемость покрытий замеряли на стандартном приборе, модель 041, но при этом было изготовлено специальное приспособление (рис.1).
Противопригарное покрытие (1) наносили на сетку (2) с размером ячеек 2х2 мм, укрепленную в обойме, состоящей из двух колец (4 и 5) диаметром 50 мм. С противоположной стороны сетки плотно вставлялась пенополистироловая вставка, которая после предварительного провяливания покрытия удалялась. Окончательная сушка покрытия проводилась в термостате при температуре 60? С. Затем обойма вставлялась в специальную гильзу (8) с зажимным кольцом (7), снабженным ре-зиновыми прокладками (6 и 3), что обеспечивает герметичность и ускоряет утечку воздуха в период испытаний. Расчет коэффициента газопроницаемости К производили по формулe
где К - коэффициент газопроницаемости; Определение газотворности противопригарных покрытий проводили по стандартной методике, заключающейся в замере объема газообразных продуктов, выделяющихся при прокаливании навески массой 1±0, 01 г. помещенной в прокаленную фарфоровую лодочку, в трубчатой печи. Прокаливание производили при температуре 1300'С. Противопригарное покрытие, из которого брали навеску для испытаний, предварительно сушили в термостате до постоянной массы образца. Для определения когезионных и адгезионных свойств покрытий был разработан универсальный прибор для определения изгибающего момента и силы разрыва с удобозаменяемыми приспособлениями. Испытания сводились к определению силы (Па), необходимой для отделения слоя покрытия (адгезива) от пенополистироловой модели (субстрата), отнесенного к единице площади. При отработке методики были учтены особенности красочных систем и природа, входящих в них продуктов, т. е. их состав, отверждаемость, состояние поверхности субстрата, ее полярность, силы взаимодействия между адгезивом и субстрактом. Учитывая эти факторы, была разработана технология изготовления опытных образцов. На рис. 2 представлена схема приспособления для определения сил адгезии.
При изготовлении образца слой краски наносили на поверхность субстрата, сверху которого располагалась перфорированная пластина из латуни. Выбор последней определяется высокой адгезией к материалам систем, содержащих в себе фенолформальдегидные смолы, во много раз превышающей адгезию их к неполярным материалам, в частности пенополистиролу. Роль отверстий в перфорированной решетки - создать условия для испарения растворителя из слоя краски. Через захват к системе производится равномерная подача нагрузки, значения которой фиксируется. Для определения механических свойств противопригарных покрытий, был изготовлен универсальный прибор, в котором обеспечена равномерная подача нагрузки на испытуемый образец. Возникающие в образце напряжения в момент изгиба или излома фиксируется с помощью датчика (6) и самописца, сменный противовес (5) позволяет расширить диапазон измерений (рис. №3).
В процессе работы определили состав противопригарных покрытий наиболее полно отвечающих предъявляемым требованиям: · Огнеупорный наполнитель - 50%. · 3-% ный раствор поливинилбутираля в спирте - 50%. · 3-% ный раствор борной кислоты в спирте (сверх 100%) - 12%. · Бакелитовый лак (сверх 100%) - 10%. Некоторые свойства исследуемых покрытий приведены в таблице 1. Таблица 1- Свойства покрытий
Как видно из данных, приведенных в табл. 1, плотность противопригарных покрытий находится в полной зависимости от насыпной плотности используемого огнеупорного наполнителя. Наибольшей вязкостью обладают покрытия, содержащие в своем составе цирконовый концентрат, тальк и пылевидный кварц. Противопригарные покрытия представляют собой гетерогенные многофазные системы, на которых оказывают большое влияние не только относительная молекулярная масса плёнообразователя, но и тип растворителя, природа и дисперсность наполнителя. Поскольку адгезия является результатом взаимодействия молекул адгезива и субстрата, то она прежде всего зависит от химической природы и структуры взаимодействующих материалов - противопригарного покрытия и пенополистирола. Наибольшей адгезией обладает покрытие, содержащее цирконовый концентрат. Надо отметить, что все исследуемые составы противопригарных покрытий обладают достаточно высокой адгезией к поверхности пенополистирола и достаточно высокой прочностью на разрыв.
Анализ седиментационной устойчивости исследуемых покрытий показал, что их можно считать седиментационно-устойчивыми, так как в течение восьми часов максимальное расслоение покрытия происходит в пределах от 1 до 18% (рис.4) по высоте опытного образца, что вполне допустимо при работе с покрытиями в производственных условиях и не требует прибегать к частому их перемешиванию в течение рабочей смены. Важную роль в получении качественных отливок при литье по газифицируемым моделям играет газопроницаемость покрытий. В зависимости от свойств используемых огнеупорных наполнителей, от условий формирования корочки противо-пригарного покрытия в процессе её отверждения, в ней образуются поры открытого и закрытого типа (рисунок 5).
На образование пор влияет множество различных факторов: физическое состояние системы, скорость удаления растворителя из слоя покрытия и с его поверхности во время сушки, природа огнеупорного наполнителя, его смачиваемость и дисперсность и пр. Наибольшей газопроницаемостью обладают покрытия на основе перлита, трепела и содержащие перлит и пылевидный кварц. Наименьшая газопроницаемость у цирконового покрытия.На рисунке 5 приведены фотографии корочек покрытий, сфотографированные на бинокулярном микроскопе при увеличении х 12, 6. Подсветка производилась снизу. Яркие белые пятна - открытые поры, тусклые серые неярковыраженные - закрытые поры.Особенно много закрытых и открытых пор в корочке покрытий на перлитовой основе и трепала. Больше закрытых, чем открытых пор в покрытии на основе дистен-силлиманита. В цирконовом, тальковом и графитовом покрытии имеются единичные поры в поле зрения шлифа. Значения газопроницаемости покрытий приведены в таблице 2 Таблица 2-Газопроницаемость покрытий
Важное значение при изучении свойств красочных суспензий имеет определение скорости отверждения покрытий при различных режимах сушки. В процессе сушки в коллоидных системах происходят сложные физико-химические процессы, которые зависят от множества факторов. В данной работе рассматривается сушка противопригарных покрытий отличающихся содержанием в них различных огнеупорных наполнителей. Изучение скорости и продолжительности отверждения противоприганых покрытий производили в естественных условиях и в искусственных условиях в спокойном режиме и в потоке воздуха при температуре 50-55°С. Результаты исследований приведены на рис. 6. В процессе отверждения слоя покрытия происходит удаление растворителя с поверхности окрашенной модели, что приводит к образованию плёнки на поверхности покрытия. Как видно из рис. 6 в первый момент, когда растворителя много, происходит сравнительно интенсивное удаление его основной массы с поверхности, после чего начинается диффузия растворителя из нижних слоёв покрытия вверх. Удаление остатков растворителя - процесс, протекающий медленно и, практически, не доходящий до конца. В результате коллоид в системе постепенно переходит в гель, затем в ксерогель, содержащий в себе равномерно распределённые частицы огнеупорного наполнителя. Как видно, процесс отверждения покрытия происходит более интенсивно в потоке воздуха при температуре 50-55°С. Но при этом интенсивно удаляется растворитель из поверхностного слоя, а в глубине покрытия ещё длительное время остаётся большое количество связующего летучего вещества. Нужно отметить, что при сушке спиртовых покрытий в спокойном режиме при тех же температурах, количество удалённого растворителя превышает значения, полученные при сушке этого покрытия в потоке воздуха. Это явление объясняется тем, что процесс образования " корки" в спокойном режиме происходит гораздо медленнее, что благоприятствует протеканию процесса испарения растворителя из нижележащих слоёв покрытия. Процесс отверждения покрытия в естественных условиях при температуре 18-20°С принимает весьма затяжной характер, особенно в условиях, когда требуется нанесение второго слоя покрытия на модель. Потому такой режим сушки нельзя рекомендовать для применения в производственных условиях. Суммируя полученные результаты, можно рекомендовать сушку противопригарных покрытий, используя такие режимы: провяливание моделей при естественной температуре окружающей среды 20-25 °С в течение 15-20 мин. И затем суш-ка в сушильной установке при температуре 50±5 °С в потоке воздуха до полного высыхания слоя покрытия. При необходимости нанес6ения второго слоя покрытия (для толстостенных отливок, для отливок сложной конфигурации, имеющих протяженные внутренние каналы и отверстия и т.п.), он наносится после полного высыхания первого слоя покрытия. Если первый слой покрытия недостаточно высушен, может произойти отслоение обоих слоёв покрытия. Газопроницаемость противопригарных покрытий определяется природой используемых растворителей. На рис. 7 приведено значение удельной газотворности продуктов, используемых для приготовления противопригарных покрытий для литья по газифицируемым моделям. При проверке противопригарных покрытий на практике было обнаружена зависимость качества поверхности получаемых отливок от газопроницаемости применяемых покрытий. В качестве моделей использовали плиты размером 100 х 150 мм различной толщины: 5, 10, 20 и 40 мм.
При использовании покрытий, имеющих газопроницаемость менее 2 ед., верхняя часть отливок поражена дефектами типа " жидкая фаза", образующимисч из-за плохого удаления продуктов деструкции пенополистирола из зоны их образования. Имелись случаи не полного заполнения формы металлом в тонкостенных отливках.
Наилучшей газопроницаемостью обладают покрытия, содержащие вспученный фильтр-порошок перлита, наименьшей - покрытия на основе цирконового концентрата. Для повышения газопроницаемости покрытий рекомендуется добавлять в него фильтр-перлит. Количество добавляемого фильтрперлита зависит от температуры заливаемого металла. Огнеупорность фильтр-перлита составляет 1270 °С и при добавке его в покрытие, используемое при получении отливок из стали общая огнеупорность покрытия снижается. Получивший в последнее время распостранение способ литья по газифицируемым моделям с использованием вакуумирующей системы, способствующей удалению газо- и парообразных продуктов деструкции пенополистирола из зоны их образования, способствует улучшению газового режима формы и позволяет использовать противопригарные покрытия с низкой газопроницаемостью. Разработанные покрытия были опробованы при получении отливок из серого и высокопрочного чугуна, из стали и сплавов на основе меди. В результате изучения влияния различных покрытий на чистоту поверхности отливок рекомендовано применение исследуемых составов покрытий: · для получения мелких и средних стальных отливок с толщиной стенки до 10 мм рекомендованы противопригарные покрытия на основе пирофиллита, дистен-силлиманита, пылевидного кварца с добавлением фильтрперлита; · для среднего стального литья с толщиной стенки до 20 мм - покрытия на основе дистен-силлиманита и цирконового концентрата; · для крупного стального литья наилучшие результаты получены при использовании покрытий на основе цирконового концентрата. · Для чугунных отливок развесом до 20 кг практически все составы покрытий (кроме талькового и трепелового) показали хорошие результаты. От покрытий на основе талька и трепела для практического их использования отказались, т.к. первое не обеспечивает требуемую чистоту поверхности отливок, а второе, не смотря на высокую температуру плавления, имеет низкую термостойкость, в результате чего на поверхности отливок образуются просечки. Покрытие на основе цирконового концентрата нецелесообразно использовать в данном случае с экономической точки зрения. Хорошо зарекомендовали себя покрытия на основе перлита, дистен-силлиманита и их комбинации. Для отливок массой 50 кг и более необходимо увеличить толщину слоя покрытия. · При литье сплавов на основе меди хорошие результаты получены при использовании покрытий на основе фильтр-перлита с пылевидным кварцем, дистен-силлиманита с фильтр-прелитом, цирконового концентрата с фильтрперлитом. Нужно отметить, что противопригарные покрытия на спиртовой основе имеют характерную особенность - они после выбивки отливок, отстают от поверхности отливок в виде спёкшейся корочки, под которой остаётся чистая поверхность металла, что хорошо видно на рис. 8. На рис. 9 - 11 приведены отливки, полученные литьём по газифицируемым моделям с использованием спиртовых покрытий.
Расход противопригарного покрытия составляет около 30 л на 1 т литья. При этом для мелкого тонкостенного литья этот показатель может быть несколько выше, а для крупного литья он снижается до 23 - 25 л на 1 т литья.
ВЫВОДЫ
Создание технологии литья по газифицируемым моделям, связанные с научно-технической революции второй половины прошлого века наряду с процессами, такими как вакуумная формовка, непрерывное литье, литье под низким давлением. Все эти технологии на подъеме. Множество предприятий внедряют и гибкую технологию литья по газифицируемым моделям. По всему миру – от Америки до Китая, на заводах General Motors, Ford Motors, Fiat. успешно эксплуатируются полуавтоматические и автоматические линии ЛГМ. В настоящее время в мире по полистирольным моделям производят около 1, 4% от всех литья – свыше 1 млн т / год, прогнозы на ближайшее будущее этой технологии дает 10 … 20% мирового литья. Литье по газмоделям - реальная перспектива каждого литейного цеха, когда есть спрос на точные заготовки в обрабатывающей промышленности, а отливки составляют 50-60% от массы машин. Этот способ производства отливок дает возможность изготовления сложных по конфигурации моделей без использования стержневого и смесеприготовительного оборудования. по пенополистирольным моделям, которые не удаляются из формы, а остаются в ней и газифицируются под действием тепловой энергии металла, заливаемого в форму. По сравнению с традиционными, этот метод наиболее экономичный и прогрессивный. Применение технологий литья по газифицируемым моделям – важный шаг в области охраны окружающей среды. Об этом свидетельствуют данные таблицы Таблица 3 –Сравнительное количество отходов на каждую тонну отливок:
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………1
|