CC BY
53
УДК 621.74
ПЛАКИРОВАННЫЕ ОБСЫПКИ В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина,
A.C. Варламов, М.В. Судариков
Метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) обеспечивает решение важнейшей технологической задачи - изготовление из любых литейных сплавов точных тонкостенных отливок сложной конфигурации. Основным фактором, сдерживающим возможность роста производительности этого прогрессивного способа литья, является длительный цикл формообразования, вызванный необходимостью промежуточной сушки каждого из последовательно наносимых слоев керамического покрытия. Несоблюдение технологической продолжительности сушки приводит к браку форм и отливок, обусловленному отслоением покрытия при нанесении последующих слоев суспензии.
Известно, что период сушки керамического покрытия необходим для формирования его предварительного упрочнения. При использовании суспензии на этилсиликатном (ЭТС) связующем такое упрочнение возникает вследствие гелеобразования ЭТС-связующего. Ускоряющие этот процесс известные способы химического затвердевания слоев -воздушно-аммиачная сушка, попеременное нанесение этилсиликатных и жидкостекольных слоев керамического покрытия, окунание формируемого слоя оболочки в растворы щелочей [1], аммониевого октана, нейтрализованного октовой кислотой [2], сокращают по сравнению с воздушной сушкой цикл формообразования в 1,5...2 раза. Однако, являясь поверхностно-упрочняющими, эти способы вызывают неравномерное огеливание ЭТС-связующего в слое покрытия, приводящее к усадочным напряжениям и образованию микротрещин в пленке связующего, что значительно снижает потенциальную прочность керамической формы. Поэтому проблема ускоренного изготовления керамических форм с повышенными физико-механическими свойствами актуальна.
Ее решение в разработанной технологии достигается путем плакирования зернистых материалов катализаторами гелеобразования ЭТС-связующего и использования плакированных зернистых материалов (ПЗМ) в качестве обсыпки слоев керамического покрытия.
Учитывая указанное функциональное назначение ПЗМ, процесс их получения должен отвечать следующим требованиям:
- обеспечивать высокую степень равномерности распределения гелеобразующих веществ на частицах зернистого материала (ЗМ) и отсутствие его комкования;
- вызывать необходимую адгезию к частицам ЗМ гелеобразующих веществ, исключающую их отслоение при обсыпке слоев керамического покрытия в кипящем слое ПЗМ;
-быть скоростным, относительно простым и дешевым.
Существующие способы плакирования ЗМ, применяемые при литье в оболочковые формы на синтетических смолах, не в полной мере отвечают приведенным требованиям и поэтому не обеспечивают необходимое для обсыпки слоев керамического покрытия качества ПЗМ.
В связи с этим разработан принципиально новый способ получения химически плакированных зернистых материалов. Путем впрыскивания в кипящий слой ЗМ аэрозоля предварительно подготовленной плакирующей смеси (ПС) достигаются ее ускоренное равномерное распределение и последующее затвердевание на зернах обрабатываемого материала, обеспечивающее ее необходимую адгезию к частицам ЗМ. В качестве ЗМ могут быть использованы шлифзерно электрокорунда № 16-80; сеяный шамот зернистостью 0,25... 1 мм; кварцевый песок марок 1К1О2О2,2К|0202, П^ОгОЗ, 2К1О2ОЗ и др.
Основные параметры разработанного способа представлены в табл. 1.
Сущность процесса плакирования ЗМ в кипящем слое состоит в следующем. Равномерно увлажненные впрыскиванием аэрозоля ПС зерна верхних слоев кипящего слоя, как более тяжелые, мигрируют в нижние слои, а на их место перемещаются более легкие, неплакированные частицы ЗМ, которые подвергаются воздействию очередной порции аэрозоля. Процесс циклически повторяется, обеспечивая в отличие от обычных способов более высокую степень равномерности плакирования ЗМ при меньшем расходе ПС вследствие следующих факторов:
- увеличение поверхности контакта ПС с частицами ЗМ в результате ее подачи в виде аэрозоля;
-отсутствие между частицами ЗМ в псевдо-ожиженом состоянии «раздавливающих» нагрузок, приводящих к отслоению пленки ПС;
- совершение каждой обработанной аэрозо-лью ПС частицей ЗМ в псевдоожиженом состоянии колебательных и вращательных движений, обеспечивающих равномерное растекание ПС по всей поверхности частицы ЗМ.
Для изучения структуры ПЗМ использовали электронный растровый низковакуумный микроскоп ГСОЬ1ЯМ 6460ЬУ с волновым анализатором.
Основные параметры разработанного способа получения ПЗМ
Наименование параметра Значение параметра
1. Состав ПС Водный раствор жидкого стекла (плотность 1,5.. .1,25 г/см3, модуль 2,6... 3,0) и феррохромовый шлак в соотношении (2.. .3): 1 по массе
2. Количество ПС к массе ЗМ, % 1...4
3. Удельная скорость впрыскивания ПС на 1 м2 поверхности частиц ЗМ, кг/с (З...5)10_6
4. Время впрыскивания ПС, мин 10...15
5. Продолжительность затвердевания ПС, мин 25...40
На рис. 1 представлены микроструктура плакированного кварцевого песка с увеличением в 100 и 350 раз и результаты спектрального анализа, проведенного для участков 1 и 2. Последние показали, что после плакирования частицы зернистого материала покрыты тонким слоем жидкого стекла с заполнением «впадин» частицами феррохромового шлака, а также продуктами взаимодействия компонентов плакирующей смеси. Плакирование исключает вредное влияние глинистой составляющей кварцевого песка и обеспечивает требуемую адгезию гелеобра-зователя к частицам обсыпочного материала.
Спектр Количество элемента, мас.%
О Ыа А1 81 К Са Ре
1 46,95 2,09 3,40 44,78 0,51 0,48 1,79
2 46,74 2,06 2,44 15,21 - 32,07 1,48
б)
Рис. 1. Микроструктура (а) и результаты спектрального анализа (б) ПЗМ
Получаемые разработанным способом ПЗМ использовались для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям. При этом оценивались и сравнивались с базовым физико-механические свойства данных форм, а также исследовалась кинетика затвердевания слоев керамического покрытия.
В табл. 2 приведены результаты исследования физико-механических свойств керамических образцов, а на рис. 2 - фотографии микроструктур их поверхности. При этом в качестве обсыпки использовали обычный кварцевый песок марки 2К1О2ОЗ (рис. 2, а) и песок, плакированный согласно разработанному способу получения ПЗМ 3% ПС (рис. 2, б). В обоих вариантах использовалась одна и та же суспензия на ГРЭТС-40 и пылевидном кварце. Гидролиз ЭТС-40 проводили раздельным способом на содержание 8Ю2 20 мас.% с применением растворителя - этилового спирта. Вязкость суспензии по ВЗ-4 составила 80 с для первого слоя и 70 с для последующих слоев покрытия.
Анализ полученных результатов показывает сокращение более чем в 2,5 раза цикла изготовления и повышение в 1,5 раза прочности керамических форм, изготовленных с применением ПЗМ. При этом на уровне микроструктуры у таких форм четко фиксируется процесс взаимодействия плакированной обсыпки с компонентами керамического покрытия на стадии формообразования.
Наблюдаемое улучшение физико-механических свойств керамических форм может быть объяснено следующим механизмом ускоренного упрочняющего действия ПЗМ на слои ЭТС-суспензии. При плакировании частиц ЗМ, например кварцевого песка, смесью жидкого стекла и феррохромового шлака на них протекают известные процессы образования геля кремниевой кислоты и щелочных продуктов.
Применение в качестве обсыпочного материала ПЗМ такой структуры приводит к взаимодействию его плакирующего слоя с ЭТС-связующим керамического покрытия. В результате взаимодействия входящие в состав плакирующего слоя зернистой обсыпки щелочные продукты, обладающие коагулирующим действием к ГРЭ, вызывают ускоренное, одновременное возникновение огромного числа центров гелеобразования
Знаменский Л.Г., Ивочкина О.В., Варламов A.C., Судариков М.В.
Плакированные обсыпки в литье по выплавляемым моделям
Таблица 2
Сравнительные показатели технологий
Наименование показателей Варианты технологий
базовая разработанная
1. Продолжительность сушки каждого слоя покрытия, ч 3,5...4,0 1,0...1,5
2. Общее время сушки 4-слойной формы, ч 16 6
3. Прочность образцов при изгибе, МПа: в холодном состоянии 3,2 4,8
в горячем состоянии при 900 °С 4,5 6,2
а) б)
Рис. 2. Микроструктура поверхности керамических форм с применением обсыпки: а -песок марки 2К1О2ОЗ; б - песок марки 2К1О2ОЗ, плакированный 4 % ПС
(ЦТ) ГРЭ. Причем ЦТ в отличие от существующих способов затвердевания слоев ЭТС-суспензии:
- формируются на готовой гель-подложке зернистой обсыпки, что обеспечивает более упорядоченное строение конденсирующегося из ЭТС-связующего геля кремниевой кислоты;
- возникают во всем объеме слоя ЭТС-суспензии, образуя объемно-замкнутую, каркасную структуру. Такая структура формирует необходимую прочность слоя задолго до его полного затвердевания, а также создает условия для более равномерного огеливания ЭТС-связующего в слое покрытия и релаксации возникающих при этом усадочных напряжений.
В результате появляется возможность ускоренно наносить слои ЭТС-суспензии без «потерь» потенциальной прочности изготавливаемой керамической формы.
Для оценки влияния ПЗМ на продолжительность затвердевания слоев ЭТС-суспензии исследовалась кинетика этого процесса. Использовалась установка, схема которой представлена на рис. 3.
С целью моделирования технологии изготовления керамической формы в емкость, выполненную из модельного состава (МВС-15), с установленными на ее боковых поверхностях электродах заливали суспензию, давали стек и осуществляли обсыпку получаемого керамического покрытия исследуемыми ПЗМ или обычной обсыпкой. Емкость с нанесенным слоем суспензии помещали в эксикатор с водой для поддержания постоянной влажности и температуры.
Рис. 3. Схема установки для исследования кинетики затвердевания слоев керамического покрытия: 1 -эксикатор; 2 - вода; 3 - сетка; 4 - никелевые электроды; 5 - емкость из модельного состава; 6 - соединительные провода; 7 - источник постоянного тока ВСП-33; 8 - сопротивление; 9 - потенциометр КСП-4
Учитывая, что процесс затвердевания керамического покрытия сопровождается изменением его электрических параметров, степень затвердевания нанесенного слоя определялась по формуле
U -U.
^•100%,
ия-и„
где С/н - начальное падение напряжения на резисторе, соответствующее моменту нанесения слоя; их - падение напряжения на резисторе в отсчитываемый момент времени; £/„ - установившееся
постоянное падение напряжения на резисторе, соответствующее полному затвердеванию слоя.
Значения ии , ит, £/„ определялись на основе снимаемой на потенциометре КСП-4 зависимости ик=/{т).
Продолжительность затдердебания слоя, ч
Рис. 4. Влияние вида обсыпки на кинетику затвердевания слоев ЭТС - суспензии: 1 - песок марки 2К1О2ОЗ; 2, 3,4 - плакированный песок марки 2К1О2ОЗ; 2 -1 % ПС, 3 - 2 % ПС, 4 - 4 % ПС
Приведенные на рис. 4 кинетические зависимости дают возможность определить технологически необходимую продолжительность затвердения огнеупорных слоев керамической формы (т„), при котором происходит формирование прочности слоя, достаточной для нанесения последующих слоев керамического покрытия без отслоения и сравнить значения данного параметра тн для вариантов использования ПЗМ и обычной обсыпки.
Таким образом, разработанная технология позволяет значительно улучшить качество керамических форм и существенно сократить цикл формообразования и повысить производительность ЛВМ.
В настоящее время проводятся работы по изысканию новых плакирующих реагентов с целью комплексного улучшения технологических свойств керамических форм на различных связующих материалах.
Литература
1. Литье по выплавляемым моделям / под ред. Я.И. Шкленнта и В.А. Озерова. - 3-е изд., пере-раб. и доп. — М.: Машиностроение, 1984. - 408 с.
2. Производство точных отливок / И. Дош-карж, Я. Габриель, М. Гоушть, М. Павелка. - М.: Машиностроение, 1979. —296 с.
