CC BY
46
УДК 623.19.84.278
К.А. Маслов, И.О. Леушин
ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
О НЕКОТОРЫХ МЕТОДАХ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ
СТЕРЖНЕЙ НА ЖИДКОСТЕКОЛЬНОМ СВЯЗУЮЩЕМ
В настоящее время перед литейным производством ставятся задачи по снижению себестоимости, повышению качества и товарного вида отливок, а также по повышению экологической чистоты производства. Решение этих вопросов во многом связано с оптимизацией существующих и разработкой новых составов стержневых смесей, способов их приготовления и упрочнения [1].
Технологичность стержня как изделия определяют три составляющие: технологичность его материала, технологичность его конструкции и технологичность его изготовления, от поведения которых зависит формирование будущей отливки.
Современным требованиям в значительной степени соответствуют стержни на жидкостекольном связующем (СЖСС). Однако они имеют ряд недостатков, которые приводят к уменьшению их широкого применения: плохую выбиваемость, высокую пригорае-мость, относительно низкую живучесть, повышенную гигроскопичность, плохую регенерируемость.
На сегодняшний день существует большое количество модифицирующих добавок для улучшения тех и или иных свойств СЖСС.
Традиционно их делят на два класса: органические и неорганические [2].
Неорганические добавки приводят к образованию тройной системы (кварцевый песок + жидкое стекло + неорганическая добавка) с более высокой температурой плавления, либо образуют концентраторы напряжений. К неорганическим модифицирующим добавкам относятся: глина, гидрат оксида алюминия, доменный шлак, бентонит, феррохромовый шлак, пылевидные отходы, вермикулит и др.
Органические модифицирующие добавки образуют концентраторы напряжений. В качестве органических модифицирующих доба-
© Маслов К.А., Леушин И.О., 2010
вок используют древесный уголь, целлюлозу, крахмал, лигнин, патоку, каменноугольный пек, черный и серебристый графит, нефтяной и каменноугольный кокс, природные смолы, пульвербакелит и др.
Но использование модифицирующих добавок из-за присутствия в них вредных веществ, выделяющихся при взаимодействии металла с формой, приводит к ухудшению экологической обстановки в литейном цехе. Однако модифицирующие добавки не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым в настоящее время к технологическим свойствам СЖСС.
В настоящей работе предлагается вводить в состав стержневой смеси:
- технологическую добавку органического происхождения (ТДОП), в качестве которой вполне применимы обычная целлюлоза и её продукты переработки.
Идея применения ТДОП основана на том, что они в своей структуре имеют большое количество свободных и активных радикалов (Н+, ОН-, СООН- и др.), способных «сшивать» основу жидко-стекольного связующего - ортокремневую кислоту, например через водородные связи, в полицепочки [3].
Это позволяет повысить и стабилизировать «объёмную» и, что особенно важно, поверхностную прочность материала СЖСС на стадии его изготовления, одновременно сводя к минимуму насыщение атмосферной влагой и обеспечивая живучесть стержня до применения. С другой стороны, прогрев стержня со стороны заливаемого расплава приводит к выгоранию ТДОП во всём объё-
ме стержня (термодеструкции) и образованию пустот в кремнекис-лородном каркасе:
С6Н10О5 + 6О2 = 6СО2|+ 5Н2О|
Выделяющиеся газы разрыхляют силикатную прослойку (плёнку силикагеля), жёсткий трёхмерный каркас теряет воду и растрескивается. В итоге нарушается однородность каркаса, ослабляются когезионные связи, обеспечиваются газопроницаемость, хорошая выбиваемость и регенерируемость стержня, необходимые соответственно на стадиях заливки формы и при выполнении финишных операций.
В качестве ТДОП можно использовать скоп-органическое соединение, которое представляет собой продукт переработки древесины, при этом он является отходом целлюлозно-бумажной промышленности. Скоп содержит 90-95% Н2О, 5-10% органических веществ (мелкие частицы древесины); до 0,5% минеральных примесей.
Вводить скоп можно непосредственно как на стадии варки жидкого стекла (модифицирование), так и на стадии смесеприго-товления.
Состав базовой смеси, %: сверх 100% кварцевого песка 2К02; 5 жидкое стекло с модулем 2,1-2,4. Состав исследуемой смеси идентичен базовой, но при этом в смеси добавлено 1-2% скопа;
- технологическую добавку неорганического происхождения (ТДНП).
Технологические добавки неорганического происхождения можно условно разбить на две группы: 1) проявляющие себя только на стадии применения СЖСС; 2) проявляющие себя как на стадии применения, так и на стадии изготовления СЖСС [4].
Вещества, относящиеся к первой группе, влияют только на процесс разупрочнения стержня при его прогреве из-за контакта с металлическим расплавом. В работе в качестве примера таких добавок рассматривались карбонаты кальция и бария, диссоциирующие при нагреве с образованием двуокиси углерода, а также сильные окислители;
- перманганат и бихромат калия, разлагающиеся при нагреве по реакциям:
Выделяющийся кислород не только взрыхляет силикатную прослойку, но и взаимодействует с кремнекислородным каркасом с установлением перекисных связей и получением разупрочняющего эффекта (в пределах одного звена):
Другие продукты реакций разложения сильных окислителей также способствуют разрушению СЖСС из-за существенной разности значений их теплофизических свойств со свойствами силикатов.
Кроме того, в случае применения в качестве ТДНП перман-ганата калия в области высоких температур вероятно образование ионов Мп2+, способных заместить №+ и К+ в остаточном жидком стекле, что ведет к получению «марганцевого стекла» - стекловидной хрупкой структуры, имеющей достаточно высокую температуру плавления. Это способствует предотвращению образования жидких силикатов, после охлаждения формирующих трудновыбивае-мую глыбу.
Вещества, относящиеся ко второй группе, оказывают влияние на протекание процессов упрочнения и разупрочнения СЖСС. На стадии изготовления стержня они связывают свободную и кристаллизационную воду, имеющуюся в стержневой смеси, вследствие чего влажность смеси понижается быстрее и достигается эффект ускоренного отверждения СЖСС. На стадии применения стержня при прогреве из-за контакта с металлическим расплавом эти вещества разлагаются, а газообразные продукты реакции разложения разрыхляют силикатную глыбу, разрушая её кремнекис-лородный каркас [5].
В качестве примера ТДНП, относящихся ко второй группе, в работе изучались алюмокалиевые квасцы. Последние представляют собой эффективный и перспективный связующий материал, поскольку особенно хорошо связывают свободную и кристаллизационную воду, а при 92оС плавятся в ней. При 120оС алюмокалие-вые квасцы теряют испаряющуюся воду, переходя в «жжёные», а температура плавления материала возрастает до уровня более 2000оС с одновременным резким увеличением прочности:
При контакте стержня с расплавом при заливке фо р мы б е з-водные «жженые квасцы» разлагаются:
Таким образом, создаются предпосылки для улучшения вы-биваемости и регенерируемости СЖСС.
Состав базовой смеси, %: сверх 100% кварцевого песка 2К02; 5 жидкое стекло с модулем 2,1-2,4. Состав исследуемой смеси идентичен базовой, но при этом в смеси добавлено 0,5-1% ТДНП.
Очевидно, что комбинирование перечисленных вариантов повышения технологичности СЖСС также может дать позитивный результат (см. таблицу).
Полученные результаты
Вариант Отличительные характеристики приёма повышения технологичности Результаты в сравнении с СЖСС, полученных СО2-отверждением
1 Скоп (1-2%) Повышение поверхностной прочности в 2 раза, газопроницаемости на 30% и регенерируемости в 2,5 раза, понижение работы выбивки в 3 раза
2 КМПО4 (0,5-1,5%) Повышение поверхностной прочности на 25%, живучести смеси в 2 раза и регенерируемости в 3,5 раза, понижение работы выбивки в 4 раза
3 К2СГ2О7 (0,5-1,5%) Повышение поверхностной прочности на 25% и регенерируемости в 3,5 раза, понижение работы выбивки в 4 раза
4 СаСОз (0,5-1,5%) Понижение работы выбивки в 3 раза, повышение регенерируемости в 2,5 раза (недостаток: поверхностная прочность ниже 0,05 МПа)
5 ВаСОз (0,5-1,5%)
6 А1-К - квасцы (0,5-1,5%) Повышение поверхностной прочности в 4 раза и регенерируемости в 2,5 раза понижение работы выбивки в 3 раза
Выводы
1. Намечены основные направления повышения технологичности СЖСС, а именно: использование ТДОП; ТДНП; комбинирование приведённых вариантов.
2. Экспериментально проверены основные условия повышения технологичности СЖСС, касающиеся присутствия в составе стержневой смеси «сшивающих» и разупрочняющих добавок (ТДОП и ТДНП), в том числе отходов производства, и их комбинаций. В общей сложности найдено 4 варианта решения проблемы. Все они рекомендованы к внедрению.
3. Разработаны новые технологии изготовления СЖСС для стального и чугунного литья.
Список литературы
1. Формовочные материалы и технология литейной формы: справочник / С.С. Жуковский, Г.А. Анисович, Н.И. Давидов и др.; под общ. ред. С.С. Жуковского. М.: Машиностроение, 1993. 432 с.
2. Илларионов И.Е., Васин Ю.П. Формовочные материалы и смеси. Чебоксары: Изд-во ЧГУ, 1995. Ч.1. 250 с.
3. Маслов К.А., Леушин И.О., Миронычев А.Е. Пути повышения технологичности жидкостекольных смесей // Заготовительные производства в машиностроении. 2010. №2. С.8-11.
4. Маслов К.А., Леушин И.О., Плохов С.В. К вопросу о методах повышения технологичности жидкостекольных смесей // Литейщик России. 2010. №2. С.26-29.
5. Маслов К.А., Леушин И.О., Субботин А.Ю. Теоретические аспекты некоторых методов повышения технологичности жидко-стекольных стержневых смесей, отверждаемых по СО2-процессу // Литейщик России. 2010. №6. С.36-38.
