НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХННІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ЮРЧЕНКО ОЛЕГ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 621.742

ФОРМУВАЛЬНІ ТА СТРИЖНЕВІ СУМІШІ З ЛУЖНО-СИЛІКАТНИМИ ЗВ’ЯЗУЮЧИМИ, ЩО ТВЕРДНУТЬ У КОНТАКТІ З НАГРІТОЮ ОСНАСТКОЮ

Спеціальність 05.16.04 - Ливарне виробництво

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Ливарне виробництво чорних та кольорових металів” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Науковий керівник - доктор технічних наук професор

Макаревич Олександр Павлович,

Національний технічний університету України

“Київський політехнічний інститут”.

Офіційні опонент - доктор технічних наук,

член-кор. НАН України

Борисов Георгій Павлович

Фізико-технологічний інститут металів

та сплавів НАН України, завідувач відділу

механіки рідких та тверднучих сплавів; - кандидат технічних наук

Андерсон Валерій Августович

АТ “КАМЕТ”,

завідувач відділом технології литва.

Провідна установа: Запорізький державний технічний університет, м. Запоріжжя

Захист відбудеться “ 15 “ травня 2000 р. о 15 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради К 26.002.12 Національного технічного університету України “КПІ” за адресою: 03056, Київ, проспект Перемоги, 37, НТУУ “КПІ”, ІФФ, корпус №9, ауд. 203.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” за адресою: 03056, Київ, проспект Перемоги, 37, НТУУ “КПІ”

Автореферат розісланий “ 07 “квітня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук доцент Федоров Г.Є.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сьогодні в Україні домінують традиційні методи формоутворення і тільки 20 % загального виробництва виливків виготовляють спеціальними методами лиття.

Розвиток і вдосконалення спеціальних методів лиття для забезпечення конкурентноспроможності виливкам в умовах ринкової економіки є принципово важливим напрямком досліджень, оскільки вони дають можливість виготовляти виливки з найменшими припусками на механічне оброблення та найвищими фізико-механічними характеристиками.

Одним з таких способів є лиття в оболонкові форми.

Оболонкові форми та стрижні виготовляються у більшості випадків з піщано-смоляних сумішей із застосуванням фенолоформальдегідних смол, але ці смоли в Україні не виготовляються, вони токсичні дефіцитні та дорогі. Тому заміна смол доступними, недорогими і нетоксичними матеріалами є актуальною проблемою для подальшого удосконалення технологічних процесів виготовлення виливків цим способом.

З економічної і екологічної точок зору замість смол найбільш перспективним звўязуючим компонентом є рідке скло. Проте суміші з рідким склом потребують додаткових досліджень, оскільки характеризуються утрудненими вибиванням із порожнин виливків і регенеруванням та невеликою міцністю. Тому розроблення складів сумішей із рідким склом (недорогим, недефіцитним і нетоксичним) з високими міцносними властивостями і малою роботою вибивання з виливків замість сумішей з синтетичними смолами є актуальною проблемою як з наукової, так і практичної точок зору.

Роботу виконано відповідно до Державної дослідної науково-технічної програми 0401 Держкомітету з науки і інтелектуальної власності України “Ресурсозберігаючі та екологічночисті процеси і технології у металургії та ливарному виробництві” згідно договору №2/965 - 97 “Розробити та впровадити у виробництво екологічночисті зв’язуючі матеріали на основі промислових відходів для виготовлення ливарних форм з метою одержання якісних виливків”.

Мета й завдання дослідження. Мета роботи: розробити рідкоскляні суміші з високою міцністю та малою роботою вибивання, які за своїми властивостями не поступались би оболонковим піщано-смоляним, та суміші з лужно-силікатним зв’язуючим компонентом, що синтезується безпосередньо у формі при нагріванні.

Для досягнення поставленої мети у роботі вирішені наступні задачі:

1. Установлений механізм негативного впливу каолінової глини, як добавки, що знижує роботу вибивання, на міцність рідкоскляних сумішей і розроблені теоретичні основи її підвищення.

2. Розроблені теоретичні основи зниження роботи вибивання лужно-силікатних сумішей внаслідок спучування зв’язуючої композиції, до складу якої входить глина.

3. Оптимізовані склади сумішей та впроваджено їх у виробництво.

4. Обгрунтована техніко-економічна доцільність використання рідкоскляних і лужно-силікатних сумішей замість піщано-смоляних при литті в оболонкові форми.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

1. Установлена причина зниження міцності сумішей з рідким склом і добавками каолінової глини при твердненні у контакті з нагрітою оснасткою, яка полягає у підвищенні модуля рідкого скла внаслідок взаємодії його вільного лугу з глиною з утворенням гідроалюмосилікатів натрію (ГАСН).

2. Розроблені теоретичні основи підвищення міцності рідкоскляних сумішей з каоліновими глинами при їх твердненні у контакті з нагрітою оснасткою. Для цього потрібно підвищувати вміст Na2O у рідкому склі з метою компенсації його витрат на утворення ГАСН. Вміст Na2O у рідкому склі повинен бути таким, щоб його модуль дорівнював 1,5. Це підвищує зв’язуючі властивості рідкого скла, що обумовлює можливість введення у суміші більшої кількості глини чим суттево знижується робота вибивання їх з виливків.

3. Вперше розроблені лужно-силікатні суміші, в яких зв’язуючий компонент синтезується безпосередньо у ливарній формі або стрижні при їх нагріванні внаслідок взаємодії лугу з аморфним кремнеземом. Міцність таких сумішей на 30-40% перевищує міцність піщано-смоляних і досягає 3,0-4,0 МПа. Цієї міцності цілком достатньо для виготовлення оболонкових форм і стрижнів.

4. Вперше установлений вплив спучування зв’язуючої композиції на залишкову міцність суміші й її роботу вибивання з виливків і на цій підставі розроблені теоретичні основи зниження роботи вибивання рідкоскляних сумішей. Для досягнення найменшої роботи вибивки необхідно, щоб суміш при контакті з розплавленим металом прогрівалась до температури максимального спучування зв’язуючої композиції.

5. Обгрунтований принцип вибору глин та їх кількості у сумішах для досягнення мінімальної роботи вибивання у залежності від розмірів виливка та стрижня, виду сплаву, що заливають у форму, та вмісту в суміші Na2O.

Практична цінність роботи полягає у тому, що на зміну піщано-смоляним розроблені високоміцні рідкоскляні суміші з малою роботою вибивання, а також лужно-силікатні суміші, в яких зв’язуючий компонент синтезується безпосередньо у формі або стрижні при їх нагріванні. Останнє виключає необхідність виробництва звўязуючого, обумовлює зниження матеріальних витрат, сприяє підвищенню якості виливків, покращанню санітарно-гігієнічних умов праці із-за відсутності виділення із сумішей при їх приготуванні та заливанні розплавленим металом будь яких шкідливих газів.

Розроблені номограма та розрахунковий метод визначення необхідної кількості каолінової глини у рідкоскляних і лужно-силікатних сумішах з різною кількістю та модулем зв’язуючого компонента в залежності від розмірів стрижня та виливка для забезпечення високої холодної та гарячої міцності, мінімальної роботи вибивання стрижнів з виливків.

Оптимізовані склади екологічно чистих рідкоскляних та лужно-силікатних сумішей, які впроваджені у виробництво замість піщано-смоляних сумішей з феноло-формальдегідними смолами. Економічний ефект тільки при заміні піщано-смоляних сумішей на рідкоскляні становить 20,84 грн., а при заміні на лужно-силікатні, що синтезуються у формі - 22,96 грн. на 1 т виливків (у цінах за 1998р.).

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на конференціях “Современные технологии получения и обработки сплавов в металургии” (Киев, 1998), на 8-й міжнародній балтійській конференції “Materials engineering - 99” (Каунас, 1999) і на 3-му з’їзді ливарників України “Шляхи відновлення та розвитку ливарних технологій в Україні” (Київ, 1999).

Публікація матеріалів. За матеріалами роботи опубліковано 3 статті у фахових журналах та доповідь на міжнародній конференції у Каунасі.

Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, основних висновків, переліку джерел із 93 найменувань та 10 додатків. Робота містить 188 сторінки машинописного тексту, у тому числі 11 таблиць та 70 рисунків. У додатку наведені акти впровадження розроблених сумішей, технологічна інструкція на лужно-силікатні суміші, що тверднуть у контакті з нагрітою оснасткою, та інше.

Особистий внесок автора відображений у положеннях, які виносяться на захист, зокрема він полягає:

·

· у встановленні механізму знеміцнення рідкоскляних сумішей у контакті з розплавленим металом після введення до їх складу сполук, що містять Al2O3 та утворюють з розчином лугу при нагріванні суміші гідроалюмосилікати натрію (ГАСН);

· у розробленні теоретичних основ досягнення мінімальної роботи вибивання лужно-силікатних сумішей, що містять добавки каолінової глини;

· у розробленні нових сумішей із синтезом лужно-силікатного звўязуючого компонента безпосередньо у формі чи стрижні при їх нагріванні;

· в обгрунтуванні принципу вибору алюмосилікатів та їх оптимальної кількості у сумішах в залежності від розмірів виливка та елементів ливарної форми, виду сплаву, що заливається, та вмісту Na2O у суміші;

· у техніко-економічному обгрунтуванні доцільності заміни піщано-смоляних сумішей рідкоскляними та лужносилікатними.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі поданий аналіз стану та перспективи розвитку технологій виготовлення виливків у формах та стрижнях, що зміцнюються у контакті з оснасткою. Наведені властивості таких сумішей з органічними та неорганічними зв’язуючими компонентами, детальна характеристика рідкого скла, способи його виготовлення та використання, проблеми, які повўязані з вибиванням рідкоскляних сумішей із виливків. Проаналізовані способи виготовлення оболонкових форм. Обгрунтовані мета та напрямки дослідження.

У другому розділі наведена методика досліджень. При виконанні роботи використовувались стандартні методи дослідження технологічних властивостей сумішей і самостійно розроблені конструкція установки для визначення газотвірних властивостей лужно-силікатних сумішей, методики дослідження спучуваності лужно-силікатних зв’язуючих компонентів і виготовлення технологічних зразків й оболонкових форм.

При проведені досліджень структури та властивостей зв’язуючих композицій використовувались хімічні методи, рентгенівський фазовий, електронномікроскопічний аналізи, термоаналіз, інфрачервона спектроскопія; методи статистичного оброблення експериментальних даних і математичного моделювання.

У третьому розділі наведені дослідження щодо встановлення причин негативного впливу глин на міцність рідкоскляних сумішей. Розроблені теоретичні основи її підвищення та досягнення мінімальної роботи вибивання.

Враховуючи те, що феноло-формальдегідні смоли в Україні не виготовляють, крім того їх використання з економічної й екологічної точок зору небажане, доцільно замінити їх на рідкоскляні. Але така заміна можлива тільки при підвищенні міцності рідкоскляних сумішей не менше, ніж у 2 рази при суттєвому зниженні роботи вибивання їх з виливків.

Найбільш часто вживаною, доступною і ефективною добавкою для зниження роботи вибивання рідкоскляних сумішей є глина, проте вона різко знижує міцність сумішей. Механізм цього явища до кінця не вивчений, тому доцільно установити причини зниження початкової міцності цих сумішей та знайти методи її підвищення.

Рисунок 1-Вплив вмісту глини з різною питомою поверхнею на тимчасовий опір при розриванні сумішей з рідким склом різного модуля

Установлено, що причиною низької початкової міцності сумішей з рідким склом високого модуля (Мі2,4) та добавками глини після нагрівання є подальше підвищення модуля рідкого скла внаслідок витрачання Na2O на утворення гідроалюмосилікатів натрію (ГАСН).. Утворення кристалогідратів ГАСН у вигляді твердого розчину “анальцім + алюмінатний содаліт” підтверджено інфрачервоною спектроскопією та дифрактограмами зв’язуючої композиції, що складається з рідкого скла та глини.

З цієї обставини для підвищення міцності сумішей з глиною потрібно підвищувати вміст Na2O у рідкому склі. Він повинен бути таким, щоб модуль рідкого скла дорівнював 1,5. Це підвищує зв’язуючі властивості рідкого скла (кр.3,4), що обумовлює можливість введення у суміш більшої кількості глини при збереженні її високих міцностних властивостей (і1,3…1,5 МПа).

Крім підвищення звўязуючих властивостей низькомодульного рідкого скла, міцність суміші з глиною додатково на (0,3…0,4 МПа) підвищують кристалогідрати ГАСН, тобто і вони виконують функцію зв’язуючого компонента.

Проте за питомою міцністю ГАСН менш ефективні (0,1 МПа), ніж рідке скло з модулем 1,5 (0,56 МПа на 1% зв’зуючого компонента).

Таким чином, на утворення ГАСН витрачається Na2O тобто луг рідкого скла, що призводить, з одного боку, до збільшення долі ГАСН у зв’язуючій композиції, а з другого - до підвищення модуля рідкого скла, що залишилося у суміші. Останнє, як бачимо з даних рис.1, призводить до зниження міцності суміші у більшій мірі, ніж її підвищення внаслідок утворення кристалогідратів ГАСН. Тому для сумішей з підвищеним модулем рідкого скла їх міцність практично не змінюється при введені глини тільки до 0,5 мас.ч. (рис.1, кр.1), а при зниженні модуля рідкого скла до 1,5 вона підвищується при збільшенні вмісту глини аж до 2 мас.ч. (рис.1, кр.3) та підвищенні її питомої поверхні (рис.1, кр.4). Допустимий вміст глини у сумішах з низькомодульним рідким склом, при якому міцність суміші не менша за початкову, - 2,5…3,0 мас.ч. (рис.1, кр.3 та 4).

Рисунок 2 - Вплив температури на зміну хімічного складу розбавленого рідкого скла, що містить маршаліт (1,3, 6) або УЛЗ-90 (2,4,5)

Для подальшого підвищення міцності суміші з низькомодульним рідким склом і глиною вивчили вплив на її міцність пиловидного SiO2 різної структури: кристалічної (у вигляді молотого кварцового піску, маршаліту) й аморфної (у вигляді силікагелю, кварцового скла, сажі білої та утеплюючої люнкеритної засипки (УЛЗ-90)).

Установлено, що усі високодисперсні добавки SiO2 при їх вмісті до 1 мас.ч. підвищують міцність рідкоскляних сумішей. При цьому аморфний кремнезем підвищує міцність суміші від 1,4 до 2,7-2,8 МПа, що цілком достатньо для заміни смоляних сумішей на рідкоскляні, а кристалічний майже не впливає на міцність.

Значно більше зміцнення суміші аморфним SiO2 порівняно з кристалічним, обумовлене його розчинністю в лужному розчині (рис.2), внаслідок чого додатково утворюється звўязуючий компонент. Аморфний SiO2 призводить до підвищення модуля рідкого скла (рис.2, кр.2) по мірі нагрівання суміші до 950С. При цьому швидкість розчинення SiO2 (кр.4) у температурному інтервалі від 20 до 650С підвищується пропорційно росту температури, а потім при 65…700С, різко збільшується, що свідчить про хімічну взаємодію лужного розчину з аморфним SiO2.

Таким чином, для подальшого підвищення початкової міцності рідкоскляних сумішей з глинами, що зміцнюються нагріванням, необхідно використовувати кремнезем аморфної структури.

Як показали електронномікроскопічні дослідження, рідкоскляна суміш без глини при заливанні сталлю спікається, що підтверджує велика (>330 Дж) робота її вибивання з виливків. Добавка у суміш 2 мас.ч. глини призводить до різкого зменшення роботи вибивання (40 Дж). Це пов’язано з тим що, суміш після нагрівання залитим металом має чітковиражену пористу структуру внаслідок спучування зв’язуючого.

Рисунок 3-Вплив температури на спучуваность рідкоскляного зв’язуючого компонента з різним вмістом глини та УЛЗ-90

Збільшенню пористості зв’язуючого компонента внаслідок його спучування сприяють ГАСН, що утворюються у рідкоскляній суміші з глиною при нагріванні. Це обумовлено тим, що алюмінатний содаліт, як одна із складових ГАСН, втрачає хімічно зв’язану воду при 700…9500С, а анальцім, як друга складова ГАСН, при 140…6500С з переходом у нефелін (карнегіїт), тобто ці складові ГАСН є джерелом парів води у досить широкому температурному інтервалі (140…9500С), які і спучують звўязуючий компонент.

Дослідження (рис.3, кр.1) показали, що зв’язуючий компонент починає спучуватись при нагріванні до температур вищих за 1500С. Крива спучуваності має екстремальний характер. Спочатку, по мірі підвищення температури до 4000С, спучуваність збільшується під дією парів води, що виділяються зі зв’язуючого компонента. При нагріванні до температур більших за 4000С спучуваність зменшується внаслідок розривання (зростаючим тиском) поверхні силікатного зв’язуючого компонента, чому сприяють також подальше зниження його в’язкості.

Добавка глини до зв’язуючого компонента призводить до зсуву максимуму його спучуваності в напрямку більш високих температур (рис.3, кр.2).

Температурний інтервал спучування зв’язуючого компонента майже точно збігається з температурним інтервалом мінімальної роботи вибивання суміші. При цьому температура максимуму спучування відповідає мінімальному значенню роботи вибивання.

Температурний інтервал зменшення спучування після його максимального значення відповідає зростанню роботи вибивання суміші внаслідок плавлення звўязуючого компонента та відновлення суцільності його структури (пари води легко проривають поверхню малов’язкого зв’язуючого компонента, що розплавляється).

Додатково це підтверджено вивченням кінетики спучування. Більш тривала витримка зв’язуючого компонента у печі призводить до того, що температурний інтервал росту спучуваності залишається постійним, а температурний інтервал зниження спучуваності зменшується більш як у 2,5 рази. На підставі цього зроблено важливий практичний висновок: для того щоб стрижень або форма мали найменшу залишкову міцність необхідно щоб вони прогрівались до температур, що належать інтервалу росту спучуваности зв’язуючого компонента. У цьому інтервалі плівка зв’язуючого компонента знаходиться у розпушеному стані та її суцільність при тривалій витримці у печі та охолодженні не відновлюється.

Нагрівання суміші до температур, вищих від температури росту спучуваності, призводить до плавлення звўязуючого компонента, зменшення його в’язкості та повного видалення з нього парів води. У цих умовах спучування звўязуючого компонента неможливе і при наступному охолодженні він спікається, завдяки чому робота вибивання стає максимальною.

Слід зауважити також, що максимальна величина спучування зв’язуючого компонента залежить від температури і від вмісту у ньому глини.

Зв’язуючі композиції з максимумом спучуваності при 4000С мають коефіцієнт спучуваності 10 од., а композиції з максимумом спучуваності при 650…9500С - 2,8 од. (рис.3, кр.1-5), тобто менший майже в 3 рази. При 1000…10500С коефіцієнт спучуваності збільшується до 3,5 од. Такий непропорційний вплив глини на спучуваність зв’язуючого компонента пояснюється тим, що не тільки ГАСН бере участь у спучуванні, але й глина, яка не прореагувала з рідким склом.

При нагріванні до 550…650 та 950…10500С каолінова глина втрачає хімічно зв’язану воду і тим вносить додаткову кількість парів води, які і призводять до збільшення максимуму коефіцієнта спучуваності зв’язуючого компонента біля температур 600 та 10000С.

Про важливу роль глини, що не прореагувала, у спучуванні свідчить той факт, що введений замість глини в рідкоскляну суміш ГАСН, синтезований нами, не призвів до суттєвого покращання роботи вибивання, тобто, однієї умови про газотвірність добавки недостатньо для покращання вибивання рідкоскляної суміші і пояснення процесу спучування зв’язуючої плівки. Важливу роль у цих процесах відіграє утворений після дегідратації глини муліт. Він збільшує в’язкість та температуру плавлення зв’язуючого компонента, та як наслідок цього, призводить до розширення інтервалу та зсуву максимуму спучуваності в сторону більш високих температур.

Додатково введена у рідкоскляну суміш, що містить 3 мас.ч. глини, добавка УЛЗ-90, зсуває інтервал спучування в область температур, більших за 9500С (рис.3, кр.6-8), а це, у свою чергу, супроводжується зсувом у тому ж напрямку температурного інтервалу з найменшою залишковою міцністю суміші. Такий вплив аморфного кремнезему пояснюється інтенсивним його розчиненням у рідкому склі, починаючи з 700С, й ще більш інтенсивною взаємодією з розплавом лужного силікату при температурах >6000С з підвищенням його модуля. Тому добавки SiO2ам у суміш крім підвищення початкової міцності, поліпшують її вибивання з виливків.

При виготовленні оболонкових форм та оболонкових чи монолітних стрижнів обов’язковим технологічним параметром суміші є її гаряча міцність, яка обумовлює можливість виштовхування форм чи стрижнів із нагрітої оснастки без руйнування зі збереженням геометричної точності. Для цих сумішей, як і для традиційних зі смолами, вона нижча за холодну міцність внаслідок теплових коливань атомів зв’язуючого компонента, але залишається на достатньо високому рівні (і1,0 МПа). Проте на неї, крім теплових коливань, негативно впливає ще й спучування зв’язуючого компонента, причому останнє обумовлює геометричну точність виливкам і можливість використання тонкостінних стрижнів без каркасів.

Для виключення негативного впливу спучування необхідно щоб суміш прогрівалась металом, що заливається у форму, до температури максимального спучування звўязуючого компонента. За таких умов гаряча міцність стрижнів залишається на високому рівні (і1,0 МПа).

Таким чином, для досягнення оптимально-необхідних технологічних параметрів сумішей (високої початкової міцності, найменшої роботи вибивання, достатньої гарячої міцності) для виготовлення форм і стрижнів у нагрітій оснастці необхідно, щоб суміш при заливанні форм металом прогрівалась до температур, що належать інтервалу росту спучуваності зв’язуючої композиції.

Для практичного використання результатів досліджень розроблені, з допомогою ЕОМ, математичні моделі властивостей сумішей у залежності від їх складу та оптимізовані склади сумішей для виготовлення оболонкових форм і монолітних тонкостінних стрижнів піскодувним способом. Ці дані наведені в таблиці.

У четвертому розділі висвітлені дослідження по розробленню сумішей з лужно-силікатним зв’язуючим компонентом, який синтезується безпосередньо у формі чи стрижні при їх нагріванні.

В основу цих досліджень покладена установлена нами доцільність використання рідкого скла з підвищеним вмістом Na2O, тобто низькомодульного, ідея “мокрого” способу приготування низькомодульного рідкого скла з аморфного кремнезему і літературні дані, які свідчать про те, що при дії нагрітих до 60…800С розчинів лугу (35…40% Na20) на кремній (Si), кремнезем (SiO2) або силіциди (феросиліцій, силікомагній, та ін.) утворюється рідке скло.

Новизна цих досліджень полягає у тому, що замість попереднього виробництва звўязуючого компонента з водного розчину лугу та аморфного кремнезему за схемою “мокрого” способу виробництва рідкого скла, указані інгредієнти у початковому стані вводяться у суміш. Далі із цієї суміші виготовляються форми чи стрижні у нагрітій оснастці. Внаслідок нагрівання суміші, яка знаходиться в оснастці, у ній спочатку при температурі 1000С синтезується звўязуючий компонент (низькомодульне рідке скло). При нагріванні суміші вище 1000С з неї інтенсивно випаровується вода, що призводить до утворення силікатних плівок, які і обумовлюють міцність форм чи стрижнів.

Цьому звўязуючому компоненту дали назву “лужно-силікатне”, щоб підкреслити особливість його синтезу безпосередньо у формі чи стрижні, замість традиційної схеми приготування сумішей - попереднє виробництво звўязуючого компонента з наступним введенням його у суміш.

З метою синтезу лужно-силікатних зв’язуючих компонентів на стадії формоутворення досліджені різноманітні матеріали, що містять Si або SiO2. Установлено, що аморфний кремнезем (SiO2ам), кремній та феросиліцій зміцнюють суміш, але неоднаково. Кремній та феросиліцій надають суміші міцність 0,8…1,6 МПа при збільшенні питомої поверхні цих речовин від 0,1 до 0,4 м2/г. Суміші з такою міцністю можуть замінити рідкоскляні для виготовлення суцільних стрижнів, які зміцнюються тепловим сушінням.

Суміші, в яких зв’язуючий компонент синтезується із сировини на основі SiO2ам, мають міцність набагато більшу (2,3…2,5 МПа) при співставимій питомій поверхні цих речовин (0,37…0,36 м2/г).

Збільшення питомої поверхні SiO2ам призводить до підвищення міцності суміші внаслідок більш повної взаємодії лугу з SiO2.

З різних речовин, що містять SiO2ам, найбільш доцільною для практичного застосування є УЛЗ-90 з питомою поверхнею 2,6 м2/г, оскільки вона зміцнює суміш у найбільшій мірі (4,2 МПа). Ця міцність набагато більша за міцність суміші з попередньо виробленим рідким склом (1,4…2,0 МПа). Її цілком достатньо для виготовлення оболонкових форм та монолітних чи оболонкових стрижнів першої категорії складності.

Значне підвищення міцності суміші зі зв’язуючим компонентом, що синтезується у формі або стрижні, пояснюється впливом декількох додаткових (крім утворення звўязуючого компонента) факторів: кремнеземиста тверда фаза, що не встигла розчинитись у лужному середовищі, виконує армуючу функцію та знижує внутрішні напружини у силікатних плівках зв’язуючого компонента при термічному твердненні, що збільшує когезійну складову міцності суміші.

Всока міцність лужно-силікатних сумішей і можливість її регулювання вмістом інгредієнтів у широкому інтервалі (від 1,0 до 4,2 МПа) дозволяє розробляти суміші для будь-якого класу складності стрижнів, що зміцнюються у контакті з нагрітою оснасткою, тобто тієї номенклатури виливків, для яких лиття в оболонкові форми є найбільш технологічним та економічно доцільним.

Особливістю нової технології є те, що температурні параметри нагрівання (220…2400С) та час проходження реакції взаємодії NaOH із SiO2ам з метою синтезу лужно-силікатного зв’язуючого компонента (10…20 хв) збігається з температурночасовими параметрами тверднення форм і стрижнів, що повністю виключає з технологічного циклу енергоємну та тривалу (до 1,5…6,0 год в залежності від тиску) стадію приготування рідкого скла “мокрим” способом, чи ще тривалішу стадію при приготуванні рідкого скла за “сухим” способом.

Для цих сумішей міцність у гарячому стані після тверднення, як і для піщано-смоляних, нижча за холодну - на 0,5...0,8 МПа із-за теплових коливань атомів зв’язуючого компонента. За абсолютною величиною вона дорівнює 1,0...2,9 МПа і не є лімітуючим параметром для використання лужно-силікатних зв’язуючих компонентів у процесах формоутворення із застосуванням гарячої оснастки.

Дослідження зміни складу лужного розчину в залежності від температури його нагрівання дозволили сформулювати механізм зміцнення лужно-силікатних сумішей: при нагріванні суміші (пісок+SiO2ам+луг+вода) на поверхні часточок SiO2ам при температурі і 50…600С внаслідок хімічної взаємодії з NaOH утворюються силікати натрію з малим значенням модуля. За рахунок дифузії кремнекисневих аніонів концентрація SiO2 у розчині NaOH навколо часточок SiO2ам підвищується, зростає модуль утвореного лужно-силікатного зв’язуючого компонента. Нагрівання суміші до 95-970С призводить до кипіння композиції та випаровування з неї води. Останнє обумовлює процес тверднення зв’язуючого компонента і утворення склоподібних плівок на поверхні SiO2ам та зернах наповнювача.

Особливістю лужно-силікатних сумішей є їх схильність до знеміцнення під час тверднення при температурах і2400С із-за спучуваности зв’язуючого компонента.

Для усунення впливу низькотемпературної спучуваності на міцність та обсипання форм і стрижнів до складу лужно-силікатних сумішей доцільно вводити каолінову глину.

Позитивна роль глини у стабілізації міцності суміші при низьких (до 2400С) температурах дозволяє також вибрати її як основну добавку для покращання роботи вибивання суміші з виливків, оскільки суміші на синтезованому зв’язуючому, як і подібні їм рідкоскляні, вибиваються утруднено.

Добавка глини до зв’язуючої композиції призводить до розширення та зміщення інтервалу спучуваності у напрямку високих температур (рис.4), що стабілізує високу міцність суміші при її твердненні

Крім того, добавка глини призводить до зміщення другого максимуму залишкової міцності лужно-силікатної суміші у сторону більш високих температур. При цьому слід відзначити, що інтервали спучуваності зв’язуючих композицій, як і для рідкоскляних сумішей, майже точно збігаються з інтервалом зниження роботи вибивання суміші. Тому добавка глини у лужно-силікатну суміш розширює тепературний інтервал з мінімальною роботою її вибивання з виливків.

Для досягнення найменшої роботи вибивання необхідно, щоб суміш прогрівалась до температур максимального спучування зв’язуючої композиції.

Вивчено вплив спучування зв’язуючого компонента (структури) та поліморфних перетворень складових суміші на розширення суміші при її нагріванні та охолодженні. Установлено, що при введенні глини до складу сумішей зменшується їх об’ємне розширення (більш як на 1%) із-за зсуву спучуваності в область більш високих температур. Спучування сприяє утворенню тріщин при охолодженні сумішей із-за внутрішніх напружин, які викликані зворотнім поліморфним перетворення кварцу піску (550-6000С) та значним зменшенням міцності плівок зв’язуючого компонента, що спучився.

Рисунок 4 - Вплив температури на коефіцієнт

спучуваности лужно-силікатного зв’язуючого компонента з різним вмістом глини

Aналіз експериментальних даних спучуваності рідкоскляних та лужно-силікатних зв’язуючих композицій показав, що вони мають максимальне значення при відповідному співвідношенні між вмістом Na2O та глиною. Наприклад, при 8000С рідкоскляна композиція з вмістом 0,45 мас.ч. Na2O максимально спучується при вмісті у ній 2 мас.ч. глини (рис.3, кр.3), а лужно-силікатна - при тій же температурі з 0,9 мас.ч. Na2O при вмісті глини 4 мас.ч. (рис.4, кр.5).

Така відповідність додатково підтверджує той факт, що у лужно-силікатних сумішах при нагріванні синтезується рідке скло та дає можливість розробити універсальний підхід до розрахунку оптимально необхідної кількості глини відносно Na2O у рідкоскляних та лужно-силікатних сумішах в залежності від температури прогрівання форм чи стрижнів при заливанні їх розплавом.

На підставі цього із застосуванням ЕОМ розроблена номограма для визначення оптимальної кількості глини у рідкоскляних та лужно-силікатних сумішах (рис.5). Вона враховує температуру прогрівання суміші у залежности від приведених товщини виливка та радіуса стрижня (Sвил; Rст) та виду сплаву, що заливають у форму (кр.1-чавун, кр.2-сталь).

Мінімальна робота вибивання внаслідок максимального спучування зв’язуючого компонента забезпечується оптимальним співвідношенням у суміші Na2O до Al2O3 в залежності від ступеня прогрівання суміші.

Для визначаєння необхідного мольного співвідношення у суміші Na2O до Al2O3 за номограмою крапку, що відповідає відношенню приведененої товщини виливка до радіуса стрижня, при допомозі перетину з кр.1 чи кр.2 (у залежності від виду сплаву) проектують на вісь температур. Отримана таким чином температура прогрівання суміші проектується при допомозі кр.3 на вісь Na2O/Al2O3, яка показує оптимальне мольне співвідношення Na2O до Al2O3 у зв’язуючій композиції. При необхідності мольне співвідношення перераховується у масове внаслідок його множення на коефіцієнт 1.65. Зворотній перерахунок здійснюється діленням масових відсотків вмісту Na2O та Al2O3 на цей коефіцієнт

Далі, для знаходження потрібної кількості глини у суміші з наміром забезпечити необхідний вміст у ній Al2O3, крапка, що знайдена на осі Na2O/Al2O3, проектується на вісь “вміст глини” при допомозі перетину з кривою, яка відповідає виду зв’язуючого (для лужносилікатного - кр. 4…7, для рідкого скла - кр.8…10) та його вмісту в суміші, у мас.ч.: (кр.4 та 8 - 2.0; кр.5 та 9 - 2.5; кр.6 та 10 - 3.0; кр.7 - 3.5)

Рисунок 5-Номограма для визначення оптимальної кількості глини у рідкоскляних і лужно-силікатних сумішах

Послідовність розрахунків за номограмою показана стрілками.

Проведений статистичний аналіз впливу вмісту Na2O та Al2O3 на температуру максимальної спучуваності зв’язуючих компонентів. Установлено, що будь-які лужно-силікатні зв’зуючі компоненти з однаковим мольним співвідношенням Na2O до Al2O3 максимально спучуються при одній і тій же температурі. Цю температуру можна розрахувати за формулою:

Тмак.спуч = 1658 - 58М3 + 470М2 - 12М,

де М - відношення молей Na2O до Al2O3 у зв’язуючій композиції

З метою визначення найбільш ефективних добавок, що містять Al2O3, для застосування у сумішах досліджено вплив алюмосилікатів з різною кількістю в їх складі Al2O3 та кристалічнозв’язаної води: водні (збагачена каолінова глина (39-40% Al2O3), боксит (50% Al2O3)), безводні (шамот (60% Al2O3), відпалений глинозем (100% Al2O3).

Установлено, що алюмосилікати з приблизно однаковою питомою поверхнею впливають на спучування лужно-силікатного зв’язуючого компонента по різному. Боксит, та збагачена глина зміщують максимум спучуваності зв’язуючого компонента до 800… 9000С та покращують вибивання сумішей в інтервалі температур 600…9000С, що відповідає викладеним вище висновкам, а зв’язуючі композиції з шамотом та відпаленим глиноземом майже не покращують вибивання сумішей прогрітих до температур 600…9000С. Такий вплив шамоту та відпаленого глинозему на роботу вибивання пояснюється відсутністю спучування зв’язуючого при цих температурах та їх хімічною інертністю до лужного розчину (не утворюються ГАСН). Про це свідчить той факт, що після нагрівання до 10000С у зв’язуючій композиції відсутній карнегіїт або нефелін. На цих підставах для практичного використання доцільно застосовувати природні або збагачені алюмосилікати каолінової групи.

Для практичного використання результатів дослідження установлені, з допомогою ЕОМ, математичні моделі властивостей сумішей в залежності від їх складу та оптимізовані їх склади для виготовлення оболонкових форм та монолітних стрижнів. Ці дані наведені в таблиці.

Таблиця - Склади сумішей та їх технологічні властивості

Параметри піскодувного способу формоутворення: тиск задування 0,45-0,50 МПа, температура оснастки 280…3000С, термін задування 3…4 с, термін сушіння 6…7 хв.

У пятому розділі наведені результати промислових випробувань та впроваджень результатів досліджень.

Промислові впровадження пластичних рідкоскляних сумішей з добавками аморфного кремнезему та каолінової глини і лужно-силікатних сумішей із синтезом зв’язуючого компонента безпосередньо у формі проведено у ливарному цеху Національного технічного університету України при виготовленні з жаростійкої хромоалюмінієвої сталі більш як 2000 виливків “Пальник” для Трипільської ДРЕС.

Монолітні стрижні виготовлялися піскодувним способом у гарячій 4-х гніздній оснастці без застосування каркасів. Розміри стрижнів: Ж15 та 25 мм, довжина 235мм.

Положення стрижнів у формі при заливанні їх сталлю горизонтальне. Протипригарні покриття на стрижні не наносились.

Стрижні легко видалялись з виливків за допомогою свердла з пневматичним приводом. Пригар на внутрішній поверхні виливків відсутній. Різностінності виливків внаслідок вигинання стрижнів під дією металостатичного напору не виявлено. Брак з вини стрижнів склав 2%.

Економічний ефект від впровадження розроблених сумішей тільки на заміні піщано-смоляних сумішей на рідкоскляні склав 20,84 грн., а при заміні на лужно-силікатні, що синтезуються у формі - 22,96 грн. на 1 т виливків (у цінах за 1998р).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Установлена причина знеміцнення рідкоскляних високомодульних сумішей (Мі2.4) з добавками глини при твердненні у контакті з нагрітою оснасткою, яка полягає у тому, що при нагріванні вільний луг рідкого скла взаємодіє із глиною з утворенням твердого розчину гідроаюмосилікатів натрію (ГАСН). Це підвищує модуль рідкого скла і знижує його зв’язуючі властивості. Кристалогідрати ГАСН хоча і підвищують міцність суміші внаслідок притаманних їм зв’язуючих властивостей (на 0,3-0,4 МПа), але неспроможні компенсувати її падіння із-за підвищення модуля.

2. Розроблені теоретичні основи підвищення початкової міцності рідкоскляних сумішей з глиною при твердненні у контакті з нагрітою оснасткою. Для цього необхідно підвищувати вміст Na2O з метою компенсації його витрат на утворення ГАСН. Вміст Na2O у рідкому склі повинен бути таким, щоб його модуль дорівнював 1,5. Це підвищує зв’язуючі властивості рідкого скла, що обумовлює можливість введення у суміші більшої кількості глини чим суттєво знижується робота вибивання їх з виливків.

3. Установлено, що міцність сумішей з рідким склом низького модуля можна додатково підвищити у два рази (до 2,7-2,8 МПа) внаслідок добавок високодисперсних аморфних видів кремнезему (SiO2ам), наприклад, утеплюючої люнкеритної засипки (УЛЗ-90): SiO2ам інтенсивно взаємодіє з лугом рідкого скла при нагріванні до 65…900С з утворенням додаткової кількості рідкого скла та внаслідок армування силікатних плівок частками кремнезему, що не розчинився.

4. Вперше розроблені лужно-силікатні суміші, в яких звўязуючий компонент синтезується безпосередньо у формі або стрижні протягом їх теплового тверднення внаслідок взаємодії лугу з аморфним кремнеземом. Міцність таких сумішей на 30…40% перевищує піщано-смоляні, досягає 4,0 МПа (у залежності від складу) і її цілком достатньо для виготовлення оболонкових форм і стрижнів.

5. Досліджений механізм зниження залишкової міцності та роботи вибивання рідкоскляних і лужно-силікатних сумішей з каоліновою глиною та SiO2ам. Установлено, що зниження залишкової міцності досягається розпушуванням зв’язуючого компонента із-за його спучування парами води, які виділяються (при 600 та 10000С) із глини, що не прореагувала з лугом та складових ГАСН: анальциму (при 140…6500С) і алюмінатного содаліту (при 700…9500С). Для досягнення найменшої роботи вибивання необхідно, щоб суміш прогрівалась до температур, що належать інтервалу максимального спучування звўязуючої композиції.

6. Досліджений вплив спучування на гарячу міцність рідкоскляних сумішей. Установлено, що гарячу міцність зберігають суміші, які прогріваються до температури максимального спучування звўязуючої композиції.

7. Проведений статистичний аналіз впливу Na2O та Al2O3 на температуру максимальної спучуваності зв’язуючої композиції. Установлено, що будь-які лужносилікатні зв’язуючі композиції з однаковими кількісним (мольними) відношеннями Na2O/Al2O3 максимально спучуються при одній і тій же температурі, для визначення якої виведена розрахункова формула.

8. Вивчений вплив спучування зв’язуючого компонента та полиморфних перетворень складових суміші на розширення суміші при її нагріванні та охолодженні. Установлено, що при введенні глини до складу сумішей зменшується їх об’ємне розширення (більш як на 1%) із-за зсуву спучуваності в область більш високих температур. Спучування а також внутрішні напружини, які викликані за рахунок зворотного полиморфного перетворення кварцу піску (550-6000С) сприяють утворенню тріщин при охолодженні сумішей та значному зменшенню їх залишкової міцності.

9. Обгрунтований принцип вибору глин та розроблена номограма для визначення її кількості у сумішах для досягнення мінімальної роботи вибивання у залежності від розмірів виливка, стрижня та сплаву, що заливається.

10. Результати досліджень впроваджені у виробництво. Заміна піщано-смоляних сумішей на рідкоскляні дозволила заощадити 20,84 грн, а на лужно-силікатні 22,96 грн на 1т виливків

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Макаревич А.П., Юрченко О.В. Влияние глин на прочность жидкостекольных смесей // Литейное производство 1998. - №7. - С.26…28.

2. Дорошенко С.П., Макаревич А.П., Юрченко О.В. Влияние аморфного кремнезёма на прочность и выбиваемость жидкостекольных смесей //Металл и литьё Украины 1999. - №9-10. - С.57…60.

3. Макаревич А.П., Юрченко О.В. Щёлочно-силикатные смеси для литья в оболочковые формы // Процессы литья 1999. - №3. - С.84…90.

4. Doroshenko S.P., Makarevich A.P., Yurchenko O.W. New in the field of liquid sodium glass mixtures // Materials of 8-th International Baltic Conference. “ Materials engineering - 99”. Kaunas. - 1999. - P.9…12.

АНОТАЦІЯ

Юрченко О.В. Формувальні та стрижневі суміші з лужно-силікатними зв’язуючими, що тверднуть у контакті з нагрітою оснасткою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 - Ливарне виробництво. - Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2000 р.

Розроблені теоретичні основи підвищення початкової міцності рідкоскляних сумішей з глиною при твердненні у контакті з нагрітою оснасткою. Для цього необхідно підвищувати вміст Na2O з метою компенсації його витрат на утворення ГАСН. Вміст Na2O у рідкому склі повинен бути таким, щоб його модуль дорівнював 1,5. Це підвищує зв’язуючі властивості рідкого скла, що обумовлює можливість введення у суміші більшої кількості глини чим суттєво знижується робота вибивання їх з виливків.

На базі водних розчинів лугу та SiO2ам розроблено нові лужно-силікатні суміші, в яких зв’язуючий компонент синтезується безпосередньо у формі чи стрижні при їх тепловому твердненні. Міцність рідкоскляних і лужно-силікатних сумішей становить 2,7-4,0 МПа, тому вони рекомендовані для виготовлення оболонкових форм замість піщано-смоляних сумішей.

Обгрунтовано механізм зниження залишкової міцності і роботи вибивання сумішей з виливків за рахунок його спучування парами води, які