Влияние динамического модуля на термостойкость керамических оболочек в ЛВМ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

г^г: гг г^тгг а ггтгггг; /q1

-3 (67),2012 / Wl

Influence of the dynamic module on heat resistance of ceramic shells in casting under dispensable patterns is shown.

С. А. НИКИФОРОВ, Южно-уральский государственный университет

УДК 621.74

влияние динамического модуля на термостойкость керамических оболочек в лвм

Повышение термостойкости оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) является важной проблемой в повышении качества литья и снижения его себестоимости. Высокая термостойкость оболочковых форм позволяет проводить их прокалку и заливку металлом без использования опорного наполнителя, что обеспечивает повышение производительности производства за счет сокращения продолжительности прокаливания, уменьшение расхода тепловой или электрической энергии, сокращение брака отливок по просечкам металла, керамическим включениям, поверхностным ужиминам и другим дефектам.

Известно [1], что единые и комбинированные оболочковые формы с использованием как жидко-стекольных, так и этилсиликатных покрытий на основе обычного пылевидного кварца характеризуются сравнительно низкой термостойкостью. Замена пылевидного кварца на другие более термостойкие, но более дорогие наполнители, такие, как корунд, прозрачное (ПКС) и непрозрачное (НКС) кварцевые стекла, обычно приводят к увеличению себестоимости литья и не всегда гарантируют достижение высокой термостойкости оболочковых форм. Это связано с тем, что на термостойкость оболочковых форм оказывают влияние не только термические расширения материала наполнителя, но и термомеханические изменения, протекающие в связующих материалах в процессе изменения температур при прокаливании и заливке.

Исследования показали, что термомеханические свойства керамики с одинаковым огнеупорным наполнителем, например с пылевидным кварцем, но на разных исходных связующих материалах, например на основе жидкого стекла (ЖС) и гидролизованного этилсиликата (ГРЭТС), значительно отличаются.

Сравнение свойств выбранных типов связующих материалов проводили по изменению модулей упругости и сдвига в керамических образцах динамически резонансным методом при циклическом изменении температур нагрева и охлаждения, которые в определенной мере отражают термостойкость керамики в процессе прокаливания оболочковых форм.

Определение характеристик упругости керамики проводили на лабораторной установке мод. ИЧЗ-3410 (измеритель частоты и затухания). На установке можно определять упругие характеристики цилиндрических образцов из исследуемых материалов при введении их в частотные колебания разной формы: продольные, крутильные, изгибные. Испытания показали, что для исследуемых силикатных типов керамики наиболее удобно применять продольные колебания стержней резонансным методом.

Установлено, что после воздушной сушки образцы, сформированные из суспензий на ГРЭТС, имели динамический модуль упругости примерно на 20% больше, чем образцы, сформированные из жидкостекольных суспензий. Однако при нагреве образцов до температур около 800 °С упругие свойства материалов керамики резко изменились. Динамический модуль упругости у образцов на основе ГРЭТС увеличился по сравнению с исходной его величиной до нагрева примерно на 18%, а у образцов из жидкостекольных суспензий он уменьшился почти на 30%.

С увеличением продолжительности выдержки образцов при температуре 800 °С показатели динамического модуля упругости и сдвига заметно возрастают у этилсиликатных слоев оболочек примерно еще на 12%, а у жидкостекольных слоев эти показатели сначала уменьшаются почти до нуля,

09 / /¡гтге г: глгт(т/7/7ггггггггт

3 (67), 2012-

но затем несколько увеличиваются при выдержке времени нагрева более 1 ч.

Установлено, что при снижении температуры образцов после предварительной выдержки их при высоких температурах упругие свойства материалов керамики снова существенно изменяются. Если динамический модуль этилсиликатных слоев керамики при снижении температуры с 800 до 600 °С уменьшился почти на 60%, то у жидкостекольных слоев керамики он увеличился почти в 10 раз.

Полученные результаты показали, что изменения упругих свойств керамики как на основе ГРЭТС, так и на основе жидкого стекла в целом неблагоприятны для служебных свойств оболочек.

Изменения упругих свойств материалов керамики при циклических изменениях температур в процессе прокаливания и заливки форм в определенной мере характеризуют термостойкость оболочек. Полученные результаты во многом подтвердили многочисленные литературные сведения о низкой термостойкости как этилсиликатных, так и жидкостекольных материалов керамики.

С целью повышения термостойкости керамических форм проверили влияние различных добавок в составе огнеупорных суспензий. Добавки по химической природе разделили на три группы: кислые, нейтральные и основные. В качестве кислых добавок проверили аэросил кремнеземистый, мелкодисперсные отсевы вспученного перлита, пирогенный микрокремнезем (ПМК), из нейтральных материалов - добавки микропорошков корунда в виде циклонной пыли, образующейся в системах газоочистки абразивного производства, пыль газоочистки, образующаяся при обжиге глин шамотного производства. В качестве основных материалов проверили углекислые соли кальция и магния в виде пылевидных отходов в системах газоочистки, образующихся при дроблении магнезита и известняка.

Установлено, что термостойкость силикатных связок, сформированных как на основе ГРЭТС, так и на основе жидкого стекла, значительно увеличивается при использовании в составах суспензий пирогенного микрокремнезема и пирогенного алю-мосиликатного порошка.

Наилучшие результаты при исследовании динамического модуля упругости керамических материалов получены при использовании пирогенно-го микрокремнезема (ПМК). Микрокремнезем марки ПМК-85 поставляется фирмой ООО «ЭКОС», который представляет собой мелкодисперсный порошок с преобладающим размером частиц около 0,001 мкм. Особенность ПМК состоит в том, что он содержит часть соединения кремнезема в виде «коусита» ^Ю), который при прокаливании сили-

катной керамики способствует погашению напряжений, как в самой силикатной связке, так и в огнеупорном кварцевом наполнителе. Другой особенностью ПМК является то, что он содержит до 5% моносиликата кальция, который способствует упрочнению этилсиликатной связки при формировании оболочек в процессе воздушной сушки.

Опыт работы на Курганском машиностроительном заводе «КМЗ» показал, что добавка ПМК в огнеупорные суспензии на основе ГРЭТС около 8-10% обеспечивает повышение прочности оболочек после воздушной сушки на 30-50%. При этом при циклических сменах температур в процессе прокаливания и заливки оболочек термостойкость их повышается почти на 40%. Это связано с тем, что при нагреве оболочек модуль упругости этил-силикатной керамики стабилизируется и практически не меняется при циклической смене температур.

Повышение термостойкости оболочек на основе ГРЭТС за счет добавок ПМК позволяет применить технологию прокалки и заливки оболочек без использования опорного наполнителя.

Особый интерес для практики представляет применение ПМК в жидкостекольных покрытиях при формировании как единых, так и комбинированных оболочковых форм. Анализ показал, что добавка ПМК в жидкостекольное связующее увеличивает его силикатный модуль. При этом связующие свойства жидкого стекла улучшаются при прочих равных условиях. Это связано с тем, что ПМК активно взаимодействует с водными растворами с образованием коллоидного кремнезема. Причем содержащийся в ПМК коусит при взаимодействии с жидким стеклом способствует увеличению плотности электрического заряда мицелл коллоидного кремнезема и, тем самым, повышает связующие свойства жидкого стекла. Поэтому ПМК может быть использован как модификатор стандартного жидкого стекла не только для ЛВМ, но и для формовочных и стержневых жидкостеколь-ных смесей.

Вместе с тем, установлено, что добавка ПМК значительно повышает огнеупорность и термостойкость жидкостекольной керамики. Расчеты показали [2], что добавками ПМК можно увеличить силикатный модуль жидкостекольной керамики до 4,5-5,0 ед.

Согласно диаграмме состояния №2О^Ю2 [3], при добавлении в жидкостекольную суспензию ПМК в количестве до 10% огнеупорность керамики увеличивается почти до 1300 °С и выше, что позволяет повысить динамический модуль упругости жидкостекольных слоев оболочек и исключить их пластическую деформацию в процессе прокалива-

ния, имеющую место при использовании в качестве связующего обычного жидкого стекла.

Более подробные сведения о составе модификаторов жидкого стекла, а также этилсиликатов

глгтт:Г: г: гсдтгпте / оо

-3 (67), 2012/ VII

и технологиях литья по выплавляемым моделям можно получить на сайте Челябинского предприятия ООО «ЭКОС»: www.uralvim.ru или по тел. (351) 280-46-13 и эл. почте: [email protected].

Литература

1. К у л а к о в Б. А., Н и к и ф о р о в С. А., Ф р о л о в а Н. Ю. Пути повышения термической стойкости оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям // Вопросы теории и технологии литейных процессов: сб. науч. тр.: Челябинск, ЧГТУ, 1996 .

2 . Н и к и ф о р о в С. А. Химическое модифицирование жидкого стекла для получения высококремнеземистого литейного связующего. Челябинск: ЮУрГУ, 1999. 24 с. Деп. в ВИНИТИ, № 2811-В99.

3 . Физическая химия силикатов: Учеб. для студентов вузов / Под. ред. А. А. Пащенко. М.: Высш. шк., 1986.