CC BY
281
УДК 669-141
ПУТИ УМЕНЬШЕНИЯ БРАКА ЧУГУННОГО ЛИТЬЯ
И.П. Гладкий, к.т.н., проф., В.И. Мощенок, к.т.н., проф., Д.Б. Глушкова, к.т.н., доцент, В.П. Тарабанова, к.т.н., доцент,
ХНАДУ
Аннотация. Проведено исследование влияния связующих формовочных смесей на их физико-механические и технологические свойства. Предложен и обоснован оптимальный состав формовочной смеси.
Ключевые слова: газовые раковины, газотворность, газопроницаемость, физикомеханические свойства, алюмохромофосфатная связка.
Введение
Основным видом брака при получении отливок из чугуна являются газовые раковины в теле отливки. Такой вид брака составляет примерно 50%, а иногда и больше. Одним из главных факторов, влияющих на качество отливки, является состав формовочной смеси. Поэтому в данной работе проведен анализ свойств ряда формовочных смесей.
Состояние вопроса
Г азотворность и газопроницаемость
формовочной смеси являются одними из основных показателей качества формы. Эти свойства формы зависят от состава смеси, ее просушенности, свойств связующих добавок, температуры и количества металла, поступающего в единицу времени. Излишнее газовыделение в первый момент заливки форм металлом создает опасность образования газовых раковин внутри отливки, а излишнее выделение газа из формы при затвердевании металла повышает давление газа на металл, что способствует образованию более плотной структуры отливки. Недостаточно высушенные формы или стержни способствуют увеличению газовыделения за счет удаления воды или диструкции органических соединений. Чем выше значения газопроницаемости смеси, тем ниже газовое давление в форме. Снижению газового давления способствует низкая влажность формовочной смеси.
Чтобы предотвратить образование большого количества газов в момент заливки форм металлом, необходимо знать физико-химические характеристики как исходных материалов, так и приготовленных из них формовочных смесей.
Обычно источниками газов являются:
1. свободная влага формовочных и стержневых смесей;
2. кристаллизационная влага огнеупорной глины, бентонитов и др. кристаллогидратов;
3. наличие карбонатов в смеси;
4. воздух, вытесняемый металлом из заполняемых полостей формы, а также захватываемый струей металла при заливке;
5. выгорание органики в связующих материалах;
6. газы, образующиеся при химическом
взаимодействии металла с формой
Цель и постановка задачи
В связи с вышеизложенным первостепенное значение имеет не только определение
газотворности, но и кинетики газовыделения во всем интервале температур нагрева формы от поверхности соприкосновения формы с металлом и в глубь толщины стенки последней.
Целью данной работы является корректировка состава формовочной смеси, направленная на уменьшение газовых раковин в чугунных отливках.
При подходе к выбору состава формовочной смеси следует учитывать ряд важных факторов. К таким факторам следует отнести тепловое взаимодействие металла и формы, газовый режим формы, химические явления, происходящие на поверхности раздела металл-форма. Большое значение для выбора оптимального состава формовочной смеси имеет правильный подбор связующих материалов, предназначенных для соединения зерен смеси. Следует учитывать адгезионную способность соседствующих фаз, которая зависит от строения молекул. Поэтому
необходимо выяснить, как ведут себя водорастворимые и нерастворимые связующие сами по себе и в сочетании друг с другом.
Методика и результаты исследования
Недостаточно высушенные формы или стержни способствуют увеличению газовыделения за счет удаления воды или диструкции органических соединений. При этом в форме создается большое давление газов. На рис. 1 а,б,в представлены результаты измерения давления в стенах песчаных форм при отливке чугунных плит, когда одновременно меняются значения газопроницаемости и влажности смеси. На рис. 1а сравнивается давление в нижней части открытой формы на расстоянии от поверхности отливки в условиях плотной набивки и повышенной влажности.
т
с
.д
о
в
300.-----------
200| ^^"1-
300
100
2 4 6 8 10 12 1
Время, мин 4
Рис. 1. Давление в порах стенок форм:
а - чугунная отливка, открытая форма: 1 -10мм от поверхности, плотная набивка, высокая влажность; 2 - слабая набивка, низкая влажность; б - чугунная отливка, закрытая форма: 1 - 10мм от поверхности; 2 - открытый вентиляционный кран; в -чугунная отливка, закрытая форма: 1 -плотно набитая и переувлажненная часть формы; 2 - слабо набитая часть формы.
300мм водяного столба. В металле наблюдалось "кипение" и отливка имела газовые раковины. Во втором случае газовые раковины в отливке отсутствовали.
На рис. 1в показаны результаты измерения давления в верхней половине формы в переуплотненной и переувлажненной части (кривая 1) и в нормально набитой части (кривая 2). На рис. 1б показано давление на расстоянии 10 мм от поверхности формы (кривая 1) и в канале, открытом в полость формы, в глубине которого установлен конец измерительной трубки, в условиях закрытой формы (кривая 2). Опыты показали, что к концу заливки металла давление газа возрастает.
Чем выше значения газопроницаемости смеси, тем ниже газовое давление в форме. Снижению газового давления способствует низкая влажность формовочной смеси. Чтобы предотвратить образование большого количества газов в момент заливки форм металлом, необходимо знать физико-механические характеристики
формовочных смесей.
Были исследованы несколько типов формовочных смесей для изготовления форм при производстве чугунных отливок и сопоставлены их значения с заводской смесью, применяемой на Сумском заводе «Центролит». При этом часть связующих растворима в воде, а другая часть связующих не растворима в воде. Этот вопрос имеет значение в связи с тем, что следует учитывать адгезионную способность
соседствующих фаз и адгезию, которая представляет собой работу, затрачиваемую для разъединения частиц разнородных фаз по границе раздела. Так, особо высокой адгезией к воде, являющейся основным растворителем
связующих, обладают группы СООН и ОН , а минимальной - углеводородные цепочки с группами СН2. Состав и физико-механические свойства исследуемых смесей приведены в таблицах 1 и 2. Из каждой смеси для определения какого-либо показателя изготавливалось по пять образцов и результаты усреднялись.
В первом случае давление поднялось свыше
Таблица 1 Состав формовочных смесей
2 4 6
8
200
Состав смесей, %
№ Обозначение смесей Песок кварцевый Бентонит Лингосульфонат (плотность 1270 кг/м3)(водный) Крепитель КО (нерастворим) Алюмохромофосфатная связка (АХФС) плотность 1300 кг/м3 (водный) Окись железа (черная) Вода
1 Заводская смесь С17 92,0 2,0 4,0 2,0 — — —
2 Смесь №1 93,0 2,0 5,0 — — — —
3 Смесь №2 93,0 2,0 — 5,0 — — —
4 Смесь №3 92,0 2,0 3,0 3,0 — — —
5 Смесь №4 92,0 — 4,0 4,0 — — —
6 Смесь №5 93,0 — — — 4,0 1,0 2,0
Таблица 2 Физико-механические свойства формовочных смесей
№ Обозначения смесей Физико-механические свойства формовочных смесей
Влажность, % Сырая прочность, МПа Прочность образцов на разрыв, высушенных при температуре 180°С, МПа Г азопроницаемость
1 Заводская смесь С17 3 0,8 80 120
2 Смесь №1 3,5 0,9 120 125
3 Смесь №2 3,2 1 100 110
4 Смесь №3 2,9 0,75 78 120
5 Смесь №4 4,0 1,2 105 137
6 Смесь №5 4,3 0,6 150 170
Результаты эксперимента показали, что после сушки прочность почти всех образцов возрастает где-то в среднем в 100 раз (табл. 2). При этом по своим показателям выделяется смесь №5 на алюмохромофосфатной связке (АХФС), прочность которой отличается высокими значениями. Но самое главное в смеси №5 -самая большая газопроницаемость и составляет 170 ед., в то время, как газопроницаемость образцов на лингосульфонате и крепителе КО составляет 110-130 ед.
Прочность образцов, изготовленных из смесей с комбинированными связующими (бентонит, лингосульфонат и крепителе КО) ниже, чем смеси на алюмохромофосфатной связке и составляет 80 МПа (заводская смесь С17) и 78 МПа (смесь №3). Прочность образцов, изготовленных из смеси на основе бентонита и крепителя КО (смесь №2) и лингосульфоната и крепителя КО (смесь №4) находится примерно в одинаковых пределах - 100 - 105 МПа, однако их осыпаемость после сушки значительно больше по сравнению с другими образцами.
Таким образом из исследуемых образцов наилучшие показатели прочности и газопроницаемости наблюдаются у алюмохромо-фосфатной связки. Это послужило отправной точкой для более детального изучения связки АХФС. Исследования показали, что с увеличением температуры до 1000°С из АХФС
продолжает удаляться газовая фаза. Это говорит о том, что смесь на основе АХФС выделяет газовую фазу именно в период начальной стадии кристаллизации металла, что способствует уплотнению отливки.
Известно, что газотворность смеси является одним из основных показателей качества форм и связана со способностью смеси выделять определенный объем газов при их нагревании. После заливки металл с поверхностью формы вступает в сложное химическое взаимодействие, в результате которого образуются газы. Эти газы, в особенности водород, могут частично растворяться в металле или способствовать образованию газовых раковин в отливках. Если газотворность при заливке форм металлом в начальной стадии превышает ее при кристаллизации металла, то газовые раковины будут располагаться в теле отливок. Если газотворность формы возрастает во время кристаллизации металла, то газовые раковины, как правило, отсутствуют.
О газотворной способности исследуемых формовочных смесей в данной работе судили по потере веса смесей. Были взяты две пробы по 20 г (смесь заводская С17 и смесь на АХФС (№5)). Пробы высушили при температуре 200°С, а затем определили потерю веса в результате нагрева при температурах 200°С, 400°С, 600°С, 800°С, 1000°С. Полученные результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3 Потеря веса формовочных смесей при нагреве
№ Результаты взвешивания смесей, г
п/п Температура нагрева, С Заводская смесь С17 Смесь №5 на АХФС
1 200 1,0 0,1
2 400 0,75 0,5
3 600 0,30 1,2
4 800 0,15 1,75
5 1000 0,00 2,1
По полученным результатам построены графики, отражающие кинетику газовыделения исследуемых смесей (рис. 2).
Тнагрева, °С
Рис. 2 Зависимость потери в весе формовочной смеси от температуры нагрева кривая 1 - заводская смесь С17 кривая 2 - смесь №5 на АХФС
Данные потери веса при обжиге смесей можно идентифицировать как газотворность, которая зависит от природы связующего.
Заводская смесь С17 приготовлена на основе органических связующих (лингосульфоната и крепителя КО) с 2% бентонита. Деструкция органических связующих в основном завершается до 200°С, а при более высоких температурах выгорают уже продукты их деструкции.
Опытная же смесь на АХФС (№5) максимума потери веса достигает при температуре 1000°С, то есть в период кристаллизации металла.
Преимущества с точки зрения газотворности формовочной смеси №5 по сравнению с заводской обусловлены тем, что в заводской смеси при 600°С практически прекращается выделение газов и это ведет к появлению газовых раковин в теле отливки. В случае же с формовочной смесью №5 с повышением температуры возрастает потеря веса, и это должно уменьшить вероятность образования газовых раковин в теле отливки.
Выводы
1. Одновременное введение в формовочную
смесь водорастворимых и нерастворимых связующих снижает прочность смеси с 120 МПа до 78.. .80 МПа.
2. Замена органических связующих на
неорганическое фосфатное связующее способствует повышению качества
формовочной смеси: увеличивается
прочность до 150 МПа, газопроницаемость
возрастает с 120 - 137 ед. до 170 ед., что в свою очередь обеспечивает удаление из формы значительного количество газовой составляющей и естественно уменьшает брак литых деталей по газовым раковинам.
3. Увеличение газовой составляющей формы при
температуре 1000°С с 0,1 (при температуре 200°С) до 2,1 г на 20 г смеси повышает давление формы на начальной стадии кристаллизации металла отливки, что
приводит к удалению из металла газовых пузырьков, а значит и повышению качества отливки.
Литература
1. Степанов Ю.А., Семенов В.И. Формовочные материалы. -М.: Машиностроение, 1998.215с.
2. Святкин Б.К. Прессование литейных форм под Рецензент: А.Ж Пятак, к.т.н.
давлением. - М.: Машгиз, 2001.-156с
Статья поступила в редакцию 1 июня 2006 г.
ШЛЯХИ ЗМЕНЬШЕННЯ БРАКУ ЧАВУННОГО ЛИТВА
1.П. Гладкий, к.т.н., проф., В.1. Мощенок, к.т.н., проф., Д.Б. Глушкова, к.т.н., доцент, В.П. Тарабанова, к.т.н., доцент,
ХНАДУ
Анотацш. Проведено до^дження впливу зв’язуючих формувальног сумш на и фiзико-механiчнi i технологiчнi властивостi. Запропоновано i обтрунтовано оптимальний склад формувальног сумiшi.
WAYS OF DECREASING OF SPOILAGE OF PIG IRON’S CASTINGS
I.P. Gladky, W.I. Moshenok, D.B. Glushkova, W.P. Tarabanova
Resume. It is reseached the influence of bindigs of moulding sand on the physical-mechanical and technological properties. It is proposed and based the optimilical composition of moulding sand/
