Анализ методов улучшения жидкостекольных смесей

Применение даже 10—15% шлака снижает в 2—5 раз рабо­ту выбивки смесей. Еще в большей степени уменьшается рабо­та выбивки при 20% шлака.

Смеси с 10 и 15% шлака были использованы для изготовле­ния стержней отливок весом от 0, 5 до 3, 0 т. При этом трудо­емкость выбивки стержней из жидкостекольных смесей с до­менным шлаком и песчано-глинистых смесей практически не отличалась.

1.4.7.Влияние фосфорита

Интересные результаты при использовании неорга­нических добавок были получены на Бежицком сталелитейном заводе П. А. Лобановым и Н. М. Козьминым. Они установили, что добавка в смеси фосфорита резко облегчает выбивку стержней (табл. 3). При этом следует учесть опасность насы­щения поверхности отливок избыточным содержанием фосфора.

Таблица 3

Влияние добавки фосфорита на выбиваемость смесей с жидким стеклом .

1.5.Влияние органических добавок

В первом разделе главы было показано, что многие исследователи рекомендуют введение в смеси органических добавок, которые при выгорании должны разрывать пленку связующего материала и тем самым облегчать выбивку стержней. Такое утверждение в ка­честве общего принципа не может быть принято.

Выгорание органических связующих добавок происходит, как правило, при температурах более низких, чем 800° C, а при 800° C начинается образование жидкой фазы силикатов. Поэтому, если прорывы пленок вследствие выгорания органических добавок имели место, то они исчезнут, как только произойдет расплавление силикатов и образование жидкой фазы[10,11].

Поэтому никакие органические выгорающие добавки не могут изменить температуру образования второго максимума и введение таких добавок с целью расширения благоприятного для выбивки интервала температур (первого минимума) является бесполезным. Это полностью подтверждается экспериментальными данными, полученными при введении в смеси с жидким стеклом многих органических добавок, в том числе часто рекомендованных в нашей стране и за рубежом — раствора битума в уайт-спирите (рис. 18, а), мочевины (рис. 18, б), древесной муки (рис. 18, в), древесного пека, сахара и др.

При всех испытаниях органических добавок температура обра­зования второго максимума 800° C оставалась неизменной. Это, однако, не означает, что введение органических добавок для облег­чения выбивки стержней во всех случаях является бесполезным.

Прежде всего при низких температурах прогрева стержней до 400º C введение органических добавок может содействовать прорыву пленок и снижению работы, затрачиваемой на выбивку стержней. При высоких температурах, превышающих 800°C, в условиях недостатка кислорода может происходить неполное сгорание органических добавок, в результате чего между силикат­ной пленкой связующего вещества и зерном наполнителя обра­зуется инертная прослойка сажистого углерода.

Известно, что инертные прослойки снижают адгезию пленок и уменьшают прочность смесей. Поэтому введение таких добавок может уменьшить абсолютное значение величины A, при температуре образования второго максимума или близких к ней.

Положительные результаты могут быть достигнуты лишь в том случае, если органическая добавка будет расположена на поверхности зерен наполнителя под силикатной пленкой.

Поэтому при выборе органических добавок следует отдавать предпочтение порошкообразным (рис. 18, в), которые предвари­тельно (перед добавкой жидкого стекла) необходимо смешивать с наполнителем.

Растворы в уайт-спирите добавок типа битума имеют меньшее поверхностное натяжение, чем водный раствор силиката натрия. Если поэтому их вводить в смеси после жидкого стекла, то они не будут достаточно эффективны. Если же их ввести в смесь до жидкого стекла, то при перемешивании вязкость последнего очень быстро возрастает, что будет препятствовать вытеснению раствора битума на поверхность водного раствора силиката натрия. Бла­годаря этому положительное влияние добавки битума сохранится, хотя оно окажется менее эффективным, чем при применении по­рошкообразных органических до­бавок (рис. 18, а).

Наименьший эффект будет по­лучен при использовании водных растворов, например, мочевины (рис. 18, б).

1.6.Влияние хрупкой усадки

Результаты опытов (рис. 19) на отливках при разном отноше­нии толщины стенок отливки к радиусу стержней показали, что второй максимум образуется примерно при 800° C, а те же смеси с добавкой 3% глины не достигли второго максимума даже при 1150° C(). Ана­логичные результаты были получены при введении в сме­си химически чистого AlO ,MgO, мела и боксита[10,11].

Сопоставляя результаты испытаний образцов, не под­вергавшихся действию жид­кого металла, и образцов, за­ливавшихся металлом, можно заметить, что работа, затра­чиваемая на выбивку стерж­ней при температуре их на­грева, соответствующей вто­рому максимуму или близкой к ней, в последнем случае в нес­колько раз выше, чем в первом. Основная причина этого заклю­чается в том, что стержни, установленные в литейной форме, подвергаются не только на­греву, но и действию сил сжатия, проявляющихся при усадке отливок в процессе их остывания.

Чем тоньше зерновое строение наполнителя или специальной добавки, тем выше величина работы, зат­рачиваемой на выбивку стер­жней. С другой стороны, для более активного химического взаимодействия веществ их целесообразно применять в тонкоразмолотом виде.

Таким образом, специаль­ные добавки, вводимые в смесь в тонкоизмельченном со­стоянии, обеспечивают значи­тельное расширение темпера­турного интервала первого максимума, но в зажимаемых местах стержней, прогревающихся до температуры второго максимума или близких к ней, величина работы, затрачиваемой на выбивку, остается значительной. Для снижения работы выбивки необходимо принимать дополнительные меры, к которым относится, например, обеспече­ние «хрупкой» усадки стержней при их охлаждении. Это может быть достигнуто принуди­тельным охлаждением стер­жней воздухом или водой, ускоренной выбивкой отли­вок из форм, применением оболочковых стержней, двухслойных стержней с облегченной сердцевиной и др.

1.7.Влияние ускоренного охлаждения

Эффективность ускорен­ного охлаждения стержней видна из опытов, проведен­ных со смесью, содержав­шей кварцевый песок, 5% жидкого стекла и 1 % NaOH[10].

предварительно наг­ретых до температуры обра­зования второго максиму­ма (800° С), можно при­мерно в 3 раза сократить величину А. Аналогичные результаты были получены при увеличении скорости охлаждения стержней, за­литых металлом.

Здесь также трудоемкость вы­бивки стержней из отливок при применении методов ускоренного охлаждения сократилась примерно в 3 раза (рис. 21). Это подт­верждает представления о когезионном типе разру­шения смесей и влиянии на прочность стержней напря­жений, возникающих в пле­нках при их охлаждении.

1.8. Влияние количества жидкого стекла

Из расчетов прочности смесей, известно, что при данном наполнителе и данном связующем материале в случае когезионного типа разрушения прочность смеси

будет непосред­ственно зависеть от количества введенного в нее связующего мате­риала. Следовательно, чем больше жидкого стекла будет введено в смесь, тем труднее окажется выбивка стержней из отливок(рис.22).

Поэтому одним из действен­ных средств облегчения выбивки является максимальное (допусти­мое по другим технологическим показателям) снижение количества жидкого стекла в смеси.

1.9. Влияние модуля жидкого стекла

Изменение модуля стекла в пределах от 2.0 до 3.0 при незначительном изменении содержа­ния NaO в пределах 11,8—12.1 до 14,2—14,6% (ГОСТ 8264—56) мало влияет на условия вы­бивки стержней[11].

Существенное повышение модуля до 3,5 благоприятно сказывается на улучшении выбивки, но одновременно заметно ухудшаются техноло­гические свойства смесей — пластичность, дли­тельность сохранения физико-механических свойств, что значительно затрудняет использо­вание смесей в производстве[6]. Поэтому более целесообразной является работа на жидком сте­кле низкого модуля (в пределах, предусмотрен­ных ГОСТ 8264—56) с одновременным приня­тием мер для облегчения выбивки стержней в соответствии с приведенными выше положения­ми.

2. Улучшение выбиваемости жидкостекольных наливных самотвердеющих смесей

2.1.Изменение прочности НСС в зависимости

от температуры нагрева

Одним из недостатков жидкостекольных НСС, тормозящих их более широкое применение в литейных цехах, является плохая выбиваемость из отливок. Причина последней – образование при 600-800ºC легкоплавких силикатов, которые при охлаждении приводят к спеканию смеси и резкому повышению её прочности.

Для улучшения выбиваемости в смеси рекомендуют вводить различные добавки, однако надёжных критериев выбора этих добавок практически нет. Органические добавки чаще всего рекомендуют для улучшения выбиваемости смесей из чугунных отливок, а неорганических из стальных.

Для улучшения выбиваемости жидкостекольных НСС пытались вводить в них те же вещества, что и для улучшения выбиваемости обычных пластичных жидкостекольных смесей (уголь, графит, кокс, мазут, опилки, глину, мел, пульвербакелит и др.). Однако практика показала, что многие из этих веществ снижают текучесть, устойчивость пены и прочность НСС, а также ухудшают другие свойства НСС.

Таблица 4

Составы формовочных смесей, применяемых для исследования выбиваемости

В связи с этим изучена прочность смесей после нагревания и охлаждения[7]. Их состав приведён в табл. 4. Исследования показали, что при заливке чугуном технологи­ческих проб максимальная температура прогрева НСС в центре об­разца, т. е. на глубине 25 мм равна 800°C, а при заливке сталью – 1200°C. Поэтому добавки, снижающие прочность НСС после нагрева до 800°C, считались эффективными для чугунного литья, а после про­грева до 1200°C – для стального.

Выбиваемость НСС и пластичной самотвердеющей смеси (см. табл. 4), вследствие наличия в них шлака, значительно лучше, чем обычной жидкостекольной. Несколько лучшая выбиваемость НСС по сравнению с пластичными самотвердеющими смесями обусловлена большей по­ристостью НСС. Однако выбиваемость ее, особенно при нагреве свыше 700°C, хуже, чем у песчано-глинистых смесей.

Кривая прочности обычной жидкостекольной смеси (см. рис. 23, кривая 2) имеет два максимума и два минимума. Такие же данные получены исследователями ЦНИИТМаша. Кривые прочности плас­тичной жидкостекольной самотвердеющей смеси (кривая 1) и НСС (кривая 3) имеют три характерных участка: резкое снижение прочности при нагреве до 200°C, небольшое изменение при 200–600°C; значи­тельное повышение при 600–1000°C и еще более высокое –при тем­пературе выше 1000° С.

Снижение прочности смесей при нагреве до 200°C объясняется ис­парением воды гелем, а также различными коэффициентами терми­ческого расширения кварцевого песка и геля кремневой кислоты. В табл. 5 приведены результаты изменений объема жидкостекольно-шлаковой композиции и НСС при нагреве их до 600° С.

Таблица 5

Изменение объема композиции и НСС в зависимости от температуры нагрева

В результате нагрева в пленке композиции, скрепляющей зерна наполнителя, возникают внутренние напряжения, приводящие к об­разованию трещин и частичному отрыву пленки композиции от зерна песка. Поэтому сушка стержней или форм из НСС, выдер­жанных после изготовления более 2 ч, уменьшает их прочность. Осо­бенно сильно снижается прочность, если стержни и формы из НСС вы­держаны до сушки сутки и более.

При прогреве НСС до 700–720°C размягчение жидкостекольно-шлаковой композиции не наблюдается, т. е. она находится еще в твер­дом состоянии. После охлаждения прочность смеси существенно не изменяется и выбиваемость ее вполне удовлетворительна.

Как показали исследования А. П. Семика, в интервале температур 720–1060°С жидкостекольно-шлаковая композиция плавится. Обра­зующаяся жидкая фаза взаимодействует с зернами песка и приводит к спеканию смеси при охлаждении, в результате чего прочность НСС возрастает, а выбиваемость ухудшается. Вязкость композиции при 720—1060°C превышает 200 Па • с, поэтому проникающая способ­ность ее в поры смеси небольшая. При нагреве смеси выше 1060°C вязкость ее вследствие расплавления композиции снижается и при 1100°C составляет 8 Па • с. Благодаря этому резко возрастает про­никающая способность композиции в поры между наполнителем, вследствие чего (после охлаждения) прочность НСС значительно уве­личивается, а выбиваемость резко ухудшается.

О расплавлении связующей композиции можно судить по умень­шению прочности НСС, измеренной непосредственно при высоких температурах (табл. 6).

Наблюдалось, что при нагреве до800°C после приложения нагрузки образец рассыпался на куски, а при 800ºC и выше начинал течь.

Нерастворившаяся часть шлака является включениями в связую­щем и частично снижает прочность НСС, поэтому выбиваемость

Таблица 6

Влияние температуры на прочность НСС

НСС немного лучше, чем у обычных жидкостекольных смесей, не содержа­щих феррохромового шлака.

2 .2. Влияние усадки отливки

Кроме температуры, на выбиваемость НСС в значительной мере влияет усадка отливки. Об этом свидетельствуют результаты экспе­риментов с различными железоуглеродистыми сплавами по заливке в форму при 1550°C (табл. 7).

Таблица 7

Влияние усадки сплавов на выбиваемость НСС