Исследование закономерностей формирования высокотемпературной прочности противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами

228/

г: гшшгггта

3 (67), 2012-

The influence of the nanostructured modifier quantity on high-strength antipenetration coatings is analyzed and optimum range of its concentration (4,5%) is set.

Ю. А. НИКОЛАйчИК, БНТу

Научный руководитель д-р техн. наук, проф. Д. М. КуКуй, БНТу

УДК 621.74

исследование закономерностей формирования высокотемпературной прочности противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами

Известно, что использование противопригарных покрытий одно из самых эффективных средств предупреждения пригара - самого распространенного поверхностного дефекта литых изделий [1, 2]. В настоящее время при производстве отливок используется большое разнообразие противопригарных покрытий на основе высокоогнеупорных наполнителей и связующих материалов, как правило, из класса высокомолекулярных органических соединений. Применение углеводородных связующих обусловлено тем, что они позволяют создавать многокомпонентные системы (суспензии) с легко регулируемыми технологическими параметрами (плотность, вязкость), а также высокими физико-механическими свойствами (кроющая способность, толщина слоя, седиментационная устойчивость). Существенным недостатком органических связующих является то, что эти материалы имеют низкие температуры деструкции, что приводит к разупрочнению и разрушению (эрозии) слоя противопригарного покрытия под воздействием высоких температур заливаемого расплава. Анализ литературных данных и практического опыта показывает, что образование дефектов поверхности (в частном случае, пригара) происходит именно при высоких температурах в периоды заливки и кристаллизации расплава, когда активно протекают процессы контактного взаимодействия, вызывающие ряд явлений (капиллярная фильтрация расплава в поры формы, химические реакции на границе раздела фаз, деформация и разрушение литейной формы) - основных первопричин образования дефектов поверхности. Поэтому задача повышения высокотемпературной прочности про-

тивопригарных покрытий не только актуальна, но требует конкретных решений.

В связи с этим в настоящей работе для исследования возможности повышения высокотемпературной прочности противопригарных покрытий было изучено влияние ультрадисперсных (нано-структурированных) материалов на прочностные свойства противопригарных покрытий. В качестве базового наполнителя противопригарных покрытий использовали безводный алюмосиликат -дистен-силлиманит (А1203 ^Ю2), наиболее часто применяемый в составах противопригарных покрытий при изготовлении стальных отливок, в качестве модификатора противопригарных покрытий - наноструктурированный порошок бемита (А100Н).

С целью выявления зависимости высокотемпературной прочности противопригарных покрытий от факторов, определяющих ее формирование, а также для снижения количества экспериментов было выполнено математематическое планирование полнофакторного эксперимента 23. При этом переменными факторами были выбраны температура (Т), время выдержки противопригарного покрытия в печи (т) и количество наноструктуриро-ванного модификатора (бемита (А100Н)) (С) в составе противопригарного покрытия. Локальная область определения переменных факторов была установлена из следующих априорных соображений. Концентрация твердофазной основы (наполнителя и модификатора) должна находиться в диапазоне оптимальной концентрации (40-50%), когда при заданном содержании связующего можно получить необходимые значения реологических

свойств (плотность, вязкость, седиментационная устойчивость, кроющая способность и др.), определяющих полученную суспензию как противопригарное покрытие. При зафиксированном значении концентрации базового наполнителя (дистен-силлиманита) 45% содержание наноструктури-рованного бемита варьировали от 1-5% (при увеличении содержания бемита более 5% фиксировался резкий рост вязкости и искажение физико-механических свойств суспензий). Диапазон изменения температуры выбран 1000-1500 °С из тех соображений, что именно в этом интервале активно протекают процессы контактного взаимодействия расплава и литейной формы, приводящие к образованию дефектов поверхности отливок. Время выдержки варьировали от 1 до 10 мин, так как этот временной промежуток для большинства типоразмеров отливок наиболее полно характеризует периоды заполнения литейной формы и кристаллизации расплава. Интервалы варьирования переменных факторов и их значения в натуральном масштабе на основном, верхнем и нижних уровнях приведены в табл. 1.

План экспериментов в кодовом и натуральном масштабах приведен в табл. 2. В соответствии с выбранным планом было выполнено восемь опытов. Измерение прочности противопригарных покрытий проводили на трех пластинах для каждого состава. Путем расчета значения критерия Кохрена (О) [3] была проверена однородность ряда построчных дис-

г: глггггтгаттгггт /ооо

-3 (67), 2012 / ШЪЩМ

персий результатов опытов. Расчетное значение составило Орасч = 0,126. Табличное значение критерия, найденное исходя из выбранного доверительного интервала а= 0,05, числа степеней свободы f= 2 и числа опытов 8, равно Отабл= 0,516 [3].

Поскольку выполняется условие Орасч < Отабл [3], ряд дисперсий результатов экспериментов по определению прочности противопригарных покрытий можно считать однородным. В табл. 2 приведены средние значения результатов определения прочности противопригарных покрытий по данным трех измерений.

В результате регрессионного анализа, выполненного с использованием пакета MicrosoftEXEL 2010, была установлена зависимость функции отклика У (прочности противопригарного покрытия, с) от переменных факторов X (температуры Т, времени выдержки т и количества наноструктури-рованного модификатора С):

с = -9,89311 + 0,00904Т + 0,10011т + 0,19525С,

где с - прочность красочного слоя, кг/мм; Т - температура, °С; т - время выдержки, с; С - концентрация наноструктурированного модификатора, %.

Коэффициент детерминации Я2 составил 0,913, что говорит о достаточно точном описании зависимостью (1) характера изменения прочности противопригарных покрытий.

Детальный анализ уравнения (1), выполненный при содержании наноструктурированного модификатора в противопригарных покрытиях от 1 до 5% с интервалом варьирования 0,8, позволил установить, что в диапазоне концентраций 1-4% при минимальных температурах и времени взаимодействия возможно разупрочнение покрытий, но при концентрации наномодификатора 4-5% прочность противопригарных покрытий при аналогичных температурах и времени выдержки формируется на необходимом и достаточном уровне (более 0,5 кг/мм [4]) и продолжает расти с увеличением температуры и времени выдержки до максимальных значений (5,49 - 5,65 кг/мм).

Рентгенофазовым анализом установлено, что прочность противопригарных покрытий зависит от количества образующегося в период контактного взаимодействия расплава и литейной формы минерала муллита. В связи с этим далее были изучены термокинетические параметры образования муллитовой фазы. Исследования выполнены в два этапа. На первом был изучен временной интервал образования муллита. Для этого образцы противопригарных покрытий с содержанием модификатора 4,5% (среднее значение из установленного оптимального диапазона концентраций) выдерживали

Т а б л и ц а 2. План экспериментов 23 в кодовом и натуральном масштабах и результаты экспериментов

Номер опыта Кодовый масштаб Натуральный масштаб Функция отклика

XI Х2 Хз Х1 Х2 Хз У

1 - - - 1000 1 1 0,342

2 + - - 1500 1 1 3,471

3 + - 1000 10 1 0,156

4 - + - 1500 10 1 4,647

5 + - + 1000 1 5 0,435

6 - - + 1500 1 5 4,128

7 + + + 1000 10 5 0,204

8 - + + 1500 10 5 6,973

Т а б л и ц а 1. Уровни факторов

Переменные факторы

Уровень варьирования температура Т, °С время т, с количество модификатора С, %

Основной 1250 4,5 3

Интервал варьирования 250 4,5 2

Верхний 1500 10 5

Нижний 1000 1 1

230/

г^г: г: гшшгггта

3 (67), 2012-

Термокинетичекие зависимости образования муллита в противопригарных покрытиях: 1 - без модификатора; 2 - с грубоди-сперсным А12О3; 3 - с наноструктурированным А1ООН; а - выдержка при 1500; б - нагрев вместе с печью

в печи предварительно разогретой до 1500 °С в течение 1, 4 и 10 мин. Второй этап исследований был необходим для изучения температурного интервала образования муллита. Аналогичные образцы покрытий нагревали от 1000 до 1500 °С со скоростью 50 °С/мин. Для сравнительного анализа в экспериментах использовали противопригарные покрытия без модификатора, а также с добавкой грубоди-сперсного А1203 (4,5%).

По полученным данным были построены кривые, характеризующие динамику образования муллита в зависимости от времени выдержки (см. рисунок, а) и температуры (см. рисунок, б). Построение кривых выполняли с использованием пакета М> С1геойЕхе1 2010 путем добавления линий тренда и аппроксимации значений логарифмическими уравнениями. Достоверность аппроксимации оценивали по величине коэффициента детерминации R2 . Уравнения, описывающие количество образующегося муллита в противопригарных покрытиях в зависимости от времени выдержки и температуры, приведены в табл. 3.

Т а б л и ц а 3. Зависимости, характеризующие термокинетичекие параметры образования муллита в противопригарных покрытиях

Уравнение Коэффициент детерминации

С = 4,12111п (т) + 6,4026 0,929

С = 3,35511п (т) + 4,0679 0,996

С = 2,91571п (т) + 4,0515 0,979

С = 19,6151п (Т) - 130,14 0,934

С = 16,2151п (Т) - 108,92 0,963

С = 14,7831п (Т) + 99,006 0,932

П р и м е ч а н и е. С - количество образующегося муллита, %; т - время выдержки, с; Т - температура, °С.

Рентгенофазовый анализ показал, что образование муллита возможно во всех исследуемых противопригарных покрытиях и связано, в первую

очередь, с его первичным синтезом из дистена (кианита). Содержание второй составляющей базового наполнителя (силлиманита) остается практически на неизменном уровне (можно полагать, что муллитизация силлиманита происходит при более высоких температурах, что в некоторой степени создает запас повышения высокотемпературной прочности противопригарных покрытий при температурах более 1500 °С). Характер образования муллита в противопригарных покрытиях с добавкой грубодисперсного А12О3 (см. рисунок, кривая 1) аналогичен характеру образования без модификатора, что говорит об определенных затруднениях первичного и вторичного синтеза. Из рисунка (кривая 3) видно, что наноструктурированный модификатор не только увеличивает суммарный выход муллита на 5%, что возможно при активном вторичном синтезе, но также увеличивает скорость его образования, интенсифицируя первичный синтез за счет повышения глиноземистого модуля. Необходимо отметить, что процесс вторичного синтеза муллита является довольно актуальным по нескольким причинам. Первая заключается в том, что стеклофаза, выделившаяся в результате первичного синтеза, находится в высокоактивном химическом состоянии, способном к более интенсивному взаимодействию с оксидами расплава, что служит одной из причин образования пригара на поверхности отливки. С другой стороны, связывание сте-клофазы оксидом алюминия увеличивает суммарную долю образующегося муллита и способствует упрочнению противопригарного покрытия при минимальных температурах и времени выдержки.

Выводы

В результате проведенных исследований установлено, что модифицирование противопригарных покрытий наноструктурированным бемитом увеличивает высокотемпературную прочность проти-

вопригарных покрытий до 5,49 - 5,65 кг/мм. Выявлена закономерность, описывающая взаимосвязь переменных факторов (температуры, времени и концентрации наноструктурированного модификатора) с высокотемпературной прочностью противопригарных покрытий.

Проанализировано влияние количества нано-структурированного модификатора на высокотем-

г: глггггтгаттгггт /901

-3 (67), 2012 / Л!! I

пературную прочность противопригарных покрытий и установлен оптимальный диапазон его концентрации (4-5%).

Изучены температурно-кинетические параметры образования муллита в противопригарных покрытиях. Установлено, что наноструктурирован-ный модификатор интенсифицирует первичный и вторичный синтез муллита.

Литература

1. Пригар на отливках / И. В. Валисовский. М.: Машиностроение, 1983.

2 . Покрытия литейных форм / А. А. Сварика. М.: Машиностроение, 1977.

3 . Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов / Ф. С. Новик, Я. Б. Асов. М.: Машиностроение, 1980.

4 . Формовочные материалы и технология литейной формы: Справ. / С. С. Жуковский, Г. А. Анисович, Н. И. Давыдов и др. М.: Машиностроение, 1993.