Научная статья на тему 'Исследование влияния состава промывочных растворов на величину адгезии воды к материалу восковых моделей для металлического литья'

Исследование влияния состава промывочных растворов на величину адгезии воды к материалу восковых моделей для металлического литья Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
131
28
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРЕЦИЗИОННОЕ ЛИТЬЕ / PRECISION CASTING / МОДЕЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ / СМАЧИВАЕМОСТЬ / WETTABILITY / РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ СМАЗКА / RELEASE AGENT / МЕТОД ЛЕЖАЩЕЙ КАПЛИ / THE METHOD OF SESSILE DROP / MODELING PATTERN

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Ордин Д.А., Мерзляков К.С., Углев Н.П., Пойлов В.З.

Проблемы, связанные со смачиваемостью модельных образцов для литья по выплавляемым моделям, встречаются достаточно часто. Модели имеют разнообразные формы со сложными внутренними полостями, имеющими различные толщины стенок. Плохая смачиваемость моделей возникает из-за того, что на ее поверхности присутствует разделительная смазка, необходимая для извлечения модели из матрицы без нарушения целостности модельного образца. Это ведет к тому, что первый слой суспензии ложится неровно по всей площади, т.е. не полностью охватывает всю поверхность образца. Следовательно, часть модели не покрывается суспензией, не точно передаются формы и, как следствие, возникает брак. Изучение влияния различных отмывочных растворителей на смачиваемость модельных образцов является актуальной проблемой. Статья посвящена определению растворителя, который проявляет наилучшие отмывочные свойства от разделительных смазок. Проведено исследование определения адгезионных свойств поверхности восковых образцов с применением современных методов анализа и высокоточного оборудования. Авторами разработана новая методика определения смачиваемости поверхности восковых моделей, основанная на модификации ранее известного метода определения поверхностного натяжения метода лежащей капли. Показаны результаты отмывок поверхностей модельных образцов различными, наиболее перспективными растворителями. На основании проведенных экспериментов даны рекомендации для использования отмывочных растворителей, которые позволяют достичь наилучшей степени отмывки. Выявлено, что использование в качестве растворителей смесей, содержащих соду, вносит изменение в рН среды суспензии, что, в свою очередь, негативно влияет на срок живучести суспензии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Ордин Д.А., Мерзляков К.С., Углев Н.П., Пойлов В.З.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

RESEARCH OF WASHING SOLUTION COMPOSITION INFLUENCE WATER ADHESION VALUE TO WAX PATTERN MATERIAL FOR METAL CASTING

Problems bound with wax pattern wettability for lost-wax method of cast are commonly encountered problems. Wax models have various forms with complex internal hollows having different wall thicknesses. A cause of low wettability value is disjunctive lubricant coated on wax pattern surface that is used for pattern draw without wax model crippling. It flaws because ceramics slurry coats wax pattern incompletely. Studying of various washing solutions influence modeling pattern wettability is actually problem. The article deals with solution studying that has optimal washing properties towards disjunctive lubricant. Wax patterns surface adhesion properties was researched with application of modern analysis technique and high-precision gear. There was developed by the authors new method of wax patterns surface wettability determination that is based on the well known method called “method of lying drop”. Results of wax patterns surface washing by perspective solutions are represented. There was given advices for the optimal washing solutions using based on experiments. It was disclosed that soda-containing washing solutions change ceramics slurry pH that, in turn, reduce slurry lifetime.

Текст научной работы на тему «Исследование влияния состава промывочных растворов на величину адгезии воды к материалу восковых моделей для металлического литья»

УДК 669; 544.722.54; 544.722.8

Д.А. Ордин, К.С. Мерзляков, Н.П. Углев, В.З. Пойлов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ПРОМЫВОЧНЫХ РАСТВОРОВ НА ВЕЛИЧИНУ АДГЕЗИИ ВОДЫ К МАТЕРИАЛУ ВОСКОВЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИТЬЯ

Проблемы, связанные со смачиваемостью модельных образцов для литья по выплавляемым моделям, встречаются достаточно часто. Модели имеют разнообразные формы со сложными внутренними полостями, имеющими различные толщины стенок. Плохая смачиваемость моделей возникает из-за того, что на ее поверхности присутствует разделительная смазка, необходимая для извлечения модели из матрицы без нарушения целостности модельного образца. Это ведет к тому, что первый слой суспензии ложится неровно по всей площади, т.е. не полностью охватывает всю поверхность образца. Следовательно, часть модели не покрывается суспензией, не точно передаются формы и, как следствие, возникает брак.

Изучение влияния различных отмывочных растворителей на смачиваемость модельных образцов является актуальной проблемой. Статья посвящена определению растворителя, который проявляет наилучшие отмывочные свойства от разделительных смазок. Проведено исследование определения адгезионных свойств поверхности восковых образцов с применением современных методов анализа и высокоточного оборудования.

Авторамиразработана новая методика определения смачиваемости поверхности восковых моделей, основанная на модификации ранее известного метода определения поверхностного натяжения - метода лежащей капли. Показаны результаты отмывок поверхностей модельных образцов различными, наиболее перспективными растворителями. На основании проведенных экспериментов даны рекомендации для использования отмывочных растворителей, которые позволяют достичь наилучшей степени отмывки. Выявлено, что использование в качестве растворителей смесей, содержащих соду, вносит изменение в рН среды суспензии, что, в свою очередь, негативно влияет на срок живучести суспензии.

Ключевые слова: прецизионное литье, модельный образец, смачиваемость, разделительная смазка, метод лежащей капли.

D.A. Ordin, C.S. Merzlyakov, N.P. Uglev, V.Z. Poilov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

RESEARCH OF WASHING SOLUTION COMPOSITION INFLUENCE WATER ADHESION VALUE TO WAX PATTERN MATERIAL FOR METAL CASTING

Problems bound with wax pattern wettability for lost-wax method of cast are commonly encountered problems. Wax models have various forms with complex internal hollows having different wall thicknesses. A cause of low wettability value is disjunctive lubricant coated on wax pattern surface that is used for pattern draw without wax model crippling. It flaws because ceramics slurry coats wax pattern incompletely.

Studying of various washing solutions influence modeling pattern wettability is actually problem.

The article deals with solution studying that has optimal washing properties towards disjunctive lubricant. Wax patterns surface adhesion properties was researched with application of modern analysis technique and high-precision gear.

There was developed by the authors new method of wax patterns surface wettability determination that is based on the well known method called "method of lying drop". Results of wax patterns surface washing by perspective solutions are represented. There was given advices for the optimal washing solutions using based on experiments. It was disclosed that soda-containing washing solutions change ceramics slurrypH that, in turn, reduce slurry lifetime.

Keywords: precision casting, modeling pattern, wettability, release agent, the method of sessile drop.

Процесс литья по выплавляемым моделям заключается в заполнении керамической формы расплавленным металлом с последующим отделением металлической детали от отработавшей керамики. Керамическая форма подготавливается заранее, путем покрытия восковой модели несколькими слоями керамической суспензии с промежуточной просушкой слоев, выплавлением модели и отжигом формы. Для точного повторения формы модели необходимо, чтобы ее материал хорошо и равномерно смачивался керамической суспензией во избежание неточности передачи формы и, как следствие, литейного брака [1].

В первую очередь хорошая смачиваемость модели необходима при формировании первого слоя керамики, поскольку он в наибольшей степени отвечает за точность передачи формы детали. На этот слой также приходится и основной тепловой удар при заливке металла.

Точная восковая модель готовится путем запрессовки формовочной массы при определенной температуре в металлическую пресс-форму, на внутреннюю поверхность которой предварительно наносится слой разделительной смазки (касторового масла или силиконовой жидкости) для легкого извлечения ее из формы. Разделительная смазка не должна растворяться в восковом материале формы [2].

Технология изготовления модели должна отвечать следующим основным требованиям: модели должны легко извлекаться из пресс-форм, не разрушаясь; не должны саморазрушаться и деформироваться при хранении; должны обладать наилучшей смачиваемостью для образования первого слоя керамической формы; легко выплавляться из керамической формы, не разрушая ее и не прилипая к стенкам. Соблюдение этих требований позволяет получить литейную форму с заданной точностью и чистотой поверхности, что гарантирует получение качественной металлической детали и снижение литейного брака [3].

Однако разделительные смазки, как правило, представляют собой гидрофобные вещества, поэтому их остаточные количества на поверхности восковой модели отрицательно сказываются при нанесении на нее керамических суспензий на водной основе, поэтому восковые модели перед нанесением первого керамического слоя должны быть предварительно обработаны с целью повышения адгезии к суспензиям [4].

Исследование эффективности промывочных растворов

Одним из способов подготовки поверхности восковой модели перед покрытием керамической суспензией является протирка этиловым спиртом. Этот способ достаточно эффективен, однако трудоемок и не позволяет провести обработку поверхностей в скрытых полостях. Кроме того, всегда существует опасность нарушения геометрической формы модели, особенно в области острых углов, или перемычек. Технологически более обоснованным является способ выдержки модели в промывочном растворе с последующей отмывкой его с поверхности детали водой.

Отмывку нижней части воскового образца от разделительной смазки проводили, выдерживая его в растворителе в течение фиксированного времени - 2 или 5 мин, с последующей трехкратной промывкой поверх-

ности питьевой и дистиллированной водой. После просушки образца наносили шприцем на его мытую и немытую горизонтальные части поверхности по 6 калиброванных капель воды для определения краевых углов смачивания, которые вычисляли модифицированным способом по величине диаметра капель.

Необходимость модификации известного метода возникла в связи с тем, что капля воды, лежащая на поверхности воска, покрытого остатками смазки, из-за локальной анизотропии поверхности не имеет строго круговой симметрии, что не позволяет измерить ее диаметр. В то же время верхняя часть капли (купол) находится далеко от края и из-за высокого поверхностного натяжения воды имеет практически строго сферическую форму, кривизна которой связана с объемом и диаметром капли. При наблюдении через микроскоп освещенной поверхности воска под куполом капли можно заметить световое кольцо с четкими границами, проектирующееся на поверхность. Внешний диаметр кольца (2Ь, рис. 1) может быть измерен с высокой точностью, что позволяет рассчитать краевой угол 0 по выражению, приведенному ниже.

Все точки освещенной поверхности, находящиеся за пределами внешнего кольца, по законам геометрической оптики не попадают в апертуру микроскопа, что и обеспечивает четкость изображения светового кольца (рис. 2).

Диаметр этого кольца связан с кривизной поверхности капли. Следовательно, если смачиваемость хорошая, то капля растекается лучше, и световое кольцо будет больше. Аналогично и обратное: если смачиваемость плохая, капля не растекается, и световое кольцо будет меньше.

Рис. 1. Изображение светового кольца

ы м 360 • Ш Ь) =--ябШ

2п

>( Ь)(2Я( Ь) - И( Ь))) Я( Ь)

Рис. 2. Схематичное изображение направления лучей при прохождении пучка света через каплю

Обсуждение результатов и выводы

Как показывают экспериментальные данные, все способы промывки восковых моделей, даже протирка этиловым спиртом, оказывают слабое воздействие на краевой угол смачивания - в большинстве случаев он уменьшается незначительно, на 1°-3° (таблица). В ряде случаев смачиваемость ухудшается: угол смачивания незначительно увеличивается.

В среднем лучшие результаты по эффективности промывки продемонстрировал комбинированный водный растворитель, содержащий по 20 % соды и этилового спирта. Он может рассматриваться в качестве перспективного. Приемлемые результаты получились и для насыщенного раствора карбамида, который в отличие от содово-спиртового раствора не вносит остаточные гидроксил-ионы в суспензию при покрытии и не изменяет ее водородный показатель рН.

Изменение угла смачивания при обработке поверхностей различными растворителями

Способ обработки Разделительная смазка -касторка Разделительная смазка -силикон

ПСЭ A7-FR/60 ПСЭ A7-FR/60

Протирка спиртом -1,965 -3,657 -2,989 -2,409

В растворе 30%-ного спирта -0,098 -1,347 0,068 -0,172

В растворе 20%-ного карбонат натрия -7,429 -1,689 -0,398 -0,834

В растворе «спирт плюс карбонат натрия по 20 %» -да -1,642 -3,225 -0,12

1шо1 60 - смесь углеводородов (Англия) 0,18 0,882 -0,218 1,214

Яапс1епе - смесь углеводородов (США) -да -3,20 - -

В насыщенном растворе карбамида -0,545 -1,349 -0,461 -0,12

ТМС 2 % 0,391 0,414 - -

ТМС 5 % -3,571 1,99 -0,915 -1,272

Основываясь на результатах эксперимента в целом, можно признать актуальным поиск наиболее эффективных и экономически выгодных промывочных растворов.

Список литературы

1. Литье по выплавляемым моделям / В.Н. Иванов, С.А. Казеннов, Б.С. Кучман [и др.]; под общ. ред. Я.И. Шкленника, В.А. Озерова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - 408 с.

2. Черепахов Н. Требования к модельным составам для получения качественных отливок // Современное литье по выплавляемым моделям - пути повышения качества и снижения затрат: междунар. семинар. - М., 2013.

3. Огнеупорное производство: справ. / под общ. ред. Д.И. Гавриша. -М.: Металлургия, 1965. - 338 с.

4. Мартынов К.В., Емельянов В.О., Бречко А.А. Технология литья по выплавляемым моделям на водном связующем // Литейное производство сегодня и завтра: тез. докл. 6-й Всерос. науч.-практ. конф. - СПб., 2006.

References

1. Ivanov V.N., Kazennov S.A., Kuchman B.S. [et al.]. Lite po vyplavlyae-mym modelyam [Investment casting]. Moscow: Mashinostroenie, 1984. 408 p.

2. Cherepakhov N. Trebovaniya k modelnym sostavam dlya polucheniya kachestvennykh otlivok [Requirement to model compositions for producing quality ingots]. Mezhdunarodnyy seminar "Sovremennoe lite po vyplavlyaemym modelyam - puti povysheniya kachestva i snizheniya zatrat". Moscow, 2013.

3. Ogneupornoe proizvodstvo [Refractory manufacture]. Ed. by D.I. Gav-rish. Moscow: Metallurgiya, 1965. 338 p.

4. Martynov K.V., Emelyanov V.O., Brechko A.A. Tekhnologiya litya po vyplavlyaemym modelyam na vodnom svyazuyuschem [Investment casting technology using water binder]. Tezisy dokladov 6th Vseros. nauch.-prakt. konf. "Litey-noeproizvodstvo segodnya i zavtra". St-Petersburg, 2006.

Об авторах

Ордин Дмитрий Алексеевич (Пермь, Россия) - студент кафедры химических технологий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: rector@pstu.ru).

Мерзляков Константин Сергеевич (Пермь, Россия) - аспирант кафедры химических технологий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: cs_merzlyakov@list.ru).

Углев Николай Павлович (Пермь, Россия) - кандидат химических наук, доцент кафедры химических технологий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: Ouglev@mail.ru).

Пойлов Владимир Зотович (Пермь, Россия) - доктор технических наук, професшр, заведующий кафедрой химических технологий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: Vladimirpoilov@mail.ru).

About the authors

Dmitriy A. Ordin (Perm, Russian Federation) - student, department of chemical technology, Perm National Research Polytechnic University (Komsomol-sky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: rector@pstu.ru).

Konstantin S. Merzlyakov (Perm, Russian Federation) - graduate student, department of chemical technology, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: cs_merzlyakov@list.ru).

Nikolay P. Uglev (Perm, Russian Federation) - Ph.D. of chemical science, associate professor, department of chemical technology, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: Ouglev@mail.ru).

Vladimir Z. Poilov (Perm, Russian Federation) - doctor of technical scien-cies, professor, head of department of chemical technology, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: Vladimirpoilov@mail.ru).

Получено 09.07.2014

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.