Разработка и освоение методов повышения технологичности стержней из жидкостекольных смесей для стального и чугунного литья

На правах рукописи

Маслов Константин Александрович

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ СТЕРЖНЕЙ ИЗ ЖИДКОСТЕКОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ СТАЛЬНОГО И ЧУГУННОГО ЛИТЬЯ

Специальность 05.16.04 – Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2010

Работа выполнена на кафедре «Литейно-металлургические процессы и сплавы» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Леушин Игорь Олегович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Илларионов Илья Егорович

кандидат технических наук, доцент

Гейко Игорь Васильевич

Ведущая организация ОАО «Нижегородский машиностроительный завод», г. Нижний Новгород

Защита диссертации состоится 26 ноября 2010 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП - 41, ул. Минина, д. 24, корп. 1., ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ им. Р.Е. Алексеева

Автореферат разослан 25 октября 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В.А. Ульянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Современное машиностроение требует постоянного совершенствования технологии получения отливок, обеспечения высокого уровня качества литых заготовок деталей машин, снижения ресурсопотребления и повышения экологической безопасности выполняемых технологических операций.

В данной связи пристальное внимание специалистов привлекают вопросы выбора и разработки материалов, способов изготовления и конструкции литейных стержней, в значительной мере определяющие направления решения ставящихся задач.

Эти вопросы в течение длительного времени находятся в сфере научных интересов ведущих отечественных ученых-литейщиков Г.А. Анисовича, Г.Ф. Баландина, П.П. Берга, А.Н. Болдина, П.А. Борсука, И.В. Валисовского, В.А. Васильева, Ю.П. Васина, Б.Б. Гуляева, С.П. Дорошенко, А.И. Евстигнеева, С.С. Жуковского, И.Е. Илларионова, Н.А. Кидалова, Б.А. Кулакова, Г.М. Орлова, И.Б. Куманина, И.О. Леушина, А.М. Лясса, Я.И. Медведева, А.А. Рыжикова, И.В. Рыжкова, А.А. Степанова, Г.И. Тимофеева, Е.А. Чернышова и др.

Данная работа направлена на развитие и уточнение некоторых результатов исследований упомянутых вопросов применительно к стержням из жидкостекольных смесей (СЖСС) для стального и чугунного литья. В последнее время такие стержни, как не достаточно технологичные, вытесняются из производства в связи с широким применением холоднотвердеющих смесей (ХТС) на основе синтетических смол. Однако это не всегда оправдано, особенно в условиях мелкосерийного и серийного производства, из-за высокой стоимости и недостаточной экологической безопасности -set, -set и других ХТС - процессов. Несмотря на имеющиеся недостатки (затруднённая выбиваемость, низкая регенерируемость), потенциал применения СЖСС достаточно высок и до конца не исчерпан. Основными их достоинствами являются относительно низкая стоимость и экологичность изготовления и использования. Именно поэтому СЖСС по-прежнему представляют интерес для исследований.

В данной работе, в отличие от предшественников, исследования СЖСС проводились в аспекте поиска путей повышения их технологичности, по мнению автора, объединяющей технологичность материала литейного стержня, технологичность изготовления (формообразования) стержня как изделия и технологичность применения стержня как конструктивного элемента литейной формы, несущего особую функциональную нагрузку. При этом во главу угла ставились необходимость совершенствования научно-теоретической базы практических разработок и такие приоритеты, как обеспечение экологической безопасности, использование производственных отходов и ресурсосбережение.

Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Министерства образования и науки РФ (2007-2010 гг.) в рамках договоров с рядом предприятий Волго-Вятского региона при грантовой поддержке Правительства Нижегородской области.

Цель работы: повышение технологичности литейных стержней на жидкостекольном связующем при изготовлении стального и чугунного литья.

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

• сформулировать понятие «технологичность литейного стержня»;

• уточнить схемы упрочнения и разупрочнения СЖСС, полученных при СО2-отверждении и тепловой сушке;

• обозначить основные направления повышения технологичности СЖСС;

• показать принципиальную возможность и выявить условия применения технологических добавок органического происхождения (ТДОП), технологических добавок неорганического происхождения (ТДНП), физических методов воздействия и их комбинаций в качестве средств, повышающих технологичность СЖСС для стального и чугунного литья;

• разработать и испытать в условиях производства технологии изготовления СЖСС с использованием ТДОП, ТДНП, физических методов воздействия и их комбинаций, обеспечивающих качество стальных и чугунных отливок на уровне, не ниже имеющегося;

• провести оценку экологической безопасности и экономической целесообразности применения данных технологических решений.

Объект исследования: стержневая смесь, способ изготовления и конструкция СЖСС, стальные и чугунные отливки.

Предметом исследования является технологичность СЖСС как комплекс их характеристик, свойств и параметров.

Научная новизна работы:

• впервые сформулировано понятие «технологичность литейного стержня», включающее в себя комплекс характеристик и свойств стержня одновременно как изделия, как элемента литейной формы и как материального объекта;

• уточнены схемы упрочнения и разупрочнения СЖСС, полученных при СО2-отверждении и тепловой сушке, а именно, выявлен двухстадийный характер формирования СЖСС; обнаружены различия в свойствах СЖСС, изготовленных по СО2-процессу и с применением тепловой сушки, связанные с термодеструкцией карбонатов при прогреве СЖСС металлическим расплавом;

• обозначены основные направления повышения технологичности СЖСС, связанные с применением ТДОП, ТДНП, физических методов воздействия и их комбинаций;

• доказана принципиальная возможность применения ТДОП (скоп), ТДНП (перманганат калия, бихромат калия, алюмокалиевые квасцы, карбонаты кальция и бария), физических методов воздействия (вакуумирование и СВЧ-обработка) и их комбинаций в качестве средств повышения технологичности СЖСС при производстве отливок из чугуна и стали;

• выявлены основные условия повышения технологичности СЖСС, касающиеся присутствия в составе стержневой смеси «сшивающих» добавок или применения физических методов воздействия, повышающих поверхностную прочность стержня; а также использования разупрочняющих добавок, увеличивающих податливость и уменьшающих работу выбивки стержня в процессе охлаждения отливки.

Практическая значимость работы:

• разработаны и успешно прошли промышленное опробование в условиях действующего производства новые технологии изготовления СЖСС, характеризующихся повышенной технологичностью и обеспечивающих получение качественных стальных и чугунных отливок;

• ожидаемый экономический эффект от внедрения разработок на базовых предприятиях составляет более 300 тыс. рублей на годовую программу выпуска литья; возможные источники эффекта: замена материала стержней; снижение затрат на утилизацию, повышение регенерируемости и уменьшение работы выбивки СЖСС при сохранении качества литья;

• экологический эффект заключается в замене низкоэкологичных смесей (-set, -set и других) на экологически безопасные жидкостекольные стержневые смеси.

Достоверность результатов обеспечивалась использованием высокоточного сертифицированного оборудования и средств измерения, подтверждалась положительными результатами опытно-промышленных испытаний разработанных СЖСС. В экспериментальных исследованиях свойств смесей использовалось лабораторное оборудование фирмы CentroZAP (Польша).

При испытаниях использовались стандартные методики контроля прочности смеси при разрыве и сжатии, влажности, газотворности, газопроницаемости, живучести и выбиваемости смеси, а также методики определения поверхностной прочности П.А. Борсука и Чжоу Яо-хо, регенерируемости А.М. Лясса, управляемости процесса С.П. Дорошенко и экологической безопасности С.С. Жуковского.

Личный вклад автора состоит:

• в постановке задач исследования;

• в уточнении схем упрочнения и разупрочнения СЖСС при СО2-отверждении и тепловой сушке;

• в проведении экспериментов по определению параметров технологичности СЖСС с использованием ТДОП, ТДНП, физических методов воздействия и их комбинаций;

• в обработке и анализе полученных результатов;

• в организации опытно-промышленных испытаний в условиях действующего производства.

На защиту выносятся:

• сформулированное автором понятие «технологичность литейного стержня», охватывающее все стадии жизненного цикла стержня как технического объекта;

• уточненные схемы упрочнения и разупрочнения СЖСС, полученных при СО2-отверждении и тепловой сушке;

• основные направления повышения технологичности СЖСС;

• основные условия повышения технологичности СЖСС, касающиеся присутствия в составе стержневой смеси «сшивающих» и разупрочняющих добавок (ТДОП и ТДНП) и применения некоторых физических методов воздействия (вакуумирование и СВЧ-обработка);

• новые составы жидкостекольных смесей и технологии изготовления СЖСС для стального и чугунного литья, прошедшие промышленное опробование в условиях действующего производства.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: VII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева в 2007 и 2008 гг.;

Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; Межрегиональной научно-практической конференции «Заготовительные производства и материаловедение» г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009 г.; на семинарах и совещаниях кафедры «Литейно-металлургические процессы и сплавы» НГТУ им. Р.Е. Алексеева в 2007-2010 гг.; промышленном опробовании в литейных цехах предприятий ООО «Метмаш» и ООО «Булат» в 2009-2010 гг.

Публикации

По теме диссертации в период 2007 - 2010 гг. опубликовано восемь научных работ, три из которых - в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ; получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Текст изложен на 168 страницах компьютерного набора и включает 35 таблиц, 54 рисунка, список литературы из 136 наименований. Приложения содержат два акта промышленного опробования разработок на предприятиях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы новизна и практическая значимость повышения технологичности СЖСС.

В первой главе приведён информационно-аналитический обзор состояния вопроса и даны ключевые характеристики исследования (цель, задачи, объект, предмет).

По итогам обзора выяснено, что:

- в настоящее время, несмотря на значительное число публикаций по данному вопросу, не сложилось общепризнанного понятия «технологичность литейного стержня», охватывающего все стадии его жизненного цикла как технического объекта;

- основные проблемы практического применения СЖСС связаны с их низкой технологичностью, а именно неудовлетворительной выбиваемостью, низкой регенерируемостью материала, недостаточной управляемостью процесса отверждения, а также малой податливостью при формировании отливки из-за образования сплошной спёкшейся силикат-глыбы во всём объёме стержня. При этом СЖСС отличаются высокой экологичностью и низкой стоимостью;

- теоретические представления о схемах упрочнения и разупрочнения СЖСС недостаточно проработаны и требуют уточнения вопросов стадийности и механизма процессов, в частности, для СО2-отверждения и тепловой сушки;

- надёжная научно-теоретическая база для решения проблемы повышения технологичности СЖСС пока не сложилась, поэтому имеющиеся разработки по этому вопросу носят бессистемный, разобщённый характер;

- накоплен некоторый опыт решения проблемы низкой технологичности СЖСС, в частности, имеется информация о применении некоторых ТДОП (например, опилки), модифицированного жидкого стекла, использовании связующих типа АЦЭГ, VRH-процесса, однако применение этих вариантов в условиях производства не всегда целесообразно из-за высокой затратности и ухудшения условий труда работающих.

Вторая глава посвящена разработке теоретической базы для решения проблемы повышения технологичности СЖСС.

Прежде всего, в русле известной концепции жизненного цикла технических объектов, дано описание всех стадий такого цикла для литейного стержня. Особое внимание обращается на условия работы стержня как конструктивного элемента литейной формы, несущего особую функциональную нагрузку, и вытекающие требования к нему.

В связи с этим в работе предлагается использовать понятие «технологичность литейного стержня» как объединяющее три составляющие: технологичность материала стержня как материального объекта; технологичность изготовления стержня как изделия и технологичность применения стержня как элемента литейной формы (рис. 1).

Каждой из этих составляющих можно поставить в соответствие некоторый набор показателей (свойств, характеристик и параметров) литейного стержня как технического объекта, которые предлагается группировать и ранжировать в зависимости от решаемой задачи.

Такой приём позволит для конкретной задачи учитывать не весь их широкий спектр, а только наиболее важные и существенные, рассматривая остальные либо как производные от выбранных, либо как малозначимые.

Руководствуясь этим методическим приёмом, к основным показателям технологичности СЖСС отнесли: поверхностную прочность (осыпаемость), предел прочности при растяжении и сжатии, газопроницаемость, газо-творность, влажность, жи- вучесть, выбиваемость, регенерируемость, управ-ляемость процесса и эко-логическую безопасность.

Далее изучали про-цессы упрочнения и разупрочнения СЖСС, получаемых СО2-отверждением и тепловой сушкой (именно для этих вариантов изготовления СЖСС в наибольшей степени характерны высокая экологичность и низкая стоимость).

При упрочнении СЖСС по СО2 - процессу происходит реакция замещения солей слабой ортокремневой кислоты солями более сильной угольной кислоты (карбонатами и гидрокарбонатами натрия и калия):

В зависимости от продолжительности продувания углекислым газом прочность СЖСС изменяется. В начальный момент продувки происходит быстрое возрастание прочности СЖСС. Затем достигается некоторый максимум, и в дальнейшем происходит постепенное снижение прочности (явление «передува») из-за растрескивания геля кремниевой кислоты. Длительность продувки СО2 для стержней массой 5-10 кг составляет 0,5-2,0 мин, при этом остаточная влажность достигает 1,3-1,5%.

Упрочнение стержней тепловым воздействием (сушкой) происходит за счёт потери влаги водного раствора силиката натрия (калия), «цементирующего» зерна песчаного наполнителя смеси:

В результате испарения влаги образуется плотная, а вследствие этого и прочная структура стекловидной пленки силикатов натрия (калия), т.е. при этом по сравнению с СО2-процессом более полно реализуются связующие свойства жидкого стекла.

Температура сушки составляет 130-150°С, а длительность - от 20 до 90 минут в зависимости от размеров стержня. Остаточная влажность при тепловом отверждении на стадии изготовления СЖСС составляет 0,6-0,8%.

«Пересушивание» приводит к растрескиванию безводных силикатов натрия (калия), что ведёт к снижению поверхностной прочности стержня (осыпаемости).

Разупрочнение – это процесс, связанный с потерей прочности стержней при контакте с жидким расплавом и дальнейшей его кристаллизации.

Разупрочнение СЖСС, изготовленных с применением тепловой сушки, практически не происходит, поскольку в процессе прогрева стержней теплом металлического расплава продолжается формирование прочного каркаса вплоть до максимума, достигаемого при остаточной влажности около 0,3% (получение спёкшейся силикат-глыбы или трудновыбиваемого «камня»).

При контакте с металлическим расплавом СЖСС, изготовленных по СО2-процессу (реакции (1) и (2)), наблюдается вторая стадия формирования прочности стержня:

Максимальная прочность СЖСС достигается при остаточной влажности около 1%. При этом прочность образующейся силикат-глыбы ненамного меньше, чем у СЖСС, изготовленных с применением тепловой сушки, т.к. летучие продукты реакции (5) и (6) разрыхляют кремнекислородный каркас стержня, способствуя разрыву внутренних связей. Таким образом, становятся понятными причины неудовлетворительной выбиваемости СЖСС – одного из основных показателей их технологичности.

К другим «проблемным» показателям технологичности СЖСС можно отнести нестабильные поверхностную прочность, газопроницаемость и завышенную «объёмную» прочность.

В качестве основных направлений повышения технологичности СЖСС для стального и чугунного литья в работе предлагаются (рис. 2): использование ТДОП; использование ТДНП, использование физических методов воздействия на СЖСС при их изготовлении или применении; комбинирование приведённых вариантов.

Использование ТДОП.

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 жидкостекольного связующего – ортокремневую кислоту, например, через водородные связи, в полицепочки (см. схему реакции ниже).

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, органическая природа технологической добавки обуславливает её выгорание или термодеструкцию при контакте СЖСС со стальным или чугунным металлическим расплавом.