Образец для проведения испытаний на термопрочность стержневых или формовочных смесей

Заявляемое техническое решение относится к области литейного производства и предназначено для облегчения проведения испытаний на термопрочность формовочных или стержневых смесей в системе взаимодействия металл – литейная форма.
В настоящее время в литейных цехах используются формовочные и стержневые холодно-твердеющие смеси (далее – ХТС) на основе синтетических смол разных производителей. Из данных смесей изготавливаются формы и стержни, которые при заливке жидким металлом испытывают разрушающее воздействие температуры и давления металла. Было отмечено, что при работе на смолах конкретных поставщиков повышался уровень брака по дефекту «засор». Это связано с тем, что недостаточная термическая прочность может приводить к разрушению стержней и форм при взаимодействии с металлом и к возникновению литейных дефектов в отливках. В свою очередь избыточная термическая прочность может приводить к несвоевременному разупрочнению литейных стержней и форм при кристаллизации отливок, что является причиной дефектности отливок, связанной с затрудненной усадки. Таким образом, разработка способа оценки термопрочности ХТС на базе литейных связующих различных производителей является актуальной технической проблемой. Основной технической проблемой является уменьшение брака стержней и форм при взаимодействии с металлом при получении отливок в литейном производстве и соответственно уменьшение брака отливок.
Основным техническим результатом является создание условий, обеспечивающих разрушение образца в зоне ослабленного сечения.
Кроме того, заявляемой полезной моделью достигается решение дополнительной технической проблемы - расширение арсенала средств определенного назначения, которое решается путем создания технического решения, «Образец для проведения испытаний на термопрочность стержневых или формовочных смесей», альтернативного ранее известному техническому решению по патенту № JP 2002022634. При этом в качестве дополнительного технического результата, связанного с основным техническим результатом, рассматривается реализация полезной моделью указанного назначения, а именно «Образец для проведения испытаний на термопрочность стержневых или формовочных смесей».
Из уровня техники известно техническое решение, описанное в изобретении «Метод и оборудование для испытания на тепловой удар», патент № JP 2002022634 (Перевод с японского языка осуществлен в базе данных «Patentscope»). В изобретении описан образец, выполненный в форме прямоугольного параллелепипеда 2. На нагревательный элемент 1 подается питание для быстрого нагрева поверхности прямоугольного параллелепипеда 2, находящейся в контакте с нагревательным элементом. Образец прямоугольного параллелепипеда нагревается нагревательным элементом для создания теплового напряжения в образце прямоугольного параллелепипеда. Когда на нагревательный элемент подается питание и образец прямоугольного параллелепипеда нагревается, нагревательный элемент термически расширяется, и образец прямоугольного параллелепипеда деформируется. Образец прямоугольного параллелепипеда, у которого измеряется величина теплового удара, представляет собой керамику, стекло, пластиковый полимер или тому подобное. Размеры образца прямоугольного параллелепипеда определяются с учетом величины теплопроводности, механической прочности и коэффициента теплового расширения образца. Это может быть прямоугольная плоская пластина.
Данный образец принят авторами за прототип. Недостатком прототипа является то, что сплошное тело его образца образовано без пористой структуры. В предлагаемой полезной модели образец представляет собой капиллярно-пористое тело, изготовленное из формовочной или стержневой смеси, основными компонентами которых всегда являются кварцевый песок и связующее (ие). При проведении испытаний на тепловой удар внутрипрототипа возникают лишь напряжения, связанные с расширением при нагреве, в результате чего разрушение может произойти в любом месте образца или даже по нескольким его сечениям одновременно, при этом может произойти неконтролируемое падение частей образца после разрушения как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной плоскости.
В предлагаемой полезной модели за счет пористой структуры образца, выполненного в форме параллелепипеда, состоящего из формовочной или стержневой смеси, наличия двух П-образных синусоидальных канавок, с глубиной в диапазоне от 2 мм до 5 мм и шириной в диапазоне от 2 мм до 5 мм, а также наличия двух отверстий (графически показанных, но не обозначенных на рис. 1), предназначенных для размещения П-образных ограничителей посредством штифтов, обеспечивается конструктивно-функциональной единство полезной модели, и достигаются заявленные технические результаты. При нагреве помимо расширения кварцевого песка происходят сложные процессы термодеструкции литейных связующих. В связи с этим применение данного образца позволяет обеспечить контролируемый процесс разрушения по ослабленному сечению в образце, в конкретном месте, заданном технологически.
Образец осуществляется следующим образом.
Основной компонент стержневых и/или формовочных смесей, из которых формируются формы и стержни - это кварцевый песок. Вспомогательные компоненты стержневых и/или формовочных смесей - связующие добавки, современные органические смолы. Применение тех или иных связующих в смесях влияют на технологические свойства форм и стержней, одно из которых – термостойкость. В настоящее время на крупных машиностроительных предприятиях в серийном производстве отсутствуют способы определения термопрочности стержневых и/или формовочных смесей лабораторным способом. Этот технологический параметр, можно лишь косвенно оценить по уровню брака при проведении производственных испытаний. Использование различных видов связующих известных производителей в серийном производстве может приводить к отличающимся результатам термопрочности получаемых литейных форм и стержней. Но чем ниже термопрочность стержневой или формовочной смеси, тем больше вероятность появления дефектов в отливке, таких как пригар, размыв, засор. При чрезмерно высоких значениях термопрочности будет ухудшаться линейная усадка и удаление стержней из полости отливки. Таким образом, на производстве вопрос сравнительной оценки термопрочности в зависимости от применяемых типов связующих имеет важное значение при отработке и контроле технологии.
В настоящее время при принятии решения о приобретении связующих компонентов (смол для ХТС) для литейного производства оценка пригодности производится по параметрам: прочность на разрыв стандартного образца; сравнительная оценка газотворной способности; тест на потери при прокаливании. Однако данных тестов не всегда бывает достаточно, так как физические процессы, происходящие при заливке и кристаллизации отливок, значительно сложнее и требуют учитывать процесс разупрочнения формовочных (песчаных) и стержневых смесей в результате термического воздействия горячего металла. Способность противостоять разрушению при термическом воздействии заданной интенсивности при сохранении прочностных характеристик определяется коэффициентом термопрочности. Этот коэффициент, при условии нахождения в заданном технологическом диапазоне может свидетельствовать о соответствии литейных связующих требованиям технологического процесса и гарантировать приемлемый процент брака, обусловленный действующим уровнем технологии и применяемого оборудования.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется рис. 1. На рис. 1 изображен образец (1) для проведения испытаний на термопрочность. При испытании образец размещают внутри нагревательного устройства таким образом (корпус нагревательного устройства размещают именно по центру образца), чтобы в сечении образца, в том месте, где находятся канавки (2) и (4), был осуществлен прогрев. Для гарантированного формирования зоны разрушения образца в месте ослабленного сечения и разрушения образца при проведении испытания на термопрочность стержневых или формовочных смесей по его оси симметрии (3) осуществляют выполнение на верхней и нижней поверхности образца по его поперечной оси симметрии двух канавок П-образного сечения (2) и (4), в форме синусоиды (синусоидальных канавок), с глубиной в диапазоне от 2 мм до 5 мм и шириной в диапазоне от 2 мм до 5 мм. Канавки необходимы для того, чтобы трещины (5) образовывались в сечении по оси симметрии (3). Опытным путем доказано, что трещины будут образовываться в месте наименьшей площади сечения по оси симметрии, по которой осуществляют выполнение двух канавок. Опытным путем было определено, если сечение канавки будет V-образным или U–образным, то может происходить преждевременное разрушение стандартных образцов, так как при других видах сечений в материале смеси образуются при нагреве более высокие напряжения, по сравнению П-образным сечением за равный промежуток времени нагрева. Если меньше 2 мм будет глубина и ширина канавок, то сложнее будет сформировать поверхности канавки в смеси, и она будет иметь меньше влияния, как концентратор напряжений. Если больше 5 мм будет глубина и ширина канавок, то будет значительно уменьшена площадь сечения в месте разрушения, что также повлияет на точность результата в худшую сторону. Опытным путем установлено, что форма канавки должна быть синусоида, что позволяет увеличить длину концентратора по сравнению с формой канавки в виде прямой линии, и увеличить напряжения, возникающие при нагреве и нагружении образца, что увеличивает точность и повторяемость результатов измерений при проведении испытания на термопрочность стержневых или формовочных смесей.
Образец (1) может быть различных размеров, но в частном варианте исполнения размеры выполняют по ГОСТ 23409.7-78. Образец, согласно ГОСТ 23409.7-78, должен быть следующих размеров: ширина образца 25 мм, высота образца 25 мм, а длина образца 200 мм. Образец выполнен из формовочной или стержневой смесей (в состав которых включено связующее), термопрочность которых исследуется в процессе осуществления способа определения термопрочности стержневых и формовочных смесей. Образец выполняют в форме параллелепипеда, в частом варианте со скругленными концами. Форма параллелепипеда предусматривает возможность выполнения размеров образца таким образом, что длина превышает размеры высоты и ширины образца. Опытным путем установлено, что в образцах, выполненных другой формы, технологически сложно осуществить изготовление синусоидальных П-образных канавок и в результате чего невозможно обеспечить контролируемый процесс разрушения по ослабленному сечению в конкретном месте, заданном технологически. На двух скругленных концах два боковых ограничителя (7) П-образной формы могут быть размещены посредством штифтов (6), жестко зафиксированных в боковых ограничителях и соединенных с образцом скользящей посадкой.
Указанный образец используется в литейном цехе предприятия Акционерное общество «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод» имени Ф.Э. Дзержинского» и подтвердил свою технико-экономическую эффективность.
Источники информации:
1. Патент № JP 2002022634 «Метод и оборудование для испытания на тепловой удар».