CC BY
274
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
УДК 621.742.4 Фирстов А.П.
ДАЛЬНЕЙШЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ СО2-ПРОЦЕССА
Аннотация. Соблюдение элементарных правил по культуре производства может привести к достаточно серьезным результатам по качеству литья без каких-либо затрат. Ключевые слова: С02-процесс, жидкое стекло, пригар.
Современные литейные технологические процессы должны обеспечивать получение деталей высокой точности, с большим коэффициентом выхода годного металла. На сегодняшний день получили развитие различные технологические процессы литья. Один из них - литье с применением жидкостекольных смесей, где отверждение идет либо горячей сушкой, либо продувкой форм углекислым газом (С02-процесс).
Актуальность внедрения жидкостекольных смесей обусловлена тем, что жидкое стекло относится к числу дешевых, недефицитных и экологически чистых материалов.
Наряду с преимуществами, жидкостекольные смеси имеют плохую выбиваемость, высокую приго-раемость, относительно невысокую живучесть, повышенную гигроскопичность и плохо регенерируются.
Вопросам улучшения выбиваемости, пригорае-мости и регенерации жидкостекольных смесей посвящены многочисленные исследования ученых Ф. Нильда, Д. Эпштейна, Ю.П. Васина, И.Е. Илларионова, З.Я. Иткиса и многих других [1-7]. Известны различные способы отверждения жидкостекольных смесей: смеси, отверждаемые тепловой сушкой и отверждаемые углекислым газом. Повышенные тру-до- и энергозатраты при изготовлении смесей, недостаточная производительность процессов тепловой сушки и возможная потеря размерной точности заставляют предпочесть процесс отверждения жидко-стекольных смесей продувкой углекислым газом.
Использование формовочных и стержневых смесей на жидком стекле, твердеющих при продувке С02, позволяет сократить время на изготовление отливок и повысить качество их поверхности, обеспечить получение отливок с достаточно высокой размерной точностью, увеличить производительность труда, автоматизировать технологические процессы смесеприго-товления и изготовления литейных форм и стержней.
Однако при наличии положительных черт СО2-процесса присутствует существенный недостаток этого процесса - это возможность «передува» смеси, который и приводит к возникновению большинства из перечисленных выше недостатков [8-12].
В Нижнетагильском технологическом институте (филиал) Уральского федерального университета (НТИ(ф) УрФУ) ведутся работы по снижению пригара на фасонных изделиях и по улучшению выбивае-
мости жидкостекольных смесей. На основании многочисленных экспериментальных данных установлено, что образование пригарной пленки и затрудненная выбиваемость связанны с протеканием в смеси сложных физико-химических процессов при высоких температурах.
Анализ прочностных характеристик смесей на жидком стекле при высоких температурах, имитирующих ход процессов происходящих при заливке жидкостекольной смеси расплавом металла, показал, что наименьшая прочность стержней наблюдается в интервале двух областей. Это 500-800°С и выше 1000°С, где соответственно образцы показали максимальную прочность до 200 и 1000°С. Полученные данные хорошо согласуются с работами Ф. Нильда [1], Ж. Дюкло [13] и Л. Петрджеллы [14].
Однако объяснения наличия пригара, возникновения трещин, получения невысокой живучести смеси у авторов различные: Ф. Нильд объясняет происходящие изменения параметрами исходного жидкого стекла, продуваемого углекислым газом и влагосо-держанием системы; Ж. Дюкло - переходом диоксида кремния при высоких температурах в полиморфные модификации SiO2, имеющие различные коэффициенты линейного термического расширения; Л. Петрд-желла - высоким содержанием жидкого стекла в смесях, расходом углекислого газа.
По поводу расхода углекислого газа, необходимого для отверждения жидкостекольной смеси, нельзя не согласиться с Л. Петрджеллой. О «передуве» смеси говорят и другие авторы [8,11,15], которые сходятся по этому вопросу в одном, что расход углекислого газа должен быть соразмерен объему продуваемой смеси, и его «передув» нежелательно сказывается на качестве литья.
Попробую высказать свою точку зрения на процессы, протекающие в жидкостекольной смеси продуваемой углекислым газом.
Реакция щелочного дигидроортосиликата натрия (№2Н^Ю4) с кислотами является реакцией обменного типа, идущей «до конца», т.к. продуктом реакции является нерастворимое вещество - ортокремниевая кислота (Н^Ю4, растворимость равна 710-4 моль/л). В эквивалентных соотношениях
№2Н^Ю4 + R-H2 ^ Н^Ю4| + R-Na2. (1)
л
V
Раздел 5
При С02-процессе уравнение реакции принимает следующий вид:
№2Н^Ю4 + Н2С03 ^ H4SЮ4 + №2С03, (2) избыток Н2С03, или «передув», углекислого газа приводит к образованию, в случае с кислотами слабой силы, гидрокарбоната натрия: №2Н^Ю4 + 2С02 + 2Н20 ^ Н^Ю4| + 2№НС03. (3)
По своим физическим свойствам карбонат и гидрокарбонат существенно разнятся. Так, температура кипения №2С03 = 852°С, температура плавления 1600°С, растворимость 21,8 г/100 мл при 20°С, а температура кипения №НС03 = 270°С, температура плавления 851°С, растворимость 9,59 г/100 мл при 20°С [16].
При повышенных температурах возможно не только кипение, но и разложение получаемых продуктов. При температуре 60-200°С гидрокарбоната натрия переходит в карбонат натрия
10
2№НС03 — №2С03 + С02| + Н20. (4)
При дальнейшем нагревании до 1000°С полученный карбонат натрия распадается на углекислый газ и оксид натрия
t0
Na2CO3 — №20 + С02. (5)
Теперь видно, что снижение прочности в интервале 500-800°С зависит от наличия в сфере реакции №НС03, а дальнейшее повышение температуры усугубится ещё и разложением №2С03, что приведет ко второму интервалу понижения прочности, т.е. выше 1000°С. Разложение гидрокарбоната натрия приведет к появлению низкоплавких соединений на границе расплава с формой с образованием «плавней». Неоднородность системы - к напряжениям в зоне контакта частицы наполнителя со связующим, что вызовет возникновение внутренних напряжений в смеси с дальнейшим образованием трещин.
Таким образом, наличие образующегося СО2 и паров воды будет являться причиной возникновения трещин и «плавней».
Доказательством правильно выбранного направления при решении данной проблемы являются производственные испытания. Испытания проводились на отливке «блок верхний подъемный». На левой фотографии (см. рисунок, а) показана отливка, полученная по производственной технологии, с наличием пригара на поверхности отливки, а на правой фотографии (см. рисунок, б) - отливка без пригара, полученная с рассчитанным количеством СО2, предотвращающим возникновение кислой соли в наружных слоях жидкосте-кольной смеси. На производство выданы рекомендации по изменению технологии, касающиеся явного «передува» формы. Работа не закончена и требует дальнейших производственных испытаний по отработке режимов и параметров технологического процесса.
Г*
' JJ
I .»-IL j
а б
Фотографии отливки «блок верхний подъемный» (обозначения в тексте)
Из вышесказанного следует, что для устранения пригара и сохранения прочностных характеристик жидкостекольной смеси необходимо не допустить образования гидрокарбоната натрия, получающегося при избытке CO2, в сферу протекания реакции. Отсутствие кислой соли сильно затруднит или вовсе исключит недостатки при использовании С02-процесса.
Список литературы
1. Нильд Ф., Эпштейн Д. Применение жидкого стекла в качестве связующего материала формовочных смесей // Труды 24 Международного конгресса литейщиков. М.: Машгиз, 1960. С. 246-260.
2. Васин Ю.П., Васина З.М. Формовочные материалы и смеси / ЧПИ. Челябинск,1983. 83 с.
3. Жуковский С.С., Лясс A.M. Формы и стержни из холоднотвердеющих смесей. М.: Машиностроение, 1978. 224 с.
4. Васин Ю.П., Иткис З.Я. Окислительные смеси в конвейерном производстве стального литья. Челябинск: Юж.-Урал. кн. изд-во, 1973. 156 с.
5. Лясс A.M. Быстротвердеющие формовочные смеси. М.: Машиностроение, 1965. 332 с.
6. Илларионов И.Е., Васин Ю.П. Формовочные материалы и смеси. Ч. I-II / Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова. АНЧР. Чебоксары, 1995. 281 с.
7. Рыжков И.В. Вспучивание жидкого стекла и его влияние на формирование прочности смесей // Сб. трудов ХПИ. 1974. № 90. 26 с.
8. Илларионов И.Е., Петрова Н.В. Жидкостекольные смеси, отверждаемые продувкой углекислым газом // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 2005. № 2(87). С. 208-213.
9. Маслов К.А. Разработка и освоение методов повышения технологичности стержней из жидкостекольных смесей для стального и чугунного литья: автореф. дис. ... канд. тех. наук / К. А. Маслов. Нижний Новгород, 2010. 22 с.
10. Лясс А.М., Валисовский И.В. Пути улучшения выби-ваемости жидкостекольных смесей // Сб. трудов ЦНИИТМАШ. 1960. №3. 81 с.
11. Кукуй Д.М. Теория и технология литейного производства формовочные материалы и смеси. Искусственная сушка горных пород: учеб. пособие / Д.М. Кукуй, Н.В. Андрианов. Мн.: БНТУ, 2005. 361 с.
12. Технология конструкционных материалов: учебник для машиностроительных специальностей вузов / А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.;
48
Теория и технология металлургического производства
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
под общ. ред. А.М. Дальского. М.: Машиностроение, 1985. С.132-133.
13. Дюкло Ж. Коллоиды / пер. А. Михалевича; под ред. и с предисл. В. Кирбатова. Л.: Госхимиздат, 1924. 184 с.
14. Петрджелла Л. К теории химического твкердения формовочных смесей (процесс СО2) // Труды 24 Международного конгресса литейщиков. М.: Машгиз, 1960. С. 261-275.
15. Жуковский С.С. Холоднотвердеющие связующие и смеси для литейных стержней и форм: справочник. М.: Машиностроение, 2010. 256 с.
16. Химические свойства неорганических вещевтв: учеб. пособие для вузов / Р.А. Лидин, В.А. Молочко, Л.Л. Андреева; под ред. Р.А. Лидина. 3-е изд., испр. М.: Химия, 2000. 480 с.
Сведения об авторе
Фирстов Александр Петрович - канд. техн. наук, доц. кафедры «Автоматизация и технология литейного производства», Нижнетагильский технологический институт (филиал) Уральского федерального университета. Тел.: (3435)32-53-39. Е-таП: [email protected].
♦ ♦ ♦
УДК 621.74:669.2
Груздева И.А., Брусницын С.В., Сулицин А.В., Мысик Р.К., Ожгихин ИВ.
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК НА МИКРОСТРУКТУРУ И КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВА СИСТЕМЫ ^-М^П
Аннотация. В статье представлены результаты исследования по влиянию добавок олова и алюминия на микроструктуру сплава марки МНЦ 15-20 и качество поверхности отливок.
Ключевые слова: нейзильбер, литейная форма, микроструктура, качество поверхности.
Как известно, сплавы тройной системы медь-никель-цинк отличаются высокой коррозионной стойкостью, имеют привлекательный серебристый цвет, не окисляются на воздухе и достаточно устойчивы в растворах солей и органических кислот. В связи с этим данные сплавы широко применяются для производства деталей приборов точной механики, лабораторной посуды, медицинского инструмента [1], а также художественных изделий, таких как памятные монеты и медали, филигранные изделия и в качестве основы для финифти. Потребность в получении ажурных и тонкостенных художественных изделий из сплавов системы Си-№^п не только методами пластической деформации, но и литьем по выплавляемым моделям вызвала необходимость изучения литейных свойств сплавов этой системы. В работе [2] было изучено влияние алюминия и олова на запол-няемость литейной формы в условиях литья по выплавляемым моделям по методике, предложенной в работе [3]. В ходе исследования было установлено, что олово и алюминий увеличивают заполняемость литейной формы и позволяют получать тонкостенные отливки без недоливов, неслитин и других дефектов.
В настоящей работе изучено влияние добавок алюминия в количестве 0,4 мас. % и олова в количестве 4,0 мас.% на микроструктуру сплава марки МНЦ 15-20 и качество поверхности литых заготовок.
Плавка и заливка расплава осуществлялась на индукционной установке INDUTHERM-MUVV700.
Прокалка литейной формы производилась до температуры Т=620°С. Температура литейной формы перед заливкой составляла 560°С, температура заливки -1150°С. Для сравнения заливался контрольный образец без ввода добавок. Внешний вид полученных в ходе эксперимента образцов представлен на рис. 1.
ц
а б
Рис. 1. Внешний вид образцов из сплава марки МНЦ 15-20: а — без добавок; б — с добавлением 0,4 мас. % алюминия и 4,0 мас. % олова
Анализ полученных образцов показал, что введение добавок алюминия и олова в сплав марки МНЦ 15-20 позволяет значительно улучшить качество поверхности образцов. На поверхности образца из сплава без добавок (рис. 1, а) наблюдается большое количество газовых пор и неровностей, что можно объяснить интенсивным испарением цинка при высокой
