Габаритные размеры (длина, ширина, высота), мм 1000X705X 1190 7 страница

Таблица 6.12

Продолжительность обсыхания суспензии т0бс (с) на блоках моделей и прочность образцов оболочек ои (МПа)

* Спирт, выделившийся при гидролизе, в расчет не принят.

Особое место занимают поверхностно-активные вещества (ПАВ) в технологии изготовления оболочек из водно-спиртовых суспензий

(называемых водными). ПАВ улучшают сма­чивание моделей и уменьшают вязкость суспензий [57, 103].

Добавка в суспензии 0,08—0,2 % поли-винилбутираля к спиртовому связующему типов орг-1 и орг-2 повышает седимента-ционную устойчивость суспензий, газопро­ницаемость и прочность оболочек [ 106 ].

Введение в обсыпку 30—40 % поваренной соли или 40—50 % карбоната кальция позволяет разупрочнять оболочки в воде после их заливки, что важно при получении отливок 139, 52] из сплавов на алюминиевой основе.

6.4. СВОЙСТВА СУСПЕНЗИЙ И ОБОЛОЧЕК

Наиболее существенны следующие свойства: точность воспроиз­ведения микрорельефа поверхности и конфигурации моделей, проч­ность, термическая и химическая стойкость, газопроницаемость и способность аккумулировать теплоту отливки.

Точность воспроизведения микрорельефа поверхности и конфи­гурации моделей. Хорошее смачивание и прочное прилипание суспен­зии к поверхности модели, а также соответствующие зерновой состав и окатанная форма зерен пылевидной составляющей — необходимые условия формирования качественной оболочки.

Жидкость (связующий раствор) смачивает поверхность тем лучше, чем больше силы сцепления, действующие между молекулами твер­дой поверхности и жидкости. Количественно это выражается углом смачивания 8 (рис. 6.11). При 0 > 90° суспензия|не смачивает модель, с уменьшением угла 9 смачивание улучшается.

При недостаточном смачивании суспензией модели воздух остается на ее поверхности в виде пузырьков и образует шаровидные углубле­ния в оболочке, особенно в острых внутренних углах, что на отлив­ках проявляется в виде шаровидных бугорков. Применение очень Вязкой суспензии для первого слоя (например 80—100 с) также спо­собствует образованию этого дефекта. Прочное прилипание суспен­зии и воспроизведение рельефа поверхности модели оболочкой до­стигается в, том случае, если угол смачивания 8 < 45°, а условная вязкость суспензии в пределах 25—60 с по вискозиметру ВЗ-4.

Избирательное смачивание состоит в том, что суспензия может смачивать поверхность модели и поверхность обсыпки, но силы сцепления суспензии с обсыпкой несколько больше, чем силы сце­пления с моделью. Это проявляется в том, что при обсыпке блока зернистым материалом суспензия, смачивающая его, лучше, чем модель, отрывается от поверхности последней в отдельных точках, образуя сетку углублений или отдельные кратеры на поверхности оболочки. На практике причину образования подобной шероховатой

Рис. 6.12. Оценка свойств суспензий образовывать трещины при сушке на модели воронки стояка (по шестибалльной системе ЗИЛа)

поверхности на отливках называют пробиванием слоя суспензии обсыпочным материалом.

Для достижения смачивания моделей суспензией в нее вводят ПAB, понижающие поверхностное натяжение воды и не реагирующие с составляющими суспензий.

Зерновой состав пылевидного материала суспензии должен пред-

ставлять собой смесь зерен различной дисперсности, включая зерна

размером <1 мкм. Чем выше требования к поверхности отливок,

тем должен быть тоньше (мельче) пылевидный материал, особенно

для первого слоя.

Для предупреждения расслоения суспензии, т. е. поддержания

постоянства зернового состава по высоте, ее непрерывно перемеши-

вают. Чтобы уменьшить скорость оседания твердых частиц, следует

увеличить вязкость жидкой составляющей, например введением

добавок (см. табл. 6.13).

Склонность оболочки к образованию трещин при сушке оценивают по технологическим пробам (рис. 6.12) в зависимости от состава свя­зующих, пылевидных составляющих, скорости сушки. Слой суспен-зии не обсыпают, так как при этом снижается влажность, а следова-тельно уменьшается склонность ее к образованию трещин [34, 41]. Прочность. В затвердевшей оболочке вследствие расширения или усадки моделей, а также при выплавлении или выжигании последних, возникают напряжения растяжения, сжатия, изгиба, среза. Если эти напряжения достигнут предела прочности оболочки, то в ней появятся трещины — наиболее частый дефект.

Расплав во время заливки и после, до образования прочного отвердевшего слоя, оказывает давление на оболочку изнутри и мо­жет разрушить ее. Следовательно, оболочка должна обладать доста-точными прочностью и жесткостью, чтобы противостоять давлению

Рис. 6.13. Принципиальная схема определения σи, МПа:

а — нагружение образца; б — испытание при высоких температурах; 1 — силитовые нагре­ватели; 2 — опоры; 3 — образец; 4 — шток; 5 — печь; 6 — динамометр

расплава к размывающему действию при его течении. Особенно важна прочность и жесткость оболочки в горячем состоянии. После затвердевания отливки оболочка должна быть податлива, чтобы" не препятствовать усадке металла во избежание образования внутрен­них напряжений в отливках, приводящих нередко к короблению и трещинам в них.

Требования к прочности оболочки в горячем состоянии и подат­ливости ее противоречивы. Предотвратить трещины можно сниже­нием прочности оболочки до возможного предела или повышением температуры формы с тем, чтобы замедлить остывание затвердевшей отливки. Медленное охлаждение (2—10 ч) в горячих формах умень­шает также коробление отливок.

Оболочка должна легко разрушаться после охлаждения с тем, чтобы не затруднять очистку отливок. Этому условию наиболее полно отвечают порошки НКС при литье сплавов на железной и никельной основах, а также добавки поваренной соли и мраморной крошки при литье алюминиевых сплавов [39, 52] в обсыпку при получении отливок из сплавов на основе алюминия.

Прочность оболочковых форм оценивают испытанием образцов при статическом изгибе (рис. 6.13); наиболее часто применяют обо­лочки с σи = 3÷10 МПа.

Прочность рассчитывают по формуле

σи = 3Pl/(2bh), (6.6)

где Р — нагрузка, Н; l — расстояние между опорами, мм; b — ши­рина образца, мм; h — высота образца, мм.

Методика (см. рис. 6.13) позволяет испытывать образцы при 20 °С и при температурах до 1450 °С. Нагрузку передают через электро-корундовый стержень, заточенный под углом 30°. Для опор исполь

Рис. 6.14. Схемы разрушения оболочки:

а — когезионное, по перемычкам А Б; б — адгезионно-когезионное, пленка отрывается от зерна по поверхности ГДЕ и разрушается по ее толщине ЖЕ и ГВ: 1 — пылевидные зерна суспензии со средним диаметром d; 2 — пленка связующего; Р — усилие

зуют также электрокорундовую подставку с теми же углами. Длина опор 100 мм, так что в печи могут находиться сразу несколько образцов. Определяют величину более трех образцов. Разброс значений σи должен быть не более 10 %.

Разрушение оболочки может произойти вследствие разрыва пле­нок связующего по А Б в местах соприкосновения зерен, т. е. пре­одоления сил когезии связующего — когезионное разрушение (рис. 6.14, а), либо в результате отрыва пленки связующего от по­верхности зерна по кривой ГДЕ, т. е. преодоления сил адгезии и одновременном разрыве этой пленки, преодоления сил когезии — ад­гезионно-когезионное разрушение. Разрыв зерен основы мало­вероятен (рис. 6.14, б).

В оболочках, как правило, наблюдается первый тип разрушения. Поэтому прочность оболочки увеличивается с повышением проч­ности связующего и увеличением числа контактов. Так, самую высокую прочность сообщают связующие из ЭТС типа орг-1. Число контактов в единице площади разрушения или объема оболочки увеличивается с уменьшением размеров твердых частиц суспензии, увеличением их удельной поверхности или снижением пористости.

Это вытекает из формул П. А. Ребиндера [73] для макропористой структуры оболочки

(6.7)

где а1, а2, а3 — постоянные; Fc — средняя сила сцепления в контакте; п — число контактов в единице объема; S1 — удельная по­верхность частиц с характерным размером δ; 1 — П = φ — пористость дисперсной системы.

Зерна одной фракции или близкие по размерам не могут обеспе­чить плотную их упаковку. Для плотной упаковки соотношение между количеством крупной и мелкой фракций должно быть таким, чтобы пустоты между крупными зернами были заполнены более мелкими. Оптимальное соотношение между крупной и мелкой фрак­циями 7:3, при соотношении размеров зерен около 1 : 10. При полидисперсном пылевидном материале суспензии (со средними

зерен <0,05 мм) наиболее плотная укладка будет при обсыпке суспензии песком марки 016, но при этом будет низкая газопроницаемость. Для достижения необходимой газопроницаемости и одновременно прочности оболочки последующие слои следует об­сыпать более крупными зернами.

При рассредоточенном зерновом составе пылевидной составля­ющей суспензии вследствие более плотной упаковки зерен увеличи­вается число перемычек между зернами и повышается прочность оболочки, но с повышением дисперсности газопроницаемость умень­шается. Повышение прочности таким путем ограничено необходи­мостью иметь достаточную газопроницаемость.

Длительная жаропрочность. При получении отливок с направлен­ной структурой оболочки работает длительное время под действием растяжения при температуре выше температуры ликвидуса расплава. Для таких условий работы первостепенное значение имеет длитель­ная жаропрочность оболочки, которую необходимо знать для того, чтобы правильно рассчитать, например, толщину оболочки. При температуре выше 1200 °С прочность окисных оболочек снижается (табл. 6.14) вследствие ослабления структурных связей. Оценивают эту прочность измерением ползучести (рис. 6.15). Ползучесть — это скорость изменения размеров образца под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре в течение длительного вре­мени. По нашему мнению, ползучесть оболочек целесообразно оце-

Таблица 6.14 Свойства образцов оболочковых форм

нивать по величине стрелы прогиба при испытании на изгиб. Наи­большей длительной жаропрочностью обладают соединения, не образующие стекловидной фазы.

Термическая стойкость оболочки. Факторы, влияющие на тер­мическую стойкость оболочки, можно оценить по формуле

где α — коэффициент линейного расширения; Е — модуль упру­гости; μ — коэффициент Пуассона; t1 — t2 — перепад температуры в оболочке (рис. 6.16).

Рассмотрим значение термостойкости оболочки, когда основой ее служит кристаллический кварц. При прокаливании оболочки ее наружные слои нагреваются до более высоких температур (см. рис. 6.16) и расширяются, чему препятствуют внутренние более холодные слои. В последних возникают растягивающие напряжения, которые при быстром нагреве оболочки могут превысить ее предел прочности и вызвать образование в ней трещин. Через некоторое время после окончания заливки контактная поверхность оболочки нагревается до температуры, близкой к средней температуре затвер­девания расплава. Температура же наружных слоев некоторое время H1, H2 — высоты напора расплава; SQg — толщина оболочки

остается первоначальной. Вследствие этого в контактном слое возникают сжимающие на­пряжения, а в наружных—растягивающие. В результате расширения контактного слоя возможны три явления, приводящие к дефек­там отливок: вспучивание тонкого облицовоч­ного слоя, под который проникает металл, и образование дефекта, называемого ужиминой; выкрашивание поверхностных зерен по линиям наибольших напряжений, зерна обра­зуют загары в отливках, на их поверхности наблюдаются дефекты в виде протяженных углублений —бороздок; образование трещин в наружном слое оболочки, которые могут стать сквозными, в них проникает металл, образуя наросты — гребешки на отливках; при литье в незаформованные оболочки возможен уход металла из формы.

При получении отливок из сплавов, затвердевающих выше тем­пературы 1570 °С, недопустимо применение оболочковых форм из кристаллического кварца, так как они не обладают термостойкостью, что является, основной причиной брака.

Газопроницаемость. Перед заливкой полость оболочковой формы заполнена воздухом (если ее заливают не в вакууме). В оболочке содержится некоторое количество газотворных составляющих, на­пример продуктов деструкции остатков модельного состава и это-ксильных групп связующего из ЭТС. Во время заливки оболочки расплавом воздух и газы нагреваются, расширяются и в полости создается повышенное давление ргаз - воздушная подушка (рис. 6.17). Если ргаз > Ну (Н-высота столба металла, у-удельный вес расплава), движение расплава прекратится, и он может затвердеть раньше, чем заполнит форму. Получаемая отливка будет с браком по недоливу.

Независимо от причин образования газов они должны быть уда­лены из полости через стенки оболочки в период заливки. Так как выпоры в оболочках обычно не применяют (хотя при крупных от­ливках они необходимы), газы выходят из формы путем ламинарной фильтрации через оболочку.

Стандартные испытания газопроницаемости при 15—20 оС ха­рактеризуют воздухопроницаемость смеси или оболочки при постоянной вязкости воздуха. Оболочковые же формы заливают в горячем состоянии, при 600—1100 °С и выше.

Минимально необходимую газопроницаемость оболочки при за­ливке рассчитывают по формуле [105, 106]

где боб—толщина оболочки; bф - коэффициент аккумуляции те­плоты оболочки; tзал - температура расплава в момент заполнения оболочковой формы; tн.ф - температура оболочки в момент за­ливки; R -приведенная толщина тонкой части отливки, R = dl2 (d-толщина плоской отливки); —давление расплава, = Н (Н —высота столба расплава;

удельный вес расплава); р1 —плотность расплава; с1 —теплоемкость расплава; tx —темпе­ратура окончания заполнения полости формы:

tx = tл + (15-20) °С.

Известно, что вязкость всех газов увеличивается с повышением температуры. Возможны также изменения проницаемости оболочки, например, увеличение ее вследствие образования трещин или умень­шение при спекании.

Газопроницаемость оболочки

Kt = К20М,

где К20 — газопроницаемость при температуре 20 °С; М - коэффи­циент, характеризующий изменение вязкости газа, находящегося в полости оболочки, вследствие нагрева его при заливке формы (табл. 6.15).

Таблица 6.15 Коэффициент М

На рис. 6.18 приведены экспериментальные данные газопрони­цаемости оболочек. Скачок газопроницаемости оболочки из кристал­лического кварца при температуре ~570 °С объясняется образова­нием в образце трещин при превращении кварца ; газо­проницаемость же корундовой оболочки, прокаленной предвари­тельно при 1300 °С, уменьшается плавно в соответствии с повышением вязкости азота.

Из рассмотренного следует, что показатели газопроницаемости оболочки при температуре 20 °С и при температуре заливки не могут быть равнозначны. Однако первый показатель может косвенно и приближенно характеризовать свойство проницаемости ее при рабочих температурах. При заливке форм в вакууме газопроницае­мость оболочек может и должна быть ниже. Один из методов опре­деления газопроницаемости ускоренным способом приведен на рис. 6.19 [34]. Увеличивают газопроницаемость оболочек введением в суспензию выгорающих при прокаливании добавок.

Теплофизические свойства оболочек. К этим свойствам относят теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, теплоакку Рис. 6.18. Зависимость газопроницаемости оболочки от температуры:

/ — из кристаллического кварца, прока­ленная; 2 и 2' — из электрокорунда, про­каленная, соответственно нагрев и ох­лаждение

мулирующую способность. По­следнее служит собирательным теплофизическим свойством обо­лочки, называемым также теп­ловой активностью формы.

Теплоемкость—свой­ство основы вещества, из кото­рого изготовлена оболочка. При нагреве окислов и их соедине­ний до 700—800 °С теплоем­кость увеличивается примерно в 2 раза. При дальнейшем нагреве оболочки теплоемкость изменяется незначительно.

Теплопроводность характеризует скорость переноса теплоты в оболочке.

Для капиллярно-пористых тел — оболочек различают истинную и эффективную теплопроводность. Эффективная включает собственно теплопроводность (кондуктивную), перенос теплоты газами в ка­пиллярах оболочки и передачу теплоты излучением внутри оболочки от зерна к зерну, через поры или капилляры. В горячей оболочковой форме последний способ теплопередачи имеет доминирующее зна­чение.

В табл. 6.16 приведены экспериментальные данные, из которых видно, что образцы кристаллического кварца и корунда имели близ­кие значения теплопроводности, которые увеличиваются с повы­шением температуры оболочек.

Термическое расширение. Следует различать тер­мическое расширение и расширение, как следствие полиморфных превращений при нагреве окисла. Исследования показывают, что для оценки термического расширения оболочек можно использовать данные, накопленные при изучении свойств технической керамики.

Коэффициент термического расширения материала основы обус­ловливает термическую стойкость оболочек.

Теплоаккумулирующее свойство оболочки характеризует интенсивность теплообмена с отливкой, опре­деляет продолжительность отвода теплоты перегрева отливки и отвода ее теплоты кристаллизации L1 [формула (6.1]. Теплоакку­мулирующее свойство оболочки характеризуется коэффициентом аккумуляции теплоты формой

(6.10)

где cф -теплоемкость формы, Дж/(кг°С); — теплопроводность формы, Вт/(м°С); — плотность оболочки, кг/м3.

Рассчитанные по формуле (6.10) значения bф могут в 1,5—2 раза отличаться от экспериментальных, так как bф сильно изменяется с изменением температуры и при температуре выше 700 °С домини­рующая роль в теплопередаче пористых тел принадлежит теплоиз­лучению через поры оболочки.

Для инженерных расчетов продолжительности заливки и затвер­девания отливок следует использовать экспериментальные значе­ния bф , приведенные в табл. 6.17.

Следует учитывать, что продолжительность затвердевания от­ливки можно рассчитывать по формуле (6.1) только при условии, если оболочковую форму допустимо рассматривать как полубеско­нечное тело относительно толщины стенки отливки, т. е. когда нагретая оболочка в состоянии аккумулировать всю теплоту пере­грева и затвердевания отливки.

Химическая стойкость. При заливке с момента соприкосновения расплава с оболочкой и еще некоторое время на поверхности металла образуется окисная пленка вследствие взаимодействия расплава с кислородом воздуха. После заливки продолжается окисление сплава и взаимодействие окислов его с окислами оболочки

В период затвердевания и после него продукты взаимодействия могут образовывать легкоплавкие эвтектики, которые будут запол­нять капилляры оболочки, пропитывая ее. Между отливкой и обо­лочкой образуется (по терминологии Б. Б. Гуляева) контактная зона, называемая также пригаром. Одновременно с окислением поверхности отливки и превращениями материала оболочки, как следствие этих процессов, на поверхности отливок и в их поверх­ностном слое образуются дефекты: окалина, которая повышает шеро­ховатость поверхности отливок и снижает их размерную точность; обезуглероженный слой на глубине до 1 мм при литье углеродистых сталей; повышенное содержание фосфора в поверхностном слое отли­вок при добавках фосфатов в связующие растворы суспензий для первого слоя; микротрещины на поверхности отливок из стали типа ХГСЛ (по нашему мнению, они являются следствием обезугле­роживания поверхности); питтинг — точечные углубления до 0,5—0,6 мм, называемые также темными пятнами, на отливках из высоко­легированных сталей.

Оболочка должна обладать химической стойкостью, исключаю­щей образование отмеченных дефектов отливок.

6.5. ФОРМИРОВАНИЕ ОБОЛОЧЕК

Формирование оболочек включает: приготовление связующего
и суспензии, смачивание ею блоков моделей, обсыпку блоков зер-­
нистым огнеупором, сушку оболочек.

Приготовление связующего раствора. Связующее получают гид-­
ролизом ЭТС, для чего вводят воду. Гидролиз — это процесс замеще-­
ния содержащихся в ЭТС этоксильных групп (С2Н60) гидроксиль-
ными (ОН), содержащимися в воде. Гидролиз сопровождается поли-
конденсацией [83, 100].

Поликонденсация — объединение одинаковых или различных мо­лекул в одну с образованием полимеров и выделением простейшего вещества, например воды, которая опять может вступать в реакцию гидролиза.

Полимеризация — объединение молекул, но в отличие от поли-кондеисации не сопровождается выделением простейшего вещества.

Группы С2Н5O и ОН в молекулах ЭТС и связующих растворах называют функциональными. Первые могут быть замещены группами ОН, а вторые могут объединяться с образованием воды и новых соединений. Известно, что для протекания гидролиза и поликон­денсации каждая молекула должна иметь не менее двух функциональ­ных групп. При изучении связующих из ЭТС введены понятия: степень гидролиза, представляющая собой отношение количества замещенных этоксильных групп С2Н5O, выраженного в процентах, к общему процентному содержанию их в ЭТС и отношение массы воды, необходимой для гидролиза, к массе этоксильных групп ЭТС. ЭТС и вода не растворяются друг в друге, при смешивании они рас­слаиваются и гидролиз может протекать только на поверхности раздела жидкостей при большом местном избытке воды. Образую­щиеся в результате гидролиза кремниевые кислоты, будучи совер­шенно нестойкими в водно-спиртовой среде, быстро коагулируют, образуя осадок (помутнение) или студень.

ЭТС и вода, а также продукты гидролиза хорошо растворяются в спиртах и ацетоне. Поэтому гидролиз ЭТС для получения связую

Рис. 6.20. Схема гидролизера и смесителя для суспензии:

1- бак; 2 — лоток для пылевидного материала; 3 — пневмоцилиндр; 4 — пусковое устрой ство; 5 — кран включения гидропривода 6; в — гидропривод поворота бака; 7 — электро двигатель; 8 — крыльчатка; 9 — решетка пола

растворов проводят подкисленным раствором воды в спирте или ацетоне. В этом случае реакции гидролиза и поликонденсации идут во всем объеме смеси, продукты их растворяются в раствори­теле, выполняющем также роль разбавителя ЭТС, количество кото­рого берут в зависимости от нужного содержания условного Si02 в связующем (например, 16 %). Однако в последние годы вода служит заменителем спирта или ацетона в суспензиях благодаря совмещен­ному способу гидролиза.

Для интенсификации гидролиза применяют катализатор — соля­ную кислоту.

Связующие растворы обычно готовят в смесителях конструкции НИИТАвтопром с частотой вращения крыльчатки 2800 об/мин (рис. 6.20). В таком смесителе или подобных ему готовят также суспензии.

Растворы ЭТС можно разделить на три группы: органические, водно-спиртовые и водно-спиртовые с упрочняющими добавками (табл. 6.18).

Таблица 6.18 Классификация связующих растворов ЭТС

связующие растворы получают введением органи­ческих РР (спирта, ацетона или их смесей); водно-спиртовые растворы получают введением воды в качестве разбавителя; спирт выделяется при гидролизе ЭТС. Водно-спиртовые растворы с упрочняющими добавками характеризуются малым содержанием условного Si02, вводимого с ЭТС.

Растворы типа орг-1 (т = 0,25 ÷ 0,35). Количество воды (X), соляной кислоты (К) и РР рассчитывают на 1 кг ЭТС для полу­чения требуемого условного содержания Si02 в связующем (напри­мер 18 %). Делят РР (примерно) на две равные части и одной частью разбавляют ЭТС, а другой — подкисленную воду. Затем их вли­вают в бак работающего гидролизера. Температура смеси повы­шается, так как реакция гидролиза экзотермическая. Бак гидро­лизера выполняется охлаждаемым и температуру раствора поддер­живают обычно в пределах 43—47 °С. Когда температура начинает снижаться, перемешивание прекращают. При перемешивании про­текают процессы, которые можно представить так:

гидролиз мономера, всегда присутствующего в ЭТС 40, Выделившаяся вода может гидролизовать любую из этоксильных групп, но для этого необходимо, чтобы молекулы имели не менее двух реакционно способных групп. После гидролиза происходит поликонденсация и так до образования крупных длинных молекул полиэтоксисиланов со сшитой разветвленной или сетчатопростран-ственной структурой. Одна из возможных схем образования поли-этоксисилана

Суспензии со связующим раствором типа орг-1 хорошо смачи­вают поверхность моделей, так как спирт и ацетон — это низкомо­лекулярные ПАВ.