Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задачи .9
1.1. Проблема утилизации алюминийсодержащих шлаков различного происхождения 9
1.2. Современное состояние технологий изготовления керамических оболочек для ЛВМ
1.3. Управление качеством отливок из алюминиевых сплавов 26
1.4. Цель и задачи исследования .32
ГЛАВА 2. Методика исследования
2.1. Общая методика исследования. Основное оборудование и шихтовые материалы 34
2.2. Разработка конструкции и изготовление лабораторных установок для удаления водорастворимой составляющей из алюминийсодержащего шлака и формирования керамического покрытия в псевдокипящем слое 45
ГЛАВА 3. Исследование процессов формирования керамической оболочки с использованием продуктов переработки алюминийсодержащих шлаков различного происхождения 49
3.1. Исследование фракционного и химического состава алюминийсодержащих шлаков различного происхождения и разработка технологий их рециклирования .49
3.2 Исследование влияния добавок вторичного огнеупорного материала на качество керамических оболочек .63
3.3. Теоретическое обоснование применения продуктов переработки алюминийсодержащих шлаков для ЛВМ отливок из алюминиевых сплавов 73
Выводы по главе 3 77
ГЛАВА 4. Исследование влияния параметров обработки расплавов на качество опытных отливок из алюминиевых сплавов . 79
4.1. Влияние вторичного флюса на структуру и свойства сплава АК9ч 79
4.2. Влияние МКМ на структуру и свойства опытных отливок из сплава АК9ч .83
Выводы по главе 4 .90
ГЛАВА 5. Разработка технологии получения отливок ответственного назначения из сплава ак9ч способом лвм. опытно-промышленная апробация результатов исследования .92
5.1. Анализ серийной технологии получения кокильной отливки «Крыльчатка» 92
5.2. Моделирование процессов получения отливки по серийной и опытной технологиям
5.3. Опытно-промышленное опробование разработанной технологии .104
5.4. Расчет ожидаемого экономического эффекта .111
5.5. Оценка экологичности внедрения технологии применения вторичных огнеупорно материала (ВтОМ) и флюса (ВФ) .115
Выводы по главе 5 .116
Заключение общие выводы по работе 117
Библиографический список
- Современное состояние технологий изготовления керамических оболочек для ЛВМ
- Разработка конструкции и изготовление лабораторных установок для удаления водорастворимой составляющей из алюминийсодержащего шлака и формирования керамического покрытия в псевдокипящем слое
- Исследование влияния добавок вторичного огнеупорного материала на качество керамических оболочек
- Влияние МКМ на структуру и свойства опытных отливок из сплава АК9ч
Введение к работе
Актуальность работы
Наиболее перспективными отраслями, потребляющими литую продукцию, являются, прежде всего, автомобиле-, авиа- и ракетостроение. Рынок услуг и продукции этих отраслей является одним из крупнейших в мире и постоянно растет. При этом отмечается неуклонный рост потребления литых изделий из сплавов на основе алюминия и, в частности, из сплавов системы Al-Si.
К отливкам из алюминиевых сплавов аэрокосмического назначения предъявляется комплекс повышенных требований по обеспечению геометрической точности, параметрам структуры и гарантированному запасу физико-механических свойств.
В связи с этим, актуальными становятся задачи по разработке комплексных технологий, направленных на обеспечение вышеуказанных требований с одновременным снижением себестоимости литых изделий из силуминов за счет использования рецик-лируемых продуктов различного происхождения, снижения металлоемкости литнико-во-питающих систем, повышения коэффициента использования металла и снижения брака по металлургическим и литейным дефектам.
Работа выполнена в рамках реализации Государственных программ Самарской области «Инновационное развитие предприятий машиностроительного комплекса Самарской области до 2020 г.» Раздел «Металлургическое производство», «Ликвидация накопленного экономического ущерба и рекультивация бывших промышленных площадок на территории Самарской области до 2019 г.» и планом мероприятий ОАО «КУЗНЕЦОВ» №ПМ-03-УГМет-2012 «Повышение выхода годного литья в литейных цехах металлургического производства» п. 5.16.
Основная часть исследований и экспериментов выполнена на базе «Центра литейных технологий» (ЦЛТ) и Центра коллективного пользования «Исследование физико-химических свойств веществ и материалов» ФГБОУ ВО СамГТУ, а также в Центральной заводской лаборатории ОАО «КУЗНЕЦОВ».
Целью работы является повышение качества и эффективности производства алюминиевых отливок аэрокосмического назначения за счет замены литья в кокиль на литье по выплавляемым моделям с использованием продуктов рециклинга алюминий-содержащих шлаков при изготовлении керамических оболочек и подготовки расплавов к литью.
Для достижения поставленной цели в работе решали следующие основные задачи:
-
Исследовать составы алюминий содержащих шлаков в зависимости от происхождения и предложить технологию их рециклинга для получения вторичных флюсов (ВФ) и огнеупорных материалов (ВтОМ).
-
Разработать опытную установку для сепарации шлаков на водорастворимые и водонерастворимые составляющие, а также установку пескосыпа псевдокипя-щего слоя для изготовления керамических оболочек с использованием ВтОМ.
-
Исследовать влияние ВтОМ на качество керамических оболочек и отливок при литье по выплавляемым моделям.
-
Исследовать влияние ВФ на структуру и свойства силуминов.
5. Разработать комплексную технологию получения отливки типа «Крыльчатка» из сплава АК9ч способом литья по выплавляемым моделям(ЛВМ) и выполнить опытно-промышленные испытания.
Объект исследования – керамические оболочки, предназначенные для получения отливок ответственного назначения из силумина АК9ч способом литья по выплавляемым моделям. Предмет исследования – процессы формирования керамической оболочки.
Научная новизна работы
-
Исследованы элементный и фазовый составы алюминиевых шлаков, что позволило определить основные направления использования продуктов их рециклин-га.
-
Предложена схема повышения чистоты поверхности отливок из силуминов при ЛВМ с применением вторичного обсыпочного материала (ВтОМ) для изготовления керамических оболочек с позиции коллоидной химии. Показан характер взаимодействия частиц обсыпочного материала с суспензией. При формировании керамического покрытия с применением ВтОМ образуются мицеллы гидроокиси алюминия, имеющие на контактном диффузном слое отрицательный заряд. В результате коалис-ценции разноименно заряженных мицелл гидроокиси алюминия и оксида кремния происходит плотное прилегание частиц ВтОМ друг к другу.
-
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования вторичного обсыпочного материала для изготовления керамических оболочек при литье по выплавляемым моделям.
Практическая значимость
-
Изготовлена действующая установки для сепарации алюминийсодержа-щих шлаков с целью выделения из них ВтОМ и ВФ, а также пескосып для изготовления керамических оболочек с целью получения отливок диаметром до 100 мм в псев-докипящем слое с использованием в качестве материала обсыпки ВтОМ.
-
Впервые разработана технология получения вторичного огнеупорного материала (ВтОМ) из солевых алюминиевых шлаков; предложена технология получения вторичного флюса (ВФ) из пересыщенного солевого раствора, образующегося при получении ВтОМ.
-
Разработаны технологические параметры изготовления керамических форм для ЛВМ с использованием ВтОМ.
-
Экспериментально доказана эффективность замены кокильного литья на литье по выплавляемым моделям при получении отливки «Крыльчатка» из сплава АК9ч.
-
Получена опытная партия отливок «Крыльчатка» из сплава АК9ч, модифицированного добавками мелкокристаллических модификаторов, литьем по выплавляемым моделям с использованием ВФ и ВтОМ. Отливки прошли полное металлургическое исследование на ОАО «КУЗНЕЦОВ».
-
Перевод с литья в кокиль на литье по выплавляемым моделям отливки типа «Крыльчатка» из сплава АК9чобеспечил снижение массы отливки с ЛПС на 39%, существенное уменьшение массы отливки на 73% за счет снижения припусков на механическую обработку, а также повышение ТВГ на 20,4%.
7. Ожидаемая экономическая эффективность от комплексной переработки 1 т шлака составит 37833,5 руб., а разработанного варианта технологии -20887,6 руб. на тонну годного литья при замене электрокорунда на ВтОМ.
Реализация результатов работы
Результаты работы опробованы в производственном процессе ОАО «Кузнецов» (г.Самара), а также внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет» (г. Самара) при подготовке бакалавров по направлению 150700 – Машиностроение, профиль «Машины и технология литейного производства».
Методология и методы исследования
Работа выполнена с использованием современных методов контроля механических свойств отливок, физико-механических свойств керамических оболочек, рентге-ноструктурного анализа, а также математического планирования экспериментов.
Задачи исследований диссертационной работы направлены на выявление закономерностей влияния состава обсыпочного материала на физико-механические свойства керамических оболочек и качество получаемых отливок из силумина АК9ч.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Технология рециклинга алюминий содержащих шлаков для получения вторичных флюса и обсыпочного материала.
-
Технология изготовления керамической оболочки с использованием вторичного обсыпочного материала при получении отливки типа «Крыльчатка» литьем по выплавляемым моделям.
-
Результаты опытно-промышленной апробации комплексной технологии получения отливки типа «Крыльчатка» из сплава АК9ч литьем по выплавляемым моделям с использованием вторичных обсыпочного материала и флюса.
Степень достоверности и апробация результатов
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических мероприятиях: Всероссийской инновационной молодежной конференции «Металлургия и новые материалы» (2010 г., Самара);Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области технических наук в рамках Всероссийского фестиваля науки (2011 г., Москва); IV-VI Всероссийских научно-технических конференциях «Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства» (2012…2014 г.г., Самара); LIX научно-технической сессии по проблемам газовых турбин и парогазовых установок (2012 г., Российская академия наук, комиссия по газовым турбинам РАН, Санкт-Петербург); IV конкурсе молодых конструкторов и научных сотрудников «Научно-технические проблемы выбора схем, параметров и материалов современных газотурбинных и парогазовых установок» (2012 г., Санкт-Петербург); Всероссийской молодежной конференции «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (2013 г., Звездный городок, Московская обл.); Международном межотраслевом научно-техническом форуме «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» (2013-2014 г., Москва); Международной научно-технической конференции «Климовские чтения – 2014: перспективные направления развития авиадвигателестроения» (2014 г., Санкт-Петербург); Международная научно-практическая конференция «Современное состояние и перспективы
развития литейного производства» (2015 г., Москва); XII Международный съезд литейщиков, литейный Форум стран BRICS (2015 г., Нижний Новгород).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных работ в журналах и сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций, в том числе 3 в изданиях из перечня ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора
Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании поставленных целей и задач, проведении экспериментальных исследований, анализе полученных результатов и их обобщении.
Соответствие диссертации паспорту специальности
Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 3 – «Исследование влияния обычных, наномодифицирующих, электрических, магнитных, механических и других видов обработки на свойства расплавов, отливок и литейных форм», пункту 11 – «Ресурсосбережение в литейном производстве», а также пункту 13 – «Исследование утилизации отходов литейного производства для использования в литейных цехах» паспорта специальности 05.16.04 – Литейное производство.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Диссертация изложена на138 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков, 22 таблицы, а также список литературы из 134 наименований.
Современное состояние технологий изготовления керамических оболочек для ЛВМ
В настоящее время, несмотря на высокий уровень технологических процессов в металлургической промышленности, имеет место образование большого количества производственных отходов. К таким отходам относятся, в том числе и солевые алюминийсодержащие шлаки.
По официальной статистике в мире ежегодно образуется около четырех миллионов тонн алюминийсодержащих шлаков с низким содержанием солевых флюсов или полным их отсутствием, и около пяти миллионов тонн солевых отвальных шлаков [1]. По данным [2] в России ежегодно образуется до 100 тысяч тонн солевых алюминиевых шлаков.
Алюминийсодержащие шлаки образуются при производстве первичного алюминия, при изготовлении алюминиевых сплавов и при производстве изделий из них, при переработке лома и отходов алюминия. Шлаки имеют различный химический состав в зависимости от того или иного производства, применяемого при получении сплавов флюса. Они отличаются по содержанию свободного алюминия, оксида алюминия, также содержат нитрид и карбид алюминия, примеси из оксидов других металлов.
Значительная часть алюминиевых шлаков подлежит захоронению на полигонах, где происходит их перемешивание, в результате чего их переработка, в силу непостоянного химического состава, усложняется.
Для переработки лома и отходов от переработки шлаков с низким содержанием солевых флюсов применяют, как правило, флюсовую плавку. Плавку, из экономических соображений, ведут в пламенных печах отражательного типа [5]. Применяют отражательные печи ванного типа, или (что наиболее отвечает современным технологиям) наклонные вращающиеся (роторные) печи. При плавлении шлака во вращающейся роторной печи с неподвижной осью добавка флюса определяется из расчта 0,8 – 1,2 % от оксидной части шихты, при этом образуется жидкотекучий расплав шлака, который выпускается после окончания процесса плавления через лтку. При плавке шлака в наклонных барабанных печах работа ведтся с меньшим добавлением флюса 0,2 – 0,6 % от массы оксидов. Это приводит к тому, что образуется не жидкоте-кучий шлак, а сухой рассыпчатый шлак, который в заключительной стадии процесса механически удаляется из опрокинутой печи [4].
Данный способ переработки является самым распространенным и эффективным, с точки зрения извлечения алюминия, но имеет существенный недостаток – при флюсовой плавке образуется солевой шлак.
В работе [6] показано, что во всем мире проявляется тенденция к росту количества низкосортных отходов (шлаки, фольга, банки из-под напитков и т.д.). Обосновывается вывод, что роторные наклонные печи являются одним из самых перспективных видов оборудования для переработки отходов алюминия.
Применяемый при данном процессе флюс состоит из хлоридов натрия (NaCl) и калия (KCl), как правило, с добавкой фторсодержащих соединений. По подбору оптимального состава флюса был проведен ряд исследований [4, 6], однако наибольшее применение получили смеси хлоридов натрия и калия. При этом полученный солевой шлак содержит значительное количество водорастворимых хлоридов и фторидов.
Данные особенности делают солевой шлак экологически опасным материалом, а хранение на открытых площадках при взаимодействии с атмосферными осадками приводит к образованию токсичных и взрывоопасных газов (CH4, PH3, NH3, C2H2, Н2, H2S, HF, HCN), помимо этого, растворы хлоридов могут привести к загрязнению грунтовых вод и засолению почвы. Но стоимость захоронения в России не превышает 20 долларов за тонну, поэтому продукты переработки шлаков практически в полном объеме складируются в отвалах.
Стоимость захоронения в разных странах отличается. Например в Японии и Германии стоимость захоронения составляет свыше 250 долларов за тонну, поэтому там уже много лет применяются безотходные технологии переработки солевых шлаков, а данные предприятия получают дотации от государства.
Также солевые шлаки с содержанием металлического алюминия более 7-10% перерабатывались методами механического обогащения, которые позволяли извлечь часть металлического алюминия [1, 5]. Оставшийся материал также складировался в отвалах. Солевые шлаки таким методом перерабатывать не эффективно, в силу малого содержания в нем металлического алюминия.
Решение вопросов экологии и ресурсосбережения в металлургии вторичного алюминия следует увязывать с разработкой и внедрением новых экологически безопасных, ресурсосберегающих технологий переработки низкосортного алюминиевого сырья, позволяющих наряду с алюминием извлекать из него и другие ценные компоненты, входящие в состав этого вида техногенного сырья и которые в совокупности должны определять показатели ресурсосбережения процесса производства вторичных алюминиевых сплавов в целом [3].
В настоящее время имеется множество разработок, направленных на комплексную переработку алюминиевых шлаков с целью извлечения не только металлического алюминия, но и огнеупорных составляющих, а также солей. Продукты переработки алюминиевых шлаков находят применение как в металлургическом и литейном производстве, так и при производстве строительных материалов.
Известен опыт работы опытно-промышленной установки регенерации флюса на Подольском заводе цветных металлов, которая предполагала выщелачивание солевой части, фильтрацию водного раствора и его упаривание с целью получения оборотного флюса. Получаемые корольки алюминия направляли на переплав, а неметаллические примеси складировали в отвал. Однако процесс выпаривания рассола весьма энергоемкий и, как следствие, экономически не эффективный, а раствор флюсовых солей агрессивен и контактирующее с ним оборудование должно быть выполнено из дорогостоящих нержавеющих сталей.
Разработка конструкции и изготовление лабораторных установок для удаления водорастворимой составляющей из алюминийсодержащего шлака и формирования керамического покрытия в псевдокипящем слое
Проведение механических испытаний осуществляли на разрывной машине английской фирмы Testometric модели FS 150 kN AX в центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) ОАО «КУЗНЕЦОВ» (г. Самара). Для испытания на механические свойства изготавливали «гагаринские» образцы согласно ГОСТ 1497-84 тип 3 номер 8 и тип 5 номер 5. Плотность сплавов в твердом состоянии определяли методом гидростатического взвешивания, электропроводность – вихретоковым структуроскопом ВС-30Н (точность +0,1 МСм/м).
Для исследования микроструктуры использовали оптическую и электронную микроскопию. Изготовление металлографических шлифов состоит из следующих основных операций: вырезка образца; шлифовка; полировка; травление. Вырезка образца производилась ножовкой по металлу, с подачей охлаждающей водно-масляной эмульсии с целью уменьшения нагрева поверхности реза.
Шлифование поверхности образцов осуществлялось на водостойкой шлифовальной бумаге различной зернистости (220, 400, 600, 800, 1000). При переходе с одной ступени на другую направление шлифовки изменяли на 90, после каждой ступени обработки поверхность образцов промывали под проточной водой. Полирование поверхности образцов проводилось механической полировкой на сукне с использованием алмазной пасты марки АСМ 7/5 НОМГ.
Заключительное полирование проводили на пасте, приготовленной на основе Cr2O3. Очистку поверхности от остатков пасты осуществляли на чистом сукне с мелким ворсом. Для общего контурного травления поверхности шлифа использовали насыщенный на холоде раствор КОН. Для исследования микроструктуры на оптическом микроскопе использовался 10% раствор едкого натра (NaOH). Для исследования образцов на растровом электронном микроскопе осуществляли контурное и глубокое травление в 60% соляной кислоте (HCl) в течение 0,5-3 мин. Контурное и глубокое травление осуществляли методом погружения.
Анализ микроструктуры сплавов производился на промышленном программно-аппаратном комплексе анализа изображений «SIAMS 700». Для изготовления образцов керамических оболочек применялись материалы, представленные в табл.2.3.
Локальный микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) фазовых составляющих шлаков и керамических оболочек осуществляли на растровом электронном микроскопе (РЭМ) японской фирмы JEOL модели JSM-6390A. Исследование проводилось при высоком вакууме при разрешении SEI при ускоряющем напряжении от 3 до 30 кВ. Диапазон увеличений от 100 до 30 000 крат.
Определение предела прочности керамических образцов на разрыв Предел прочности на разрыв определяется на образцах – восьмерках по ГОСТ 2.3409.7-78. Для определения предела прочности на разрыв керамических оболочек изготавливаются модели путем запрессовки модельного состава в пресс-форму (рис.2.3).
Рисунок 2.3 – Пресс-форма (а) и восковая модель (б) для изготовления керамических образцов на разрыв Приготовление суспензии осуществляется в бачке, который заполняется необходимым количеством связующего, затем при постоянном перемешивании вводится огнеупорный пылевидный наполнитель. После приготовления суспензию необходимо выдержать в течении часа, вязкость контролируется вискозиметром ВЗ-4. Перед формированием керамического покрытия перемешать суспензию в течении 3-5 мин. Нанести огнеупорную суспензию на образцы с помощью окунания или обливания. После стекания излишков покрытия обсыпать вручную сформировавшийся слой зернистым огнеупорным материалом; не допуская подсушки покрытия, счистить ножом излишки покрытия с боковых поверхностей образцов. Высушить образцы на воздухе: первый слой - в течение суток, второй и последующие слои – в течение двух часов. Выплавить модельную массу. Произвести прокалку керамических образцов в печи при температу ре 900С в течение часа. Для определения предела прочности на разрыв используется прибор модели 083 с приспособлением – захватом (рис.2.4).
Рис. 2.4 - Прибор для определения прочности на разрыв мод.083 Испытуемый образец помещается между плитками приспособления. Зажим образцов осуществляется при помощи регулировочного винта.
Определение предела прочности керамических образцов на изгиб Для определения предела прочности на изгиб керамических оболочек изготавливаются модели путем запрессовки модельного состава в пресс-форму (рис.2.5).
Пресс-форма (а) и восковая модель (б) для изготовления керамических образцов на изгиб Формирование образцов производится аналогично описанной выше методике. Испытание на изгиб проводят по трехточечной схеме нагружения образцов. Для испытания прибор мод.051 приводят в рабочее положение (установка шкалы на «0»). Образец размером 40х20хh укладывают на две опоры, так, что-39 бы по обеим сторонам опор оставались равные концы. Прикладывают нагрузку к середине образца под прямым углом к плоскости образца до разрушения образца. В момент разрушения образца по шкале фиксируют нагрузку. Предел прочности на изгиб определяют по формуле:
Газопроницаемость керамической оболочки (КО) зависит от размеров и количества сквозных капиллярных каналов в ее теле (стенках), вязкости газа, фильтрующегося через эти капилляры, и пр. В свою очередь, размеры и количество сквозных капиллярных каналов в теле КО зависят от типа используемого наполнителя в огнеупорной суспензии, условий сушки КО, природы используемого огнеупорного материала для обсыпки слоев КО, режима прокаливания КО и т.д.
Величину газопроницаемости КО определяют при комнатной температуре на образцах, имеющих диаметр 50 мм и толщину 3…5 мм. При этом образцы испытывают как в непрокаленном, но высушенном при 150…250С состоянии, так и предварительно прокаленном состоянии. Для определения газопроницаемости керамических оболочек изготавливаются модели путем запрессовки модельного состава в пресс-форму (рис.2.6) b- — r с w а 1 Рисунок 2.6 - Пресс-форма (а) и восковая модель (б) для изготовления керамических образцов для определения газопроницаемости
Испытания образцов проводили на приборе мод.04315 (рис.2.7), укомплектованном приставкой модели 01511М (патроном Фишера). Измеритель газопроницаемости работает как водяной микроманометр с наклонной трубкой. Шкала измерителя градуирована в единицах газопроницаемости раздельно для каждого ниппеля и содержит над шкалами два участка, градуированных в единицах давления, необходимых для регулировки и настройки прибора. Бачок измерителя является уравнительным сосудом микроманометра. При нажатии на кнопку, колокол за ручку поднимают на отметку X и отпускают кнопку. В под-колокольной плоскости аккумулируется сжатый воздух давлением 100 мм вод. ст. Снимают колпачок и устанавливают гильзу с образцом.
При определении газопроницаемости по величине давления между ниппелем и испытуемым образцом воздух из-под колокола пропускают, открывая клапан, через ниппель и образец, и по шкале для ниппеля 1,5 мм считывают газопроницаемость образца.
Исследование влияния добавок вторичного огнеупорного материала на качество керамических оболочек
В данном разделе приведены результаты исследования физико-механических свойств керамических оболочек с различными связующими, обсыпка моделей производилась ВтОМ. Изготовляли образцы для определения предела прочности на разрыв и на изгиб. На восковую модель наносили 5 слоев покрытия, 6-ой без обсыпки – закрепляющий. Размер фракции обсыпочного материала: первый слой – 0,2 мм; второй и последующие – 0,4 мм. Размер образцов 40х20х35 мм. Сушка первого (формирующего) слоя длилась 4 часа, последующие слои формировались с интервалом 2 часа. Прокалка образцов проводилась при температуре 900 С в течение часа.
В качестве связующих применяли водные кремнезоли: Армосил А, Сиалит 20С, Армосил К. Наполнитель в суспензию – плавленый кварц пылевидный «Экосил-Мелур». Вязкость суспензии (по вискозиметру ВЗ-4) составляла: для первого слоя – 65 с; для второго и последующих – 42 с. Результаты испытаний представлены на рис. 3.18. а
В оболочке вследствие расширения или усадки модельного состава, а также при выплавлении моделей возникают напряжения растяжения, сжатия, изгиба и среза. В связи с методическими трудностями измерение прочности при растяжении хрупких керамических материалов производится редко. Поэтому данные по прочности керамики при растяжении крайне редки. Чаще всего прочность керамики при растяжении в три-четыре раза меньше ее прочности при изгибе [113]. Сопоставление значения прочности керамических оболочек при разрыве и изгибе позволяет сделать вывод о достоверности полученных данных.
Как правило, на предприятиях производят контроль прочности оболочек при изгибе. Из рис.3.18-б видно, что наибольшей прочностью обладают керамические оболочки, полученные с применением связующего Армосил К, поэтому все дальнейшие испытания по определению прочности на изгиб проводили на нем.
Исследовали влияние обсыпочного материала на прочность керамических оболочек (Рис.3.19). Производили изготовление образцов аналогично вышеописанной методике. В качестве обсыпочного материала применяли: кварцевый песок, плавленый кварц, ВтОМ. Также производили изготовление комбинированных оболочек: плавленый кварц+ВтОМ, ВтОМ+5%ГОУ.
Как было сказано выше, шлак с газоочистной установки (ГОУ) содержит в своем составе карбонат кальция, который при контакте с кремнезолем является катализатором – способствует интенсивному огеливанию. В результате этого возможно повышение прочности керамической оболочки. Однако данный шлак характеризуется высокой степенью дисперсности, что обуславливает ухудшенное формирование слоев керамического покрытия. Это связано с налипанием шлака ГОУ на пленку суспензии, в результате чего происходит осыпаемость частиц зернистого обсыпочного материала. Указанные процессы, вероятно, способствуют формированию пониженной прочности оболочки ВтОМ+5%ГОУ по сравнению с оболочкой, изготовленной без добавок шлака ГОУ.
Также интерес представляют комбинированные оболочки «плавленый кварц+ВтОМ». Формирование керамического покрытия производили путем чередования слоев с разными обсыпочными материалами. Наблюдается незначительное снижение прочности оболочек, однако полученные данные позволяют сделать предположение о возможности применения ВтОМ как материала для наращивания керамической оболочки, что значительно удешевит технологический процесс ЛВМ.
При применении водных связующих с целью интенсификации технологического процесса изготовления керамических оболочек необходимо создать интенсивный приток воздуха, гарантирующий максимальную скорость удаления воды [25, 114]. С целью исследования данного аспекта производили изготовление керамических оболочек с ВтОМ и плавленым кварцем. Для ускорения процесса сушки применяли принудительный обдув со скоростью 2м/с. Результаты испытаний представлены на рис. 3.20.
Из полученных результатов видно, что применение принудительного обдува не существенно влияет на прочность керамических оболочек, однако производительность их изготовления повышается в 5-6 раз. Применение принудительного обдува способствует сокращению времени (2-3 ч) изготовления образцов в 5-6 раз по сравнению с сушкой на воздухе без обдува (12-15 ч), начиная со второго слоя. Рисунок 3.20 - Зависимость прочности керамической оболочки на изгиб от параметров сушки
В литературе достаточно широко освещен вопрос о термическом линейном расширении огнеупорных обсыпочных материалов (электрокорунд, плавленый кварц, кварцевый песок и т.д.) [25, 26], а о КТЛР керамических оболочек крайне мало. КТЛР оболочки имеет важное значение, так как изменение размеров при нагреве и охлаждении может привести к разрушению оболочки. По показателю КТЛР оболочки можно судить о ее способности с высокой точностью воспроизводить геометрические размеры отливок.
Исследовали зависимость КТЛР оболочки от типа применяемого обсыпоч-ного материала. В качестве связующего применяли кремнезоль «Сиалит 20 С»; наполнитель в суспензию – плавленый кварц пылевидный; материал обсыпки – плавленый кварц, кварцевый песок, электрокорунд, ВтОМ. Результаты измерения представлены на рис.3.21.
Влияние МКМ на структуру и свойства опытных отливок из сплава АК9ч
С целью опытно-промышленной апробации была «выращена» мастер-модель методами аддитивных технологий на 3D принтере OBJET EDEN 350 в Лаборатории аддитивных технологий СГАУ (г. Самара), изготовлена силиконовая пресс-форма, по которой получены керамических оболочек (КО) осуществлялось по разработанной технологии восковые модели отливок (рис. 5.16). а - вид сверху; б – вид сбоку Рисунок 5.16 – Восковая модель отливки «Крыльчатка» Изготовление с использованием ВтОМ. Суспензия была приготовлена с применением кремнезоля «Сиалит-20С», наполнитель в суспензию плавленый кварц пылевидный марки ПКП. Вязкость на первый слой по вискозиметру ВЗ-4 составляла 70 с, на второй и последующие – 50-55 с. При формировании керамического покрытия наблюдалось хорошее смачивание модели суспензией, без наплывов. Сушка слоев осуществлялась на воздухе, со второго слоя применялся принудительный обдув. Количество слоев керамического покрытия – 5, шестой слой - закрепляющий. Удаление модельной массы производилось в бой-лерклаве. Учитывая положительные результаты по технологии низкотемпературного прокаливания керамических оболочек, полученных Л.И. Леушиной [74], прокалку керамических форм осуществлялли в печах сопротивления при температуре 700 С в течение 2 часов. Готовая керамическая оболочка представлена на рис. 5.17. а – общий вид оболочки; б – вид внутренней полости оболочки Рисунок 5.17 – Керамическая оболочка из ВтОМ Приготовление расплава АК9ч осуществлялось в печи сопротивления ПП-2000М, емкостью 600 кг. После расплавления производили перелив расплава по раздаточным печам ВРП емкостью 250 кг. В раздаточной печи осуществляли рафинирование с применением в качестве рафинирующего препарата - вторичного флюса в количестве 1% от массы расплава. Рафинирование расплава проводилось при температуре 740-760С. Модифицирование производилось по двум вариантам:
В условиях ОАО «КУЗНЕЦОВ» по разработанной технологии была получена опытная партия отливок «Крыльчатка». Заливку форм расплавом производили при температуре 730±10С, при этом температура формы составляла 300 С. Полученная отливка представлена на рис. 5.18.
Был произведен сравнительный анализ опытной отливки с серийной (рис.5.19). Из рисунка видно, что в отливке, полученной по серийной технологии присутствует пористость на дисках и рыхлота. В опытной отливке имеется пористость до 1 балла шкалы ВИАМ, что не является браковочным признаком, поскольку пористость расположена в центральной части отливки, которая подлежит механической обработке. Также анализ полученных результатов позволяет судить о достоверности результатов моделирования, полученных в п.5.2.
Отливки прошли ЛЮМ-контроль и рентгенконтроль – дефектов металлургического и литейного характера не обнаружено (Приложение Б). Решение по внедрению опытного технологического процесса в серийное производство будет принято после проведения испытания заготовок в составе изделия (огневых испытаний). а – без модифицирования; б – модифицирование МКП; в – модифицирование лигатурой AlTi5 Рисунок 5.21 – Микроструктура отливок «Крыльчатка», полученных способом ЛВМ 109
Анализ микроструктур показал, что без модифицирования (рис.5.21-а) отливка имеет грубую структуру за счет низких скоростей охлаждения, обусловленных низкой теплопроводностью керамической оболочки. Модифицирование добавками МКП (рис.5.21-б) оказывает существенное измельчающее воздействие на дендриты -Al и кристаллы эвтектического кремния. При этом, денд-риты -Al приобретают компактную, глобулярную морфологию. В структуре отливки, модифицированной лигатурой AlTi5 (рис.5.21-в), эффект модифицирования несколько ниже по сравнению с добавками МКП. Это позволяет сделать вывод о том, что при невысоких скоростях охлаждения добавки МКП обладают повышенной модифицирующей способностью. Кроме того, операцию модифицирования добавками МКП можно отнести к экономному модифицированию, так как данный вид модификатора можно получать из возврата собственного производства.