Исследование влияния влаги на качество оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям

19. Разработка и исследование составов торфосодержащих ме-таллофосфатных смесей для изготовления разделительных пластин теплоизолированных легкоотделяемых прибылей / Петрова Н.В., Журавлев А.Ф., Илларионов И.Е., Стрельников И.А. // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. 2010. № 4. С. 159-162.

20. Илларионов И.Е., Петрова Н.В. Особенности применения жидко-стекольных смесей // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. 2010. № 4. С. 62-70.

21. Илларионов И.Е., Стрельников И.А., Петрова Н.В., Журавлев А.Ф. Теплоизоляционная смесь для утепления прибылей отливок: Пат. 2356688 РФ.

22. Проблемы и один из путей улучшения выбиваемости жидко-стекольных смесей в литейном производстве / Илларионов И.Е., Стрельников И.А., Петрова Н.В., Журавлев А.Ф. // Инно-

вации в образовательном процессе: сб. трудов Межрегиональной научно-практической конференции. 2008. С. 77-78.

23. Илларионов И.Е., Кузнецов В.П. Вакуумно-пленочная формовка, история развития и внедрения в отечественной промышленности // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. № 10. С. 3-9.

24. Илларионов И.Е., Столяров А.М. Исследование влияния электрических сил формовочных материалов на формирование физико-механических и технологичес-ких свойств смесей // Вестник Магнитогорского государственного университета им. Г.И. Носова. 2007. № 1. С. 88-97.

25. Илларионов И.Е., Брялин М.Ф. Теоретические и технологические основы разработки стержневых смесей на основе новых неорганических фосфатных связующих и порошкообразных отвердителей // Вестник Магнитогорского государственного университета им. Г.И. Носова. 2006. № 4. С. 24-33.

Сведения об авторах

Илларионов Илья Егорович - д-р техн. наук, проф., академик РАЕН, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, заслуженный деятель науки Чувашской Республики, зам. заведующего кафедрой материаловедения и металлургических процессов, Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова, Чебоксары, Россия. Тел.: (8352) 45-39-39. Е-таП^тПр@гатЫег.ш

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

WAYS TO IMPROVE THE QUALITY OF CASTINGS

Illarionov Ilya Egorovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Academician of the Academy of Natural Sciences, Honored Worker of Science and Technology of the Russian Federation, honored worker of science of the Chuvash Republic, Deputy. head of the department of materials science and metallurgical processes, the Chuvash State University. IN Ulyanova, Cheboksary, Russia. Phone: (8352) 45-39-39. E-mail: tmilp@rambler.ru

Abstract. Some aspects of improving the quality of castings from ferrous and non-ferrous metals and alloys. Recommendations for the use of molding sands, binders and nonstick coatings.

Keywords: scabs, quartz sand, heat resistance properties of mixtures and coatings.

♦ ♦ ♦

УДК 669.742

Чернов В.П., Сафонова Е.А., Астапов Е.Н.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЛАГИ НА КАЧЕСТВО ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Аннотация. Послойное нанесение и сушка огнеупорных слоев при изготовлении оболочковых форм, используемых для литья по выплавляемым моделям, часто сопровождается растрескиванием и отслаиванием формируемых слоев. Повышению размерной точности форм способствует использование определенных способов удаления влаги, уменьшающих усадочные напряжения. Проводимые исследования актуальны для отработки режимов удаления влаги.

Ключевые слова: литье, оболочковая форма гидролиз, этилсиликаты, термоанализатор,, суспензия, зола, маршалит.

Наиболее трудоемкая и длительная операция в технологии литья по выплавляемым моделям - сушка оболочек. Послойное нанесение и сушка огнеупорных слоев при изготовлении оболочковых форм (ОФ) в 1-15% сопровождается растрескиванием и отслаива-

нием формируемых слоев [6].

Известно, что возникновение внутренних напряжений в покрытии вызвано усадочными процессами. Напряжения, концентрируясь на структурных неод-нородностях, приводят к зарождению и развитию

© Чернов В.П., Сафонова Е.А., Астапов Е.Н., 2016

трещин в ОФ [1].

Одним из важных резервов повышения размерной точности форм является отработка режимов удаления влаги. Повышению размерной точности форм способствует использование способов удаления влаги, уменьшающих усадочные напряжения [2].

Исследовали влияние связующего (ЭТС-40) и добавок, вводимых в суспензию, на содержание влаги и режим ее удаления.

В лаборатории МГТУ им. Г. И. Носова были проведены исследования гидролиза геля этилсиликата термическим методом и методом инфракрасной спектроскопии, с целью изучения удаления влаги и углерода из ЭТС-40. Гидролиз этилсиликата проводили по методике туймазинского завода автобетоновозов. Составляющие для гидролиза приведены в табл. 1.

Исследование полученного гидролизата ЭТС-40 проведено термическим методом на термоанализаторе STA 443 F3 фирмы «NETZSCH». Исследуемую пробу нагревали в среде воздуха до температуры 9000С со скоростью 10 град /мин.

Таблица 1

Соотношение составляющих для гидролиза

Материал Масса, кг

ЭТС-40 0,200

Спирт этиловый 0,216

Ацетон 0,175

Кислота соляная 0,00188

Кислота серная 0,00146

Вода дистиллированная 0,033

Итого 0,43158

До проведения термоаналитических исследований пробу гидролизата ЭТС-40 выдерживали на воздухе в течение нескольких (5-7) суток. Затем осадок промывали дистиллированной водой до полного удаления кислот (соляной и серной) и высушивали в естественных условиях (рис. 1).

На кривой ДСК гидролизата ЭТС-40 в интервале температур 57-2000С наблюдается значительный эн-

дотермический эффект с максимумом при температуре 116,50С, соответствующий выделению молекул воды из внутренних слоев геля и с поверхности кремнезема. Потери массы при этом составляют порядка 18%. В интервале температур 200-500°С на кривой ДСК наблюдается отсутствие каких-либо эффектов, но при этом отмечается на кривой ТГ дальнейшее изменение массы (потери массы), связанное с выделением остатков воды. Свыше 5000С наблюдаются незначительные экзотермические эффекты при температуре 553 и 6200С, соответствующие, вероятнее всего, термодеструкции этоксигрупп. При нагревании свыше 7000С потери массы отсутствуют.

По результатам термогравиметрического анализа (ТГ) построена кривая выделения влаги из геля этил-силиката, приведенная на рис. 2. Как видно из этого рисунка, выделение влаги из связующего происходит в интервале температур 40-7000С, при этом порядка 80% всей влаги удаляется до 2000С. Количественное содержание влаги определено на анализаторе углерода и влаги СW MULTIPFASE, оно составляет 23,5%. Это свидетельствует о том, что данные, полученные термогравиметрическим анализом и методом инфракрасной спектроскопии, сопоставимы.

Количество выделения влаги и углерода в зависимости от времени анализа определено на анализаторе углерода и влаги СW MULTIPFASE (Германия). Количественное содержание влаги определено при температуре 6500С. Содержание влаги в гидролизованном этил-силикате составляет 23,5%, а углерода - 0,46%. Происходит постепенное выгорание углерода и влаги. В результате выгорания органической составляющей в не-гидролизованном этилсиликате образуется СО2 и Н2О. Содержание Н2О составляет 62,8% а СО2 - 72,6 %. Выгорание углерода происходит в две стадии.

Таким образом, из проведенных нами исследований видно, что при гидролизе этилсиликата образуется аморфный кремнезем, непретерпевающий фазовые превращения при нагреве и охлаждении. Поэтому при прокаливании огнеупорных оболочек гидролизат этилсиликата не оказывает никакого влияния на по-

ioü

Лим \ ю/. ¿и 10

300

äoо

400 500

Тдмги0.авда PC

600

100

-Рис. 1. Т

ермограмма этилсиликатного геля

№0

ДСКДигВыг)

92

43

лиморфные превращения. При нагреве этилсиликата выделяется углерод и вода, при этом порядка 80% влаги удаляется до 2000С (рис. 2). Технологические свойства этилсиликата зависят от способа осуществления и условий протекания реакции гидролиза [4]. Особенно большое влияние оказывает температура среды. Увеличение продолжительности гидролиза и повышение температуры среды способствует укрупнению частиц золы [4,5].

* 30

о

5 20

15

I 0

200 300 400 500 600 700 800 900 Температура

Рис. 2. Удаление влаги из геля этилсиликата при нагреве

Исходя из полученных данных, желательно провести корректировку режима сушки и прокаливания с целью уменьшения трещинообразования при интенсивном удалении влаги. Поэтому для получения гомогенных растворов рекомендуется охлаждать реактор проточной водой, чтобы температура среды не превышала 30 0С.

Исследовали влияние состава огнеупорной основы на содержание влаги в форме. Определили изме-

нение массы (%) исследуемых суспензий на воздухе в зависимости от времени (зола и маршалит прокаленные) гравиметрическим методом (рис. 3). Масса исследуемых проб составляла 50 г, из них наполнитель - 30 г, 20 г - гидролизованный ЭТС. При гидролизе ЭТС из 20 г образуется 3 г связующего SiO2 и 17 г испаряется. Содержание воды в пробе за счет связующего 1,2-1,5 %. Как видно из представленного графика, влага из суспензий разных составов испаряется одинаково, из чего можно сделать вывод о том, что применение суспензий с добавкой золы ТЭЦ возможно, и на сушку керамических форм особого влияния не окажет.

Кривые выделения углерода и воды, выполненые на анализаторе углерода и воды CW Multiphase фирмы Eltra, представлены на рис. 4 и 5. Пробы золы ТЭЦ и маршалита не прокалены. Как видно из графика 3, воды в золе ТЭЦ содержится в гидроскопиче-ском виде в количестве 0,7 %. Количественное содержание углерода составляет 8,5%. На графике 4 представлен маршалит, в котором содержание углерода составляет 0,2 %, это обьясняется присутствием в нем карбонатов. А общее содержание воды 2,9%, из них 1,19% - это гидроскопическая влага, а 1,71% -кристализационная.

Таким образом, можно сказать о том, что операцию предварительного прокаливания наполнителя необходимо проводить как в случае использования маршалита, с целью удаления влаги, так и в случае использования золы ТЭЦ с целью удаления углерода (табл. 2, 3).

Маршалит -100% маршалит 90%, 10% зола Маршалит 70%, 30 % зола Маршалит 60%, 40% зола Маршалит 50%, зола 50% Маршалит 40%, 60 % зола Маршалит 30%, зола 70% Маршалит 10%, 90% зола Зола 100%

24

Рис. 3. Изменение массы исследуемых образцов на воздухе

5

1

2

3

Рис. 4. Кривая выделения углерода и воды при нагреве золы ТЭЦ

Рис. 5. Кривая выделения углерода и воды при нагреве маршалита

Таблица 2

Определение углерода и воды на анализаторе CW MULTIPHASE при температуре 6500С

Номер пробы Наименование материала Массовая доля компонента, %

C СО2 H2O ИМПП

1 Маршалит 100% 0.08 0.29 4.23 4.52

2 (90%)маршалит + (10%) золы 0.11 0.40 1.68 2.08

3 (80%)маршалит + (20%) зола 0.24 0.88 3.39 4.27

4 (70%)маршалит + (30%) золы 0.32 1.17 5.6 6.77

5 (60%)маршалит + (40%) зола 0.41 1.50 6.65 7.15

6 (50%)маршалит + (50%) зола 1.29 4.7 11.7 13.31

7 (40%)маршалит + (60%) зола 0.51 1.80 6.8 8.60

8 (30%)маршалит + (70%) зола 1.54 5.65 11.1 16.75

9 (20%)маршалит + (80%) зола 1.0 3.6 12.8 16.20

10 (10%)маршалит + (90%) зола 1.12 4.1 10.3 14.4

11 Зола (100 %) 1.02 3.6 12.6 15.20

Анализ выполнен после хранения проб на воздухе 15 суток, пробы сухие.

Таблица 3

Определение углерода и воды на анализаторе CW MULTIPHASE при температуре 6500С

Номер пробы Наименование материала Массовая доля компонента, %

С СО2 H2O ИМПП

1 Маршалит 100% 2.41 8.85 25.67 34.52

2 (90%)маршалит + (10%) золы 0.61 3.10 7.56

3 (80%)маршалит + (20%) зола 2.15 7.90 19.17 27.07

4 (70%)маршалит + (30%) золы 1.60 5.87 16.26 22.13

5 (60%)маршалит + (40%) зола 1.77 6.50 17.0 23.50

6 (50%)маршалит + (50%) зола - - - -

7 (40%)маршалит + (60%) зола 1.46 5.36 15.72 21.08

8 (30%)маршалит + (70%) зола 1.58 5.80 17.39 23.19

9 (20%)маршалит + (80%) зола 1.35 4.95 13.30 18.25

10 (10%)маршалит + (90%) зола 1.90 6.97 20.46 27.43

11 Зола (100 %) 2.35 8.62 25.3 33.92

Анализ выполнен после хранения проб в течение 2-3 суток. Пробы влажные.

Исходя из всего вышесказанного, можно отметить, что введение в суспензию предварительно прокаленной золы ТЭЦ не повлияет на содержание влаги в форме, что, в свою очередь, удешевит процесс изготовления ОФ.

Список литературы

1. Сапченок И.Г., Жилин С.Г. Деформационные процессы в формируемых слоях оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям // Литейщик России. 2011. №4. С. 34-38.

2. Озеров В.А., Гаранин В.Ф. Литье повышенной точности по разовым моделям: учеб. пособие для СПТУ. М.: Высш. шк, 1988. 87 с.

3. Литье по выплавляемым моделям / В.Н. Иванов, С.А. Казеннов, Б.С. Курчман и др.; под общ. ред. Я.И. Шкленника,

В.А. Озерова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение,1984. 408 с.

4. Литье по выплавляемым моделям / под ред. Я.И. Шкленника и В.И. Озерова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1971. 436 с.

5. Эльцуфин С.А. Литье повышенной точности / под. общ. ред. Липницкого А.М. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1981. 80 с.

6. Чернов В.П., Селиванова Е.А. Исследование свойств огнеупорных суспензий, используемых для керамических форм при литье по выплавляемым моделям // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им Г.И. Носова. 2010. №3. с 21-25.

7. V. P. Chernov, E. N. Astapov, and E. A. Safonova Investigation into Thermalphysic Properties and Thermal Stability of Shell Molds Based on Quartz Sand and Ash of Thermoelectropower Stations for a Foundry Using Dispensable Patterns. ISSN 1067-8212, Russian Journal of Not-Ferrous Metals, 2011 ,vol. 52, pp. 437-441.

Сведения об авторах

Чернов Виктор Петрович - д-р техн. наук, проф. кафедры литейного производства и материаловедения, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: tcher-nov@mail.ru

Сафонова Екатерина Алексеевна - аспирант кафедры литейного производства и материаловедения, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: selivanova_87@mail.ru

Астапов Евгений Николаевич - ст. преп. кафедры физики, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: enastapov@mail.ru.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

STUDY OF THE INFLUENCE OF MOISTURE ON QUALITY OF SHELL MOULDS IN LOST-WAX CASTING

Chernov Viktor Petrovich - D.Sc. (Eng), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: tchernov@mail.ru

Safonova Ekaterina Alekseevna - Postgraduate Student Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: selivanova_87@mail.ru

Astapov Evgeny Nikolaevich - Assistant Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: enastapov@mail.ru.

Abstract. Layering and drying the layers in making of refractory shell molds used for shell mold casting, often accompanied by the cracking and exfoliation the formed layers. Increasing the dimensional accuracy of the casting shapes associated with the use of certain methods for the removal of moisture, reduce shrinkage stresses. Current studies are relevant for testing of moisture removal mode.

Keywords: Casting, shell mould, hydrolysis, ethyl silicates, thermoanalyzer, suspension, ashes, silica flour.

♦ ♦ ♦

УДК 621.742

Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Дерябин Д.А., Хренов И.Б.

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ОГНЕУПОРНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ ХОЛОДНОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ

Аннотация. Рассмотрены свойства форм и стержней, получаемых по холоднотвердеющим смесям (ХТС) по AlpHaset (альфа-сет) процессу. Установлены факторы, влияющие на прочность и качество форм. Показана необходимость регенерации использованных смесей и влияние ее на качество отливок. Даны рекомендации двум литейным предприятиям по применению формовочных материалов для изготовления форм и стержней.

Ключевые слова: песок, смола, отвердитель. стержневая смесь, формовочная смесь, регенерация, холоднотвердеющая смесь.

В настоящее время наиболее перспективной является технология получения форм и стержней из холоднотвердеющих смесей (ХТС) по AlpHaset (Альфа-сет) процессу (отверждение жидкими эфирами и лактонами песчано-смоляной (полифенолятной) смеси). Преимущества системы Альфа-сет в наибольшей степени проявляются в стальном литье [1].

Качество форм и стержней, а затем и готовых отливок зависит от многих факторов: качества песков, связующих материалов, технологичности оборудования, дополнительно используемых разделительных и противопригарных веществ, влажности и температуры в производственном помещении. В связи с этим изучение материалов, используемых для изготовления формовочных и стержневых смесей, а также понимание теоретических основ формирования их свойств являются гарантией получения высококачественных отливок.

Кварцевый песок является основой для получения формовочных (до 95% всей массы смеси) и стержневых (95-97%) смесей. Снижение затрат на покупку песков можно добиться, осуществляя их регенерацию. Основное назначение ее состоит в восстановлении зерновой структуры и свойств наполнителей отработанных смесей. Наибольшее распространение при Альфа-сет процессе получил механический способ регенерации, при котором происходит отделение пленок связующего от кварцевых песчинок за счет механического перетирания смеси. Это обеспечивает возможность повторного использования песка в зависимости от вида связующего (Альфа- сет процесс) от 60-70% [2], в некоторых случаях до 90% [1].

© Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Дерябин Д.А., Хренов И.Б., 2016

Но при механической регенерации не всегда возможно удалить полностью из песка остатки плёнок связующего, а также происходит истирание песчинок и теряются его первоначальные свойства.

Целью исследования является изучение свойств огнеупорного наполнителя холоднотвердеющих смесей двух заводов на связующем Альфабонд при производстве стальных отливок.

В работе изучали ХТС с применением песка регенерированного (завод №1); отработанного (возврат) и сырого (завод №2). В качестве связующего в исследуемых смесях применяется резольная фенолфор-мальдегидная щелочная водорастворимая смола Аль-фабонд 8531 и отвердитель марки Т-00 (производства ООО «Уралхимпласт - Хюттенес Альбертус»). ХТС, изготовленные с применением этих материалов, являются нетехнологичными. На обоих заводах наблюдали перерасход смолы и отвердителя.

Исследуемые материалы (расходы Альфабонд 8531 1,6% от веса песка; отвердитель марки Т-00 26,0% от веса смолы) на обоих заводах одинаковы и их используют для производства стальных отливок.

На литейном заводе № 1 в следующих соотношениях: облицовочная и стержневая смесь: песок кварцевый ЖЮ1О3 (100 %), смола; наполнительная смесь: песок кварцевый ЖЮ1О3 (20%), регенерат (80%).

На заводе № 2 регенерацию отработанной смеси не производят, используют в качестве огнеупорного наполнителя песок кварцевый 5К4О4О3 (60%) и возврат (40%).

Чтобы выбрать подходящие пески, связующие материалы, а также определить подходящие условия изготовления ХТС, необходимо провести технологические лабораторные испытания [3].