Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Область исследования и постановка научно технической задачи разработки технологии литья по выплавляемым моделям в формы из жидкостекольной холоднотвердеющей смеси 13
1.1. Анализ возможности применения существующих методов формовки для литья по выплавляемым моделям в формы из жидкостекольной смеси 14
1.2. Взаимодействие модельного состава и жидкостекольной смеси в процессе её уплотнения и отверждения 16
1.3. Взаимодействие жидкостекольной смеси и модельного состава в процессе его вытопки 19
1.4. Взаимодействие впитавшегося в форму модельного состава и жидкостекольной смеси при прокалке 24
1.5. Влияние взаимодействия модельного состава и жидкостекольной смеси на её выбиваемость, регенерируемость и возможность повторного использования 29
Выводы по главе 1 32
Глава 2. Методики исследования взаимодействия жидкостекольной холоднотвердеющей смеси и модельного состава 33
2.1. Состав и свойства жидкостекольной смеси использованной в экспериментах 33
2.2. Методики исследования взаимодействия модельного состава и жидкостекольной смеси при её уплотнении и отверждении 36
2.3. Методики исследования взаимодействия жидкостекольной смеси с модельным составом в процессе его выплавления 41
2.4. Методики исследования взаимодействия впитавшегося в форму модельного состава и жидкостекольной смеси при прокалке 43
Выводы по главе 2 46
Глава 3. Взаимодействие модельного состава и жидкостекольной холоднотвердеющей смеси в процессе её уплотнения и отверждения
3.1. Взаимодействие поверхности выплавляемой модели с жидкостекольной смесью при уплотнении 47
3.2. Взаимодействие выплавляемой модели и жидкостекольной смеси в процессе её затвердевания 50
Выводы по главе 3 52
Глава 4. Взаимодействие жидкостекольной холоднотвердеюще смеси с модельным составом в процессе его вытопки 53
4.1. Исследование силового взаимодействия выплавляемых моделей и форм из жидкостекольной смеси в процессе вытопки 53
4.2 Исследование пропитки жидкостекольной смеси модельным составом в процессе вытопки 64
Выводы по главе 4 69
Глава 5. Взаимодействие впитавшегося в форму модельного состава и жидкостекольной холоднотвердеющей смеси при прокалке 71
5.1 Исследование влияния температуры и времени прокалки на процесс деструкции модельного состава 71
5.2. Влияние продуктов термической деструкции модельного состава на остаточную прочность и осыпаемость жидкостекольной смеси послепрокалки 73
5.3 Исследование процессов термической деструкции модельного состава и образования коксообразных веществ 78
5.4. Влияния коксообразных веществ на прочность в горячем состоянии и остаточную прочность жидкостекольной смеси 82
5.5. Влияния коксообразных веществ на газопроницаемость и газотворность жидкостекольной смеси 87
Выводы по главе 5 91
Глава 6. Влияние взаимодействия модельного состава и жидкостекольной холоднотвердеющей смеси на её выбиваемость, регенерируемость и возможностьповторного использования 93
Выводы по главе 6 100
Глава 7. Примеры использования разработанной технологии для изготовления отливок из чёрных и цветных сплавов 101
7.1 Изготовление разъёмных литейных форм по выплавляемым моделям 101
7.2 Изготовление неразъёмных литейных форм по выплавляемым моделям103
7.3 Изготовление многогнёздных литейных форм по выплавляемым моделям 106
7.4 Конструкция и применение выплавляемых моделей с вентами 112
7.5. Изготовление литейных форм по комбинированной оснастке. 119
7.6 Изготовление разъёмных литейных форм по разъёмным выплавляемым
моделям 121
Выводы по главе 7 122
Глава 8. Сравнительная оценка экономической эффективности применения технологии литья по выплавляемым моделям в формы из жидкостекольной холоднотвердеющей смесей 124
Выводы по главе 8 143
Общие выводы и основные результаты работы 143
Список сокращений 145
Список литературы 145
- Взаимодействие модельного состава и жидкостекольной смеси в процессе её уплотнения и отверждения
- Методики исследования взаимодействия модельного состава и жидкостекольной смеси при её уплотнении и отверждении
- Взаимодействие выплавляемой модели и жидкостекольной смеси в процессе её затвердевания
- Изготовление многогнёздных литейных форм по выплавляемым моделям
Взаимодействие модельного состава и жидкостекольной смеси в процессе её уплотнения и отверждения
Как показывает практика [16 - 19] при использовании постоянных моделей технологически обоснованная плотность и прочность ХТС с СЭО достигается свободной засыпкой или вибрацией с ручным подуплотнением. Для небольших форм и стержней уплотнение такой смеси может осуществляться пескострельным или пескодувным методами. Очевидно, что для непрочных ВМ применение более «жёстких» методов уплотнения (встряхивание, прессования или комбинация этих способов) нецелесообразно.
Однако в литературных источниках нет данных о влиянии этих методов уплотнения на качество поверхности выплавляемых моделей. В работе Жуковского С.С. [20] показано, что прочность ХТС на сжатие линейно зависит от её плотности и при уменьшении последней от 1,56 до 1,32 г/см3 прочность уменьшается примерно в три раза. Однако смесь, содержащая 3,5% жидкого стекла и отверждаемая СЭО, относится к сыпучим смесям. Прочность такой смеси в исходном (сыром) состоянии не превышает 0,003МПа. Поэтому для её уплотнения достаточно только вибрации. Применяют также свободную засыпку с ручным подуплотнением [19]. В работе [2] приведены результаты экспериментов о влиянии вибрации на степень и равномерность уплотнения ХТС.
Отмечается, что наилучшие результаты (самая высокая плотность и самая низкая пористость) были достигнуты при уплотнении смеси свободной засыпкой с ручным подуплотнением. Подчёркивается, что «при ручном уплотнении особое внимание должно быть обращено на плотность смеси в углах и на поверхностях, обливаемых металлом», так как «некачественной уплотнение, наличие рыхлот служит основной причиной образования трудноотделимого пригара».
В работе [2] так же приведены данные об уплотнение стержневой смеси свободной засыпкой в сочетании с вибрацией. Наилучшее качество стержней было достигнуто при амплитуде 1,1 мм и времени вибрации 5…7секунд.
Холоднотвердеющие смеси со смоляными связующими часто используют при формовке колоколов массой от нескольких килограммов до десятков тонн. При этом используют деревянные или металлические модели с отъёмными частями, представляющими собой надписи или украшения колокола. Уплотнение ХТС в этих случаях проводят простой засыпкой или сбрасыванием смеси. Если отъёмные части выполнены из легкоплавкого модельного состава, смесь вокруг отъёмной части уплотняют вручную.
Важно отметить, что в этих случаях украшения колокола представляют собой барельефы (низкие рельефы), не имеющие глубоких поднутрений. Поэтому такой способ формовки обеспечивает удовлетворительную плотность и отсутствие рыхлот формовочной смеси.
Сравнительно простая конфигурация украшений-барельефов позволяет формовать их «на выход». Эти части моделей не выплавляют, (т.к. необходимое перед заливкой выжигание остатков модельного состава привело бы к деструкции смоляного связующего ХТС), а извлекают из формы после удаления основной части модели.
Литьё по выплавляемым моделям в жидкостекольную смесь с жидкими отвердителями, предполагает использование сложных моделей. Это усложняет получение достаточно высокой и равномерной плотности смеси.
Кроме того, коэффициент трения ХТС о поверхность восковой модели значительно выше, чем о поверхность металлической модели. Поэтому использование вибростола при формовке, по-видимому, не гарантирует необходимой плотности смеси и отсутствие рыхлот в поднутрениях модели.
Для получения поднутрений и тонких протяжённых отверстий потребуется ручное подуплотнение или, по аналогии с формовкой по жидким формовочным смесям, использование стержней, изготовленных заранее или полученных в полостях ВМ перед её формовкой [8, 14, 21 - 25].
В литературных источниках нет данных о возможности использования этих способов, также как и перечисленных выше методов уплотнения смеси вокруг воскообразных моделей. Исследование возможности применения этих методов является одной из задач диссертации.
В работах [16 - 18, 20] отмечается, что при отверждении рассматриваемой смеси происходит её объёмное изменение, что приводит к зажиму оснастки. Возникающие при этом напряжения тем выше, чем выше скорость упрочнения.
Методики исследования взаимодействия модельного состава и жидкостекольной смеси при её уплотнении и отверждении
В эксперименте использовали модели и набор опок, представленные на рисунке 2.3. Расстояние между вдувной плитой и поверхностью ВМ варьировали от 20мм и до 80мм, путём изменения высоты опок.
Давление воздуха в ресивере машины при уплотнении смеси не превышало 0,35 МПа. Согласно рекомендациям, литературным [104] и производственным данным, такое пониженное давление необходимо во избежание сдувания связующего с поверхности зёрен песка. Диаметр выходного отверстия вдувной головки составлял 50мм.
Во всех экспериментальных формовках, смесь после уплотнения высыпали из опоки, а прилипшую к модели смесь удаляли кисточкой.
Особенностью изготовления формы из ХТС с СЭО по выплавляемой модели является то, что в отличие от постоянной модели её не удаляют после начала процесса затвердевания смеси. Выплавляемая модель находится в форме на протяжении всего процесса затвердевания ХТС с СЭО, затрудняя её объёмное изменение.
На основании существующей методики определения осыпаемости были разработаны конструкции образцов, моделей и методика их испытания, позволяющая исследовать возможное влияние этого процесса на частичное разупрочнение слоёв смеси, прилегающих к модели.
На рисунке 2.4 б показана конструкция кольцевых образцов, которые изготавливали вибрационным уплотнением жидкостекольной смеси на формовочной машине V1640 с частотой 62Гц по моделям трёх видов. В качестве разделительного материала для всех трёх типов моделей использовали порошок серебристого графита.
В качестве жёсткой модели, максимально затрудняющей объёмное изменение смеси при затвердевании, использовали полый стальной цилиндр 1 с толщиной стенки 1,2мм (рисунок 2.4 а). а) б)
Для свободного извлечения после затвердевания смеси, в цилиндрической модели, по её образующей, была выполнена прорезь шириной 1мм. Перед формовкой в эту прорезь плотно вставляли пластину 2 толщиной 1мм и заклеивали стык липкой лентой. После окончательного затвердевания смеси распорную пластину извлекали, цилиндр сжимали в трёхкулачковом патроне токарного станка и аккуратно вынимали из кольцевого образца.
Для моделирования свободного объёмного изменения ХТС с СЭО при затвердевании использовали ту же самую разрезную модель, показанную на рисунке 2.4 а. Извлечение модели проводили также как в предыдущем случае, но на самой ранней стадии отверждения смеси.
Взаимодействие выплавляемой модели с жидкостекольной смесью при затвердевании, моделировали с помощью оболочковой модели с конической оправкой (рисунок 2.5). Оправка обеспечивала жёсткость модели при формовке и её извлекали из оболочковой модели на ранней стадии затвердевания смеси. Рисунок 2.5. Оболочковая модель 1 – полая коническая оправка, 2 – оболочковая модель из модельного состава ПС 50-50 Осыпаемость внутренней поверхности кольцевых образцов, определяли с помощью оснастки, показанной на рисунке 2.6.
В патрон токарного станка марки 16К20 зажимали круглый напильник диаметром 10мм и помещали на него кольцевой образец. Насечка напильника драчёвая №1, число зубьев на 1 см длины 5…15. Вращение патрона станка проводили с частотой 63 оборота в минуту в течение 57 секунд. Как и при испытаниях по стандартной методике осыпаемость вычисляли как потерю массы образца в процентах.
Исследование силового взаимодействия форм из ХТС с СЭО и выплавляемых моделей проводили на кольцевых формах-образцах, оснастка для изготовления которых показана на рисунке 4.1.
Формы-образцы изготавливали по выплавляемым моделям диаметрами 30, 40, 50, 60 и 70мм из трёх марок МС - ПС 50-50, Ruby Red и Tuf Guy Green. Из модельного состава ПС 50-50 так же были изготовлены три типа выплавляемых моделей – монолитные, оболочковые и пористые.
Модели выплавляли из форм без разрезных съёмных опок (рисунок 2.8) горячим воздухом при температуре 180 С [14, 26, 29]. Температура выплавления превышала температур плавления составов – 55 С (ПС 50-50), 65 С (Ruby Red) и 75 С (Tuf Guy Green).
Сам процесс вытопки проводили в печи сопротивления марки USA V-90L предварительно разогретой до 180С и запрограммированной на поддержание этой температуры. Контроллер печи позволял поддерживать заданную температуру с точностью до 1-3 С.
Аналогично вышеописанной методике были изготовлены формы-образцы для исследования потерь и возврата модельного состава при вытопке.
Моделирование процесса вытопки экспериментальных форм-образцов проводили в программе ProCast. Для этого были построены 3D модели форм и моделей, с сеткой разбиения на конечные элементы (рисунок 2.9).
Взаимодействие выплавляемой модели и жидкостекольной смеси в процессе её затвердевания
Для формы наружным диаметром 50мм минимальная температура прогрева составляет 65 С (рисунок 4.5 а). Предельное значение напряжений при этой температуре - 0,4МПа (рисунок 4.3), а максимальное значение напряжений, вызванных давлением расширяющейся модели, составляет 0,27МПа (рисунок 4.5 б).
Так же как и в реальных экспериментах (таблица 4.2) форма-образец наружным диаметром 50мм (К - 0,1) выдерживает вытопку. Адекватность разработанной методики была подтверждена, её экспериментальной и компьютерной проверкой на формах-образцах квадратной формы. Размеры квадратной выплавляемой модели из пористого ПС 50-50 составляли 36х36мм и высота 21мм. Площадь поверхности и объём такой модели – 56,2см2 и 27,2см3, соответствовали площади поверхности и объёму круглой модели диаметром 42мм и высотой 21мм. Для неё эти величины составляли 55,4см2 и 29,1см3 соответственно.
На рисунках 4.6, 4.7 показаны 3D модели квадратных форм-образцов внешними размерами 40х40мм (К – 0,05) и 44х44мм (К – 0,1).
Из результатов, представленных на рисунках 4.6, 4.7 видно, что для квадратных выплавляемых моделей и форм-образцов выдерживается та же закономерность, что и для выплавляемых моделей и форм круглой формы. При К 0,1 форма выдерживает давление расширяющейся при вытопке выплавляемой модели, при К 0,1 форма разрушается.
Напряжения в торцевых зонах формы внешним размером 40х40мм (рисунок 4.6 б) превышают предел прочности нагретой жидкостекольной смеси во всём объёме стенки формы. При минимальной температуре прогрева формы - 75 С (рисунок 4.6 а), предельно допустимые напряжения нагретой ХТС с СЭО составляют - 0,39МПа (рисунок 4.3). б) Рисунок 4.7. Температура прогрева (а) и напряжения (б) в форме-образце внутренним размером 36х36мм и внешним размером 44х44мм (Кмин. – 0,1) В форме внешним размером 44х44мм предельно допустимые для нагретой жидкостекольной смеси напряжения сконцентрированы локально в углах формы и не способны вызвать её разрушения (рисунок 4.7).
Результаты исследований позволяют предположить, что разработанная методика моделирования процесса образования напряжений в стенках формы при вытопке, может быть использована для ориентировочного расчёта толщины стенки безопочных форм из ХТС с СЭО произвольной формы.
Проведённые расчёты приведены для безопочных форм из ХТС с СЭО толщина стенки, которых равномерна по всему периметру отливки. В действительности же толщина стенки форм не равномерна и этот расчёт справедлив для минимального сечения по периметру формы.
В ходе предварительных экспериментов было установлении, что жидкий модельный состав смачивает поверхность зёрен наполнителя жидкостекольной смеси и может проникать в её поры без внешнего силового воздействия под действием капиллярных сил. Для изучения этого эффекта были проведены эксперименты с использованием оснастки показанной на рисунке 4.8.
Стандартный цилиндрический образец с заформованной линейкой 1 и ёмкость с модельным составом 3 устанавливали в печь и нагревали.
После выдержки, в течение которой модельный состав 2 расплавлялся, образец с линейкой устанавливали в ёмкость на подставки 4. Глубина погружения образца в модельный состав составляла 1-2мм.
Пропитку модельным составом исследовали в интервале температур 60…100 С, относительные потери МС были определены по площади контакта образца из ХТС с СЭО с жидким модельным составом (19,63 см2). Рисунок 4.8. Оснастка для исследования пропитки ХТС с СЭО модельным составом под действием капиллярных сил Из графика (рисунок 4.9) видно, что по мере роста температуры относительные потери МС за счёт пропитки смеси увеличиваются, что объясняется уменьшением его вязкости при увеличении температуры.
Результаты эксперимента позволяют предположить, что потери МС связанные с пропиткой жидкостекольной смеси, очевидно, будут зависеть от температуры прогрева смеси и выплавляемой модели площади их контакта и времени нахождения ВМ в полости формы при вытопке.
Учёт и оценка количества потерь МС при вытопке форм из ХТС с СЭО разных конструкций позволили подтвердить выдвинутое предположение и уточнить механизм процесса пропитки жидкостекольной смеси.
Эксперименты по пропитке формовочной смеси молельным составом при вытопке явились продолжением экспериментов по силовому взаимодействию между кольцевыми формами и ВМ. В каждом эксперименте регистрировали массу модели, формы с моделью и массу формы после вытопки. Это позволило вычислить массу МС, впитавшегося в поры формовочной смеси. Расчёты проводили для форм, не разрушившихся при вытопке (таблицы 4.1, 4.2). Результаты обработки данных показаны на рисунке 4.10.
Изготовление многогнёздных литейных форм по выплавляемым моделям
При повышении температуры от 20 до 200 C происходит испарение связанной воды из манжет жидкостекольного связующего [107], что вызывает образование в них усадочных напряжений и трещин (рисунок 5.11 а, б). В результате этого прочность смеси в горячем состоянии снижается до 0,6 МПа (рисунок 5.10 а, стандартные образцы).
При дальнейшем повышении температуры (свыше 400 С) происходит упрочнение смеси, связанное со спеканием плёнок жидкостекольного связующего с зёрнами кварцевого песка.
Уменьшение прочности образцов в горячем состоянии, пропитанных модельным составом (рисунок 5.10 а), объясняется не только разупрочнением манжет жидкостекольного связующего под действием температуры, но и давлением (p) расширяющегося при нагреве модельного состава (рисунок 5.11 б). В результате действия этих факторов прочность смеси, пропитанной модельным составом, будет составлять 0,4МПа, что ниже прочности в горячем состоянии обычной жидкостекольной смеси (рисунок 5.10 а).
В интервале температур 200…400 (450) С происходит рост прочности смеси, пропитанной модельным составом, в горячем состоянии. Это упрочнение объясняется испарением лёгких углеводородов из модельного состава, увеличением его вязкости и вяжущих свойств (рисунок 5.11 в, г).
В результате процесса испарения лёгких углеводородов из модельного состава формируются манжеты коксообразных веществ. Эти манжеты покрывают зёрна наполнителя и растрескавшиеся манжеты связующего, упрочняя жидкостекольную смесь (рисунок 5.11 д). Максимальная прочность такой смеси достигается при температурах 400…450 С и составляет 0,52МПа (рисунок 5.10 а, образцы, пропитанные модельным составом).
Повышение температуры (свыше 400, 450 С) приводит к выходу из коксообразных веществ остатков тяжёлых углеводородов. Оставшийся после этого углерод не образует при этой температуре полимерных коксов, превращаясь в сажу (рисунок 5.11 е). Остаточная прочность такой смеси определяется прочностью растрескавшихся манжет ЖС (рисунок 5.11 ж).
Остаточная прочность стандартных образцов несколько ниже прочности в горячем состоянии (верхние кривые рисунок 5.10 а и б). Это объясняется тем, что при охлаждении прокалённых образцов до комнатной температуры, жидкостекольные манжеты частично растрескиваются.
Высокая остаточная прочность жидкостекольной смеси, пропитанной модельным составом в интервале температур 20…400 С определяется совместным упрочняющим действием модельного состава и образующихся из него коксообразных веществ (рисунок 5.10 б).
Как было указано, при повышении температуры (свыше 200 C) остатки жидкого модельного состава в порах смеси загустевают, что приводит к увеличению её прочности в горячем состоянии. Остаточная прочность возрастает в ещё большей степени, так как охлаждённые продукты термической деструкции МС превращаются в твёрдые коксообразные вещества.
Макроструктуры жидкостекольной смеси, прокалённой при температуре 400С а – обычной, б – упрочнённой коксообразными веществами На рисунке 5.12 показаны макроструктуры обычной жидкостекольной смеси и смеси, упрочнённой коксообразными веществами. На фотографии б видно, что зёрна наполнителя покрыты манжетами коксообразных веществ. Фотографии сделаны на микроскопе Эксперт (Prima Expert) с увеличением х47.
Повышение температуры свыше 400, 450 С приводит к полной деструкции остатков модельного состава с потерей ими вяжущих свойств как в горячем, так и холодном состоянии.
Результаты проведённых экспериментов показывают, что необходимая и достаточная температура прокалки форм, получаемых разработанной технологией, составляет 400…450 С. Применение более высоких температур прокалки (свыше 450 С) для улучшения заполняемости форм, вызовет разупрочнение ХТС с СЭО из-за газификации коксообразных веществ, что в свою очередь может привести к засорам и механическому пригару на отливках.
Для оценки вероятности образования газовых дефектов в отливках из-за газификации коксообразных веществ содержащихся в ХТС с СЭО при заливке металлом, были определены её газопроницаемость и газотворность.
Количественно характеризовать вероятность образования газовых дефектов позволят критерий М, указанный в работе Жуковского С.С. [16], он представляет собой отношение газопроницаемости смеси к её газотворности.
Испытания, проведённые по стандартной методике, показали, что по сравнению с обычной ХТС с СЭО, газопроницаемость которой 350 ед. и смесью прокалённой при 400 С с газопроницаемостью 370 ед., наличие коксообразных веществ снижает газопроницаемость смеси на 19%, до 300 ед.