Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1 Анализ существующих способов изготовления форм в литье по выплавляемым моделям 10
1.1.1 Оболочковые керамические формы 12
1.1.2 Объемные наливные формы 16
1.2. Перспективы использования алюмоборфосфатного концентрата для литья по выплавляемым моделям 18
1.3 Прогрессивные способы обработки материалов в точном литье 22
1.4 Цель и задачи исследований 25
ГЛАВА 2. Ресурсосберегающая технология изготовления оболочковых керамических форм на алюмоборфосфатном концентрате 27
2.1 Кинетика химического закрепления слоев керамических форм периклазом 29
2.2 Структура и свойства суспензий и керамических форм на АБФК-связующем 34
2.3 Оптимизация состава суспензии для оболочковых форм на АБФК-связующем 57
2.4 Разработка технологии изготовления керамических форм на АБФК 64
Выводы 68
ГЛАВА 3. Закономерности воздействия ультразвука на суспензии с применением алюмоборфосфатного концентрата 70
3.1 Особенности воздействия УЗ-поля на металлофосфатную суспензию 70
3.2 Исследование процесса дегазации кварцевой суспензии на АБФК в ультразвуковом поле 75
3.3 Модель ультразвуковой дегазации суспензий на АБФК 86
Выводы 91
ГЛАВА 4. Влияние разработанных технологий на качество точных отливок 94
4.1 Взаимодействие химически активных сплавов с керамическими формами и его воздействие на качество отливок 94
4.2 Технико-экономические показатели (ТЭП) эффективности разработанных технологий 109
Заключение 112
Список литературы 114
Приложения 124
- Перспективы использования алюмоборфосфатного концентрата для литья по выплавляемым моделям
- Структура и свойства суспензий и керамических форм на АБФК-связующем
- Особенности воздействия УЗ-поля на металлофосфатную суспензию
- Взаимодействие химически активных сплавов с керамическими формами и его воздействие на качество отливок
Введение к работе
Актуальность работы. Литейное производство существенно влияет на качественные показатели и долговечность современных машин и оборудования. Развитие техники предъявляет высокие требования к качеству отливок. Современные литые заготовки должны иметь достаточные физико-механические свойства и химические характеристики, а также высокую точность при небольшой толщине стенок и массе.
В настоящее время для этого используется метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) в оболочковые керамические формы на этилсиликатном связующем (ЭТС). Данная технология обеспечивает получение точных отливок достаточно высокого качества из сплавов цветных и черных металлов. Существенным недостатком указанного технологического процесса является необходимость проведения длительной операции гидролиза в присутствии органических растворителей. Кроме того, твердение ЭТС-суспензии на воздухе проходит крайне медленно, а известное ускорение этого процесса в присутствии аммиака ухудшает экологическую обстановку в литейных цехах. Наряду с повышенной вредностью и длительностью, базовая технология характеризуется и дороговизной применяемых материалов. Помимо ЭТС нашли определенное применение в ЛВМ растворы жидкого стекла и кремнезолей. Однако, первые не обеспечивают керамическим формам требуемые термопрочность и точность, а для вторых связующих остается актуальной проблема нестабильности свойств получаемых форм и длительность воздушной сушки слоев суспензии на выплавляемой модели. При этом следует отметить негативное влияние SiO2, входящего в состав указанных связующих материалов, на качество поверхности отливок из химически активных сплавов.
Альтернативой этилсиликату с точки зрения обеспечения ресурсосберегающего характера литейной технологии, повышения качества отливок, в том числе из химически активных сплавов, и улучшения экологической обстановки является алюмоборфосфатный концентрат (АБФК).
Однако до настоящего времени применение АБФК в процессах формообразования для ЛВМ, в особенности для изготовления отливок ответственного назначения из жаропрочных никелевых сплавов, до сих пор представляется малоизученным, но, безусловно, перспективным направлением.
Таким образом, разработка ресурсосберегающей технологии ЛВМ в многослойные керамические формы на неорганических недорогих и безопасных материалах является весьма актуальной задачей литейного производства.
Работа выполнена в соответствии с ведомственной целевой аналитической программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)» и при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках приоритетного национального проекта «Образование» (2011 г.).
Цель и задачи исследования. В связи с вышеизложенным, целью настоящей диссертационной работы являлось изучение закономерностей процессов точного формообразования на алюмоборфосфатном концентрате и их физической активации в ультразвуковом поле, и, на основе этого, разработка эффективной ресурсосберегающей технологии литья по выплавляемым моделям. Для достижения сформулированной цели было необходимо решить следующие задачи:
- исследовать кинетические процессы, протекающие при отверждении слоев огнеупорного покрытия на АБФК зернистым периклазом, применяемым в качестве обсыпочного материала;
- изучить структуру и свойства многослойных огнеупорных покрытий на АБФК;
- уточнить механизм формирования прочности оболочковых керамических форм на АБФК с периклазовой обсыпкой, а также изменение их физико-механических свойств при прокалке и охлаждении;
- создать статистическую математическую модель, позволяющую оптимизировать состав суспензии на АБФК для обеспечения достаточного уровня физико-механических свойств форм и реологических свойств суспензии;
- разработать ресурсосберегающую технологию изготовления керамических оболочковых форм на АБФК с применением зернистого периклаза в качестве обсыпочного материала;
- исследовать влияние ультразвуковой обработки на дегазацию суспензий на АБФК и создать соответствующую аналитическую функциональную математическую модель;
- разработать технологию ультразвуковой обработки суспензий на АБФК-связующем и изготовления керамических форм;
- изучить влияние разработанной ресурсосберегающей технологии точного формообразования на качество отливок ответственного назначения и освоить ее в производстве.
Научная новизна. Обоснована теоретически и подтверждена экспериментально система научных положений, обеспечивающих ресурсосберегающий характер новых технологических решений в изготовлении оболочковых керамических форм на АБФК для отливок из различных сплавов, в частности химически активных (сплавы на основе Ni, сложнолегированные стали и др.). В том числе:
получены новые данные по структурным и дилатометрическим параметрам многослойных керамических оболочковых форм на АБФК-связующем с периклазовой обсыпкой в области высоких температур, их физико-механическим свойствам;
установлены закономерности влияния ультразвукового воздействия на реологические свойства суспензий и физико-механические характеристики керамических оболочковых форм, создана аналитическая функциональная модель ультразвуковой дегазации суспензий на АБФК;
подтверждена термохимическая устойчивость керамических оболочковых корундовых форм на АБФК к заливаемым в вакууме жаропрочным никелевым сплавам.
Практическая ценность. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический процесс изготовления многослойных оболочковых керамических форм на алюмоборфосфатном концентрате с применением в качестве обсыпки зернистого периклаза. Оптимизирован состав суспензии, позволяющий получать керамические формы с повышенными прочностными свойствами и низкой химической активностью.
Освоение данной технологии позволяет существенно сократить цикл изготовления и повысить качество отливок из цветных и черных сплавов. Кроме того, отсутствие в связующем кремнезема способствует снижению риска появления обедненного легирующими элементами слоя на отливках из жаропрочных никелевых сплавов, заливаемых в вакууме, а замена дорогостоящего этилсиликата обеспечивает улучшение условий труда рабочих и экологической обстановки в цехе, а также снижение себестоимости производства отливок.
За счет снижения брака, сокращения продолжительности изготовления форм, использования недорогих формовочных материалов достигнут экономический эффект в размере 1,7 млн. руб. на 1 тонну годных отливок из жаропрочного никелевого сплава (в ценах сентября 2012 г.).
Реализация работы. Разработанный технологический процесс изготовления многослойных оболочковых керамических форм прошел опытно-промышленные испытания в условиях ОАО СКБ «Турбина» (г. Челябинск) на широкой номенклатуре отливок из сложнолегированных сталей и сплава на никелевой основе.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы представлялись на 9-ом и 10-ом съезде литейщиков России (2009, 2011 гг.), 8-ой Всероссийской научно-практической конференции (Санкт-Петербург) 2010 год, 6-ой Уральской межрегиональной молодежной выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ) изобретателей, рационализаторов «Евразийские ворота России», проводимой в рамках Всероссийской программы «Шаг в будущее» (медаль 1-ой степени в номинации «Лучшая рационализаторская разработка», Челябинск, 2011 г.), 11-ой Всероссийской выставке НТТМ (премия Президента Российской Федерации, установленная указом от 6 апреля 2006 года №325 «О мерах государственной поддержки талантливой молодежи», Москва, 2011 г.), 3-ей, 4-ой и 5-ой конференции аспирантов и докторантов ЮУрГУ (2011-2013 гг.), 63-ей 64-ой и 65-ой научных конференциях преподавателей и сотрудников ЮУрГУ (2011 – 2013 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных статей (в том числе из перечня ВАК – 6), получено 5 патентов на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы из 109 наименований и 2 приложения; содержит 127 страниц машинописного текста, 18 таблиц, 33 рисунка.
Перспективы использования алюмоборфосфатного концентрата для литья по выплавляемым моделям
История использования металлофосфатных связующих в литейном производстве начинается с 60-х годов XX века, когда были запатентованы формовочные смеси, отверждаемые ортофосфорной кислотой и оксидом магния [49, 54, 55]. В 1970 г. был заявлен способ получения холоднотвердеющих смесей, содержащих связующую композицию на основе окалины железной и ортофосфорной кислоты [49, 56]. В странах восточной Европы предпочтение отдается модифицированным связующим, получаемым обработкой фосфорной кислоты соединениями алюминия и хрома, вследствие чего образуются комплексные алюмохромистые фосфаты [49]. Такие связующие растворы обладают невысокой вязкостью (аналогично жидкому стеклу), достаточной технологической прочностью и хорошей выбивае-мостью. Недостатком данного способа является необходимость тепловой обработки изготовленных стержней для их отверждения. В Польше данная технология известна как «FOSTERM» [7].
В Чехии и Словакии проводятся работы по исследованию отвердителей хромомагнезитового типа [49], в Болгарии -холоднотвердеющих фосфатных смесей фаялитового (железорудного) концентрата [49, 56], а в США - металлофосфатных связующих [49].
В США родоначальниками композиций на основе водных растворов металлофосфатов является система «INOSET» фирмы «Ashland Chemical». Ими предложена технология модифицирования раствора металлофосфатов фосфатами бора и алюминия с использованием полиспиртов, а также оксикислот, где отвердите-лем является порошковый ингредиент - оксиды щелочных металлов (MgO, СаО) [49]. Технология системы «INOSET» обеспечивает высокую термостойкость, легкую выбиваемость форм и стержней, а также гигиеничность процесса. Недостатками данного метода является высокая стоимость связующего и низкие физико-механические характеристики стержней и форм.
Исследования, проведенные фирмой, привели к разработке нового неорганического связующего [46, 54]. Разработанное фирмой «Hutteres Albertus Chemische Werke GmBH» (Дюссельдорф, Германия) связующее на основе полифосфата и сульфата натрия «Cordis» за счет низкой газотворности и достаточной газопроницаемости форм и стержней обеспечивает высокое качество отливок без газовых дефектов [7]. Недостатками данного связующего является его узкоспециализиро-ванность и дороговизна, что с экономической точки зрения обуславливает применение системы «Cordis» только для особо ответственных отливок. Группой немецких компаний, которая включает такие предприятия как «AsMand-Sudchemie-Kernfest GmbH» (Хилден), «AS Liingen GmbH» (Белдорф) и др., запланировано строительство цеха изготовления отливок из алюминиевых сплавов для концерна «BMW» с применением формовочных материалов на основе неорганических связующих, в достаточной степени удовлетворяющих требованиям по экологической безопасности системы «INOTEC» [7, 55]. Принятая в Европе система «INOTEC» основывается на использовании экологически безопасных материалов, не оказывающих негативного воздействия на окружающую среду, на металлургических предприятиях [7]. Преимуществом новых технологий является отсутствие необходимости нейтрализации газообразных продуктов производства ввиду исключения из технологического процесса органических материалов. В России и за рубежом применение материалов системы «INOTEC» сдерживается из-за их дороговизны
В России вопросами применения и разработки металлофосфатных связующих композиций занимаются таки предприятия, как ОАО «ПТИлитпром», НПО ПНИИТмаш совместно с ГИПРОЦЕМЕНТом, Ижорским и Уралмашзаводами [7, 49], Санкт-Петербургский университет, Липецкий политехнический институт в содружестве с Чувашским государственным университетом, НПО ВНИИлитмаш, Липецким литейным заводом «Центролит», Макеевским труболитейным и Куйбышевским сталелитейным заводами [9, 11, 30, 31, 49]. Южно-Уральский государственный университет, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина [49], а также другие организации. Связующие на металлофосфатах, помимо форм и стержней в классическом литье, используются также в литье по выплавляемым моделям как в качестве самостоятельного связующего, так и совместно с этилсиликатом [7, 49, 51].
Известны технологические процессы изготовления полупостоянных форм из смесей на основе металлофосфатных связующих композиций [49]. Высокая прочность форм достигается прессованием и тепловой обработкой, в процессе которой приобретается прочность от 7 до 50 МПа. При этом, аналогично кокилям, обеспечивается возможность регулирования теплофизических свойств форм, что важно при создании необходимых условий кристаллизации отливок [7].
ОАО «ПТИлитпром» была разработана холоднотвердеющая смесь на основе алюмоборфосфатного связующего, получивший название «ФОСКОН-процесс» [49, 53]. Благодаря проведенным исследованиям установлено, что ХТС на основе этого связующего обеспечивает формам высокую термопрочность и точность, а отсутствие вредных компонентов улучшает условия труда. Такие смеси после заливки металла теряют прочность, что обеспечивает высокую податливость стержня и легкую выбиваемость отливок [56]. «ФОСКОН-процесс», таким образом, первый широко распространенный в России метод получения форм и стержней с применением связующего на алюмоборфосфатном концентрате (АБФК). Авторами рассматривались лишь методы изготовления форм из набивных пластичных смесей, не рассматривая возможности изготовления форм для ЛВМ. Также не изучалось влияние технологических добавок на свойства формовочных материалов.
Благодаря экспериментальным работам, выполненным Васиным Ю.П., Александровым В.М., впервые определен положительный эффект от обработки формовочных песков металлофосфатами [7, 53]. Доказано, что водорастворимые гидрофосфаты К+, Са2+, Na+, NH41", Al3+ , Сг3+ и Н3Р04 имеют высокие значения прочности и термостойкости, кроме того, они превосходно смачивают частички кварцевого песка. В результате проведенных исследований была выявлена возможность за счет обработки песка металлофосфатами снизить содержание глинистой составляющей с 1,0 до 0,2 %, уменьшить на 30 % удельную поверхность и повысить на 50 % его проницаемость. Помимо всего прочего, разработанные различные составы на основе металлофосфатов, предназначенные для окраски и финишной обработки стержней и форм и, позволяющие снизить пригарообразование на отливках [49].
Больших успехов в области исследования теории и технологии применения фосфатов достигли И.Е. Илларионов и Е.С. Гамов [49]. Ими было выявлено, что технологические характеристики фосфатных смесей связаны с внутренними физическими явлениями и силами сцепления составляющих компонентов и напрямую зависят от давления прессования и внешнего трения. Исследования системы МеО - Р2О5 - Н20 разработаны и изучены новые составы фосфатных связующих [7, 55].
Структура и свойства суспензий и керамических форм на АБФК-связующем
С целью изготовления керамических форм с регламентированными технологическими и физико-механическими характеристиками, необходимыми для изготовления отливок методом ЛВМ, проводились исследования, в ходе которых разработан предварительный состав суспензии для изготовления многослойных оболочек. Данный состав включил в себя: водный раствор АБФК в качестве связующего, электрокорундовый наполнитель и зернистый обсыпочный материал - пе-риклаз.
Применение магнийсодержащего отвердителя для АБФК обеспечивает время затвердевания слоя в пределах 40... 60 мин вследствие химического затвердевания слоев, обеспечивающего, ввиду химической чистоты наполнителя, высокую плотность структуры. Результаты исследования микроструктуры на растровом электронном микроскопе представлены на рис. 2.4.
Проведенные эксперименты способствовали определению влияния компонентного состава в пределах допустимых значений на различные характеристики суспензии и форм [7]. Условия проведения экспериментов приведены в табл. 2.5.
В качестве рабочих материалов использовали: микропорошки электрокорунда белого (ТУ 3988-075-00224450-99) порошок периклазовый спеченный (ТУ 14-8-448-83), АБФК (ТУ 113-08-606-87); воду дистиллированную (ГОСТ 2874-82).
Для проведения исследований следующим образом готовили необходимую суспензию. На основе АБФК готовили связующий раствор, для этого алюмобор фосфатный концентрат смешивали с дистиллированной водой для получения не 100pm JEOL 06.09.2011 2 0,0kV COMPO SEM WD 10,0mm 12:16:04
Рис. 2.4. - Структура керамической формы (х200) обходимой плотности раствора. Замешивали суспензию, для этого отмеряли требуемое количество связующего и взвешивали необходимое количество компонентов. Связующее выливали в емкость с мешалкой, добавляли электрокорунд и доводили до однородной консистенции посредством перемешивания при скорости вращения мешалки 600... 800 об/мин в течение 20... 30 мин [7, 16].
С целью получения адекватных данных по влиянию состава смеси на свойства суспензий и форм, изменение параметров из табл. 2.5 проводили поочередно, принимая остальные в пределах их среднего значения, затем измеряли свойства смеси и изготовленных из нее образцов. Сравнение проводили по величинам прочности образцов при изгибе через 24 часа и их газопроницаемости [57, 73].
Прочность при изгибе через 24 часа определяли на стандартных прямоуголь-ных образцах длиной и шириной 510" м и 2-10" м соответственно.
Вязкость суспензии определяли по вискозиметру ВЗ-4, фиксируя время вытекания подготовленного объема суспензии через калиброванное отверстие.
Продолжительность затвердевания исследуемой суспензии замеряли по методике, описанной в пункте 2.1.
Для определения газопроницаемости изготавливали керамические образцы диаметром 50 мм и высотой 5 мм, которые впоследствии подвергались прокалке.
Влияние варьируемых параметров из табл. 2.5 на свойства смесей и формо-оболочек представлено на рис. 2.5...2.8. Исходя из графиков (рис. 2.5, 2.6) видно, что с увеличением плотности связующего раствора прочность образцов и вязкость суспензии возрастают, а газопроницаемость снижается. При этом прочности равной 4...5 МПа соответствует плотность АБФК 1,3... 1,4 г/см . Таким же количественным характеристикам плотности соответствуют: газопроницаемость 6,5...8,5 ед. и вязкость 50...60 с. При значениях плотности более 1,4 г/см значительно возрастает вязкость суспензии, что снижает точность воспроизведения формой рельефа моделей, особенно сложнопрофильных. Кроме того, снижается газопроницаемость суспензии, ухудшая условия для отвода газообразных продуктов, неизбежно выделяющихся при заливке форм сплавами. Помимо этого, повышенная вязкость ведет к увеличению расхода связующего и чрезмерному удоро жанию суспензии, поэтому с экономической точки зрения не обосновано. Вели-чина значения плотности ниже 1,3 г/см не обеспечивает достаточного уровня физико-механических характеристик образцов, что может привести к разрушению форм в процессе заливки и браку отливок.
Согласно соответствующим графикам на рис. 2.5, 2.7, с ростом количества связующего происходит плавное увеличение прочности образцов при изгибе, но, при превышении количества в 40% зафиксирован обратный эффект плавного снижения прочности. Это является следствием существенного разжижения смеси и недостаточным количествам частиц корундового наполнителя. Газопроницаемость и вязкость суспензии с ростом содержания АБФК в системе снижается в связи с повышением содержания воды. Поэтому концентрация водного раствора АБФК в интервале 35...40 % является оптимальной с точки зрения реологии и прочности получаемых керамических формооболочек.
Графические зависимости, приведенные на рис. 2.5 и 2.8, показывают, что при уменьшении размеров зерен наполнителя повышается седиментационная устойчивость суспензии, обеспечивается однородность ее консистенции. Вдобавок, благодаря небольшим размерам зерна наполнителя, обеспечивается его плотно-упакованное состояние, и, как следствие, более низкая газопроницаемость. По-вышение удельной поверхности до 3500 м /г способствует увеличению прочности образцов, т.к. увеличивается число контактов между равномерно покрытыми пленкой АБФК зернами наполнителя. При дальнейшем увеличении удельной поверхности повышается расход связующего и прочность образцов резко снижается. Из графиков видно, что допустимым значениям вязкости (50...60 с), газопроницаемости (5...7 ед.) и прочности образцов на изгиб (4,5...5,0 МПа) соответствует значение удельной поверхности 3000...3500 м /г.
В дальнейших исследованиях для определения свойств разработанной суспензии проводилась дилатометрия, дериватография, а также качественный рент-генофазовый анализ.
Дилатометрическое исследование формовочных смесей осуществляли на дилатометре «PAULIK» (Венгрия). С этой целью образцы диаметром 5 мм и высотой 25 мм на воздухе грели со скоростью 10 С/мин, фиксировали со временем А1обр в зависимости от температуры Т (кривая Т) расширение (кривая TL), скорость изменения линейных размеров и рассчитывали относительное изменение размеров образцов в % при нагреве. Точность измерений составляла +0,1 %.
На рис. 2.9 представлена дилатограмма образца, изготовленного из разработанной смеси с применением электрокорунда в качестве наполнителя [74, 76].
Особенности воздействия УЗ-поля на металлофосфатную суспензию
Проведенный анализ литературных данных [90-92] позволил сделать предположение о возможности применения ультразвука (УЗ) для физической активации процессов формообразования из смесей на АБФК при получении широкой номенклатуры отливок. В процессе анализа принимались во внимание особенности суспензий: распространение звуковых волн обеспечивается без введения волновода в объём формы и перемешивания суспензии при обработке УЗ.
На сегодняшний день ультразвуковая техника - преобразователи и генераторы ультразвука - в жидкости позволяет реализовать кавитационные явления и активные акустические течения, что обеспечивает интенсификацию протекающих процессов как в жидкостях, так и на границе раздела фаз жидкость-твёрдое тело и жидкость-газ [90].
Помимо корундовых форм, для отливок из углеродистой стали экономически целесообразным является использование более дешевого пылевидного кварца в качестве наполнителя суспензий. Однако подготовка кварцевой суспензии на АБФК сопровождается интенсивным газовыделением (водород) в результате взаимодействия примесей пылевидного кварца с фосфорной кислотой, образующейся при гидролизе АБФК. В связи с этим предполагалось задействовать ультразвуковую дегазацию указанной суспензии.
В настоящее время широкое распространение получили огнеупорные суспензии на гидролизованном растворе этилсиликата, а также на водных растворах кремнезолей. Суспензии на этилсиликатном связующем универсальны и могут использоваться практически для любых сплавов. Известные составы суспензий на кремнезолях имеют ограниченную применяемость, несмотря на то, что являются безопасными с точки зрения экологии. Суспензии на алюмоборфосфатном концентрате комбинируют в себе достоинства этилсиликатных и кремнезольных композиций, исключая, при этом, их недостатки.
Учитывая особенности воздействия ультразвукового поля на различные материалы, представлялось целесообразным изучить закономерности изменения свойств и структуры кварцевых суспензий на металлофосфатном связующем в поле ультразвукового воздействия.
Раствор АБФК плотностью 1,4 г/см был разделен на несколько частей, которые подвергались УЗ воздействию различной длительности. Для проведения обработки готовили емкость, дно которой выполняло функции волновода. Заливали внутрь суспензию на высоту 0,1 м. Для генерирования УЗ использовались генераторы типа УЗГ-22-10 и магнитострикционные преобразователи ПМС6-22 [90]. Параметры проведения экспериментов приведены в табл. 3.1.
Сравнивались при этом следующие показатели: условная вязкость (v), удельное электросопротивление (р), водородный показатель (рН).
Условную вязкость определяли по вискозиметру ВЗ-4 и секундомеру. Для получения значений электросопротивления с последующим расчётом удельного электросопротивления применяли универсальный мост переменного тока Р1050 (автоматический) с точностью измерения +0,01 %. Уровень кислотности/основности раствора проводили с использованием рН-метра марки рН-673.М с точностью +0,01 ед. Показатель преломления определяли по рефрактометру Аб-бе модели РПЛ-3 с точностью измерений + 0,01 ед.
Влияние УЗ на свойства АБФК при соблюдении средних значений параметров из табл. 3.1 представлено в табл. 3.2. Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что УЗ обработка раствора АБФК сопровождается уменьшением водородного показателя смеси. Значения вязкости и удельного электросопротивления в зависимости от времени воздействия ультразвука имеют экстремальный характер.
Ниже рассмотрен вероятный механизм влияния ультразвукового воздействия на свойства раствора АБФК.
В исходном состоянии алюмоборфосфатный концентрат - это соль ортофос-форной кислоты с общей формулой Al3B(H2P04)i2 [57-60, 90]. В процессе доведения плотности до необходимого значения проходит реакция его гидролиза, при этом образовывались двузамещённые соли Под влиянием ультразвукового воздействия кавитационные явления способствуют прохождению третьей стадии гидролиза, а также ионизации молекул воды [90-92]:
Образовавшиеся на этом этапе компоненты выносятся за пределы «клетки» за счет акустических течений, не перестраиваясь, и способны вступать в следующие реакции [93]:
При этом в растворе появляются перекись водорода, ионы оксония, а также увеличивается степень гидролиза солей А1 и В, что способствуют снижению водородного показателя.
Влияние ультразвукового воздействия на свойства раствора АБФК имеет двойственный характер. Такой дуализм состоит в одновременном протекании двух физически «противоположных» процессов: измельчение частиц раствора в поле ультразвукового воздействия и их агрегация на определённой стадии обработки. При этом возбужденные ультразвуком акустические течения повышают скорость движения частиц в растворе, и, тем самым, создают условия для роста коллоидных частиц. Степень диспергирования частиц в растворе определяется, противоположным указанному, процессом акустической кавитация [91-94]. На первом этапе УЗ обработки максимальное влияние оказывают процессы, вызванные развитием кавитационной полости, что зафиксировано по изменению показателя преломления (см. табл. 3.2). В процессе диспергирования частиц в растворе снижается его вязкость м показатель электросопротивления.
Взаимодействие химически активных сплавов с керамическими формами и его воздействие на качество отливок
При проведении опытно-промышленных испытаний на предприятии ОАО СКБ «Турбина» (г. Челябинск) были отработаны технологии производства отливок ответственного назначения методом литья по выплавляемым моделям в многослойные керамические формы, а также изучено их влияние на качество машиностроительных отливок химически активных жаропрочных никелевых сплавов.
Технико-экономические показатели (ТЭП) получения отливок жаропрочных никелевых сплавов с использованием разработанного технологического процесса во время его промышленной апробации и освоения в производстве сравнивались с базовыми ТЭП.
Основной проблемой при получении качественных отливок из химически активных сплавов (жаропрочные никелевые сплавы, некоторые сложнолегирован-ные стали) является обеспечение инертности керамических форм по отношению к заливаемому металлу в условиях вакуума [106]. Недостаточная инертность фор-мооболочек, изготовленных на гидролизованном растворе этилсиликата к заливаемым сплавам, содержащим химически активные компоненты, связана с наличием в форме большого количества свободного БіОг. Кремнезем, содержащийся в лицевых слоях формы, является в условиях высокого разрежения печной атмосферы сильным окислителем таких компонентов сплава как алюминий и титан, взаимодействуя с ними с образованием А1203 и ТЮ2, формирующих плены.
В результате окисления кремнеземом компонентов сплава на фазовой границе «металл-форма», выделяется кремний, который, имея малый атомный радиус, близкий по значению к атомному радиусу никеля, и высокую в нем растворимость (до 15%) способен насыщать залитый в форму металл [106, 107]. Наличие точечных включений Si и Fe в поверхностном слое отливки обедняет ее основными легирующими элементами - Cr, Со, W, Mo (рис. 4.1, 4.2). Стоит отметить, что снижение содержания кобальта в жаропрочных сплавах уменьшает температуру растворения у -фазы и нарушает равномерность ее выделения при термообработке (рис. 4.3), ухудшая жаропрочность. Кроме того, насыщение литой поверхности кремнием исключает возможность повторного использования металла, так как при переплаве приводит к насыщению расплава во всем объеме. Таким образом, кремний, содержащийся в сплаве выше допустимых пределов, в зоне насыщения изменяет микроструктуру сплава, что отрицательно сказывается на служебных свойствах отливок [108].
Изучение причин дефектности отливок из жаропрочных никелевых сплавов, получаемых методом литья по выплавляемым моделям, показало, что максимальная доля брака приходится на точечные дефекты, поражающие литую поверхность, выражающиеся при проведении люминесцентного контроля отливок в виде фонового свечения (рис. 4.4).
Для повышения химической инертности форм в условиях вакуума были предприняты попытки замены этилсиликатного связующего другими материалами, например, растворами азотнокислых солей кальция, гидроксида магния. Однако жаропрочные никелевые сплавы имеют очень жесткие требования по содержанию примесей, в частности кальция и магния, поэтому использование этих материалов неприемлемо. Кроме того, соединения указанных элементов обладают высокой упругостью пара и крайне неустойчивы в вакууме [106-108].
Таким образом, можно сделать вывод о возможности применения алюмо-борфосфатного концентрата для производства отливок из жаропрочных сплавов. Химический состав оболочки, изготовленной по разработанной технологии (п. 2.4), в частности, отсутствие в ней кремнезема, обуславливает исключение негативных факторов, ухудшающих технологические свойства получаемых отливок.
Экспериментальная оценка влияния состава керамической оболочки на АБФК-связующем на качество поверхности литья проводилась для отливок из сплава ВЖЛ12У-ВИ в условиях ОАО СКБ «Турбина» (рис. 4.5-4.7). Результаты показали, что отливки, полученные в такие формы имеют более высокое качество поверхности (рис. 4.8), существенно снижается фоновое свечение поверхности при исследовании методом капиллярной люминесценции (рис. 4.9). Кроме того, постоянная величина вакуума при заливке свидетельствует о стабильности компонентов форм и их низкой газотворности [109]. Указанные достоинства формооболочек на АБФК в совокупности способствуют снижению их термохимической активности.
На рис. 4.10, 4.11 представлено изменение химического состава образца сплава ВЖЛ12У-ВИ по основным легирующим элементам в поверхностном слое на глубине 10, 20 и 30 мкм. Анализ приведенных данных показывает, что в поверхностном слое во время заливки не происходило химических реакций, сопровождающихся растворением компонентов формы в объеме металла, о чем свидетельствует относительная стабильность состава сплава в исследуемой зоне.
На рис. 4.12 представлена микроструктура опытного образца до термообработки. Равномерное распределение крупных частиц у -фазы первичной свидетельствует об однородности состава сплава и отсутствии обедненного поверхностного слоя. Это подтверждается результатами поэлементного анализа элементов, приведенными на рис. 4.13.
Анализ микроструктуры термообработанного образца (рис. 4.14) показывает, что данная проба состоит из у-твердого раствора на основе никеля и ровной мелкой сетки упрочняющей у -фазы вторичной без дефектных областей.
Таким образом, можно сделать вывод о полной химической инертности керамических форм, изготовленных по разработанной технологии относи тельно жаропрочного сплава, и возможности замены процесса с применением гидролиз о-ванного этилсиликата, содержащего в своем составе до 22 % Si02.
Внедрение разработанной технологии позволит снизить дефектность отливок по неметаллическим включениям, засорам, поверхностному насыщению кремнием, негативно влияющим на жаропрочность никелевых сплавов, и обеднению основными легирующими элементами слоя, а, следовательно, снизить брак с базовых 55 % до 30 %.
