авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Разработка ресурсосберегающих составов песчано-глинистых смесей и разделительных покрытий для получения отливок из железоуглеродистых сплавов

1

На правах рукописи

ЗАКУТАЕВ Виктор Алексеевич «РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ СОСТАВОВ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ СМЕСЕЙ И РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ» 05.16.04 – Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2011 2

Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства» ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Кидалов Николай Алексеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Илларионов Илья Егорович.

кандидат технических наук, доцент Грачев Александр Николаевич.

Ведущая организация ГОУ ВПО «Южно-Уральский государ ственный университет».

Защита диссертации состоится 18 февраля 2011 года в 13.00 часов на засе дании 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. Алексе ева

Автореферат разослан 17 января 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, В.А. Ульянов доктор технических наук, профессор

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Современное машиностроение требует постоян ного совершенствования технологии получения отливок, повышения производи тельности за счет сокращения цикла их изготовления, улучшения чистоты по верхности, значительного сокращения вредных для здоровья технологических операций. Поэтому создание новых и совершенствование существующих мето дов изготовления отливок имеет большое значение.

Качество литых заготовок зависит не только от правильно выплавленного металла, выбора и расчета литниковой системы, но и от качества изготовленной формы. В большинстве случаев разовая литейная форма состоит из огнеупорно го наполнителя, связующих и технологических добавок. Качество данных фор мовочных материалов, их физико-химические и технологические характеристи ки требуют тщательного анализа. В свою очередь геометрическая точность от ливки и чистота ее поверхности зависят от качества отпечатка формы, на кото рый влияет взаимодействие компонентов формовочной смеси с материалом мо дельной оснастки.

Работы, выполненные известными российскими учеными в области про цесса формообразования и формовочных материалов Карловым К.Н., Бергом П.П., Рыжиковым А.А., Аксеновым П.Н., Ляссом А.М. Баландиным Г.Ф., Васи ным Ю.П., И.Е. Илларионовым, С.С. Жуковским, А.А. Волкомичем, в области физической и коллоидной химии А.Д. Зимоном, Ребиндером П.А., а также дру гими известными учеными, позволили разработать методы оценки адгезионного взаимодействия формовочной смеси с модельно-технологической оснасткой и меры по его снижению.

Несмотря на накопленный богатый производственный опыт, проблема прилипаемости песчано-глинистых формовочных смесей до настоящего времени не является окончательно изученной. Снижение адгезии смеси получают за счет применения подогрева модельной оснастки, использования методов электроли тической защиты, нанесения жидких разделительных покрытий и прочих спосо бов. В производстве широкое распространение получили разовые разделитель ные покрытия, состоящие из целевых, дорогостоящих материалов и требующих частого нанесения на поверхность оснастки. Эти покрытия значительно ухуд шают санитарно-гигиенические условия труда и пожарную безопасность. В то же время в промышленности образуется значительное количество отходов, име ющих стабильный химический состав, которые возможно использовать для со здания разделительных покрытий и составов формовочных смесей.

Таким образом, научно обоснованное создание условий получения каче ственного отпечатка литейной формы и снижение прилипаемости песчано глинистых смесей в процессе формообразования является актуальной задачей.

Цель и задачи исследований. Целью данного исследования является по лучение бездефектных песчано-глинистых форм и отливок в них за счет сниже ния адгезионного взаимодействия смеси с материалом модельно технологической оснастки на основе разработки ресурсосберегающих техноло гий изготовления смесей и разделительных покрытий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать комплексную методику, оценивающую прилипаемость смеси к оснастке, учитывающую силы адгезии и взаимодействие связующего с мате риалом модели;

- подобрать недефицитные компоненты для разделительного покрытия и соста вов песчано-глинистых смесей из числа отходов нефтехимической промыш ленности;

- изучить влияние предлагаемых добавок на свойства разделительных покрытий и формовочных песчано-глинистых смесей;

- разработать составы разделительных покрытий и формовочных песчано глинистых смесей с низким пределом адгезионной прочности к поверхности модельной оснастки, отвечающих требованиям изготовления качественных литейных форм;

- провести промышленные испытания разработанных составов формовочной смеси и разделительного покрытия.

Объект исследования: формовочная смесь и ее компоненты, материалы модельно-технологической оснастки, чугунные отливки.

Предметом исследования является технологичность формовочных сме сей и разделительных покрытий и их взаимодействие с модельно технологической оснасткой в процессе формообразования.



Научная новизна:

Научная новизна состоит в выявлении особенностей и закономерностей протекания процесса взаимодействия компонентов формовочной смеси с по верхностью модельно-технологической оснастки при формообразовании литей ных форм и разработке мер по снижению адгезионного взаимодействия путем применения ресурсосберегающих разделительных покрытий, обладающих низ ким поверхностным натяжением и формовочных смесей:

- впервые получены условия неприлипания сырых песчано-глинистых формовочных смесей к материалу модельно-технологической оснастки, завися щие от отношения толщины пленки к диаметру зерна огнеупорного наполнителя ) и от вида его укладки;

с увеличением степени укладки до координационного ( d числа К=12 увеличивается область неприлипания формовочной песчано глинистой смеси. С помощью теоретической модели установлены рецептуры смесей с минимальной способностью к прилипанию;

- установлено, что работы адгезии 5-ти и 10-ти % водноглинистых сус пензий к стальной подложке (сталь 25Л) составляют 106,36…110,48 мДж/м2, к сплавам на основе алюминия (АЛ9) 91,32…96,28 мДж/м2 и меди (БрО5Ц5С5) 86,15…92,81 мДж/м2, и говорит о большей склонности стальной оснастки к при липанию;

при этом уточнено, что с увеличением шероховатости поверхности стальной модели с Ra 0,011 мкм, до Rа 11,5 мкм возрастает работа адгезии гли нистой суспензии с 97,73 до 114,12 мДж/м2;

- установлено, что при возрастании гранулометрического состава песча но-глинистой формовочной смеси (с 0,16 до 0,99 мм) увеличивается предел прочности на сжатие во влажном состоянии (с 0,074 до 0,113 МПа) и снижается предел адгезионной прочности к материалам моделей: сталь 25Л – с 0,011 МПа до 0,006 МПа;

алюминиевый сплав АЛ9 – с 0,009 МПа до 0,006 МПа;

бронза БрО5Ц5С5 – с 0,008 МПа до 0,005 МПа;

- выявлено и установлено влияние ресурсосберегающей органоминераль ной добавки, кека - отхода нефтеперерабатывающего завода, на физико механические и технологические свойства формовочных песчано-глинистых смесей;

при этом повышается предел прочности смеси на сжатие во влажном со стоянии до 0,1 МПа, текучесть по пробе Орлова - до 67%, предел адгезионной прочности к стальной модели снижается до 0,005 МПа, что улучшает отпечаток литейной формы и влияет на повышение качества чугунного литья.

Практическая значимость работы. Определены параметры формовоч ных песчано-глинистых смесей, влияющие на прилипаемость к модельной оснастке.

Предложена оригинальная методика для оценки физико-химического вза имодействия компонентов формовочных смесей с материалом модельной оснастки и предела адгезионной прочности контактной пары «формовочная смесь-модель», с помощью которой получены экспериментальные зависимости, подобраны составы разделительных покрытий и формовочных смесей.

Разработанные составы разделительного покрытия и формовочной песча но-глинистой смеси прошли промышленные испытания на заводах ФГУП ПО «Баррикады» и ОАО «ВолгоградНефтемаш». Ожидаемый экономический эф фект от внедрения может составить 889 тыс. рублей в год;

возможные источники эффекта: замена материалов технологических добавок формовочных смесей, разделительного покрытия;

снижение затрат на очистку отливок, повышение ка чества литья.

Экологический эффект заключается в применении отхода производства кека в составах формовочных смесей, что сократит площади его захоронения, а также сократит газовыделения смеси по сравнению с аналогичными смесями, в состав которых входят целевые материалы.

Достоверность результатов обеспечивалась использованием высокоточ ного сертифицированного оборудования и средств измерения и подтвердилась положительными результатами производственных испытаний разработанных со ставов формовочных смесей и разделительных покрытий. В экспериментальных исследованиях свойств смесей использовались стандартные и оригинальные ме тодики контроля формовочных смесей, а также лабораторное оборудование фирмы WADAP (Польша), Микро-Фурье реометр MFR-2100.

Личный вклад автора состоит:

• в постановке задач исследования;

• в определении условий отсутствия прилипания формовочных смесей к модельно-технологической оснастке на основе дополнений теории прочности формовочной смеси Лясса А.М.;

• в создании комплексной методики, оценивающей взаимодействие фор мовочных смесей с материалом модельно-технологической оснастки;

• в проведении экспериментов по определению свойств формовочных сме сей и разделительных покрытий, обработке и анализе полученных результатов;

• в организации промышленных испытаний в производственных условиях.

На защиту выносятся:

• теоретическая модель, позволяющая оценивать взаимодействие формовочных смесей с модельно-технологической оснасткой и определять их рецептуры;

• основные факторы, влияющие на прилипаемость наиболее применяемых в серийном производстве формовочных песчано-глинистых смесей к материалам модельно-технологической оснастки;

• уточнение методики комплексной оценки взаимодействия компонентов и составов формовочных смесей с поверхностью модельно-технологической оснастки;

• новые составы формовочных смесей и разделительных покрытий для чугунолитейных цехов с серийным и массовым характером производства, прошедшие промышленное апробирование.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены на VI и VIII Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород (2007 г., 2009г.);

на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин (2008 г.);

на Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение - 2009», г.

Москва (2009 г.);

на X, XI, XII, XIII, XIV региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград (2005-2009 г.);





на ежегодных научно-практических конференциях в Волгоградском государственном техническом университете (2005-2009 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печат ных работ. Из них 3 статьи в изданиях по перечню ВАК, 1 патент РФ на изобре тение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, ше сти глав, общих выводов и приложений. Общий объем работы – 201 страница машинописного текста, 59 рисунков, 25 таблиц, 73 формулы, 143 наименование списка литературы. В приложении представлены документы, подтверждающия промышленные испытания полученных результатов исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности работы, сформулиро вана ее цель, показана научная новизна и практическая ценность результатов ис следований.

В первой главе изложены современные представления о физико химических процессах на границе материал «модельной оснастки – формовочная смесь», приводящие к образованию прилипаемости. Рассмотрены известные ме тодики, позволяющие определить величину взаимодействия формовочной смеси с модельно-технологической оснасткой, проанализированы их достоинства и не достатки. Приведены известные методы борьбы с прилипаемостью. Описаны и проклассифицированы разовые разделительные покрытия, используемые при из готовлении песчано-глинистых форм. Сформулированы цель и основные задачи исследований.

Во второй главе приводятся методики исследований. Описана методика комплексной оценки прилипаемости, определяющая физико-химическое взаи модействие компонентов смеси и предел адгезионной прочности контакта фор мовочной песчано-глинистой смеси к материалу модельно-технологической оснастки.

Приводится установка для исследования величины краевых углов смачи вания жидких компонентов формовочной песчано-глинистой смеси к поверхно сти кварца и модельных материалов. При этом подложки, моделирующие по верхность модельных материалов, использовались как без покрытия, так и с раз делительными покрытиями, также изменялась их шероховатость поверхности.

Для регистрации краевых углов смачивания был модифицирован биологический микроскоп МБС-9, с помощью которого капли связующей жидкости, нанесен ные на поверхность модельного материала, фотографировались при 70-ти крат ном увеличении цифровым фотоаппаратом Canon Power Shot - A620 (рисунок 1).

Затем фотографии вносятся в компьютерную программу твердотельного моде лирования, где замеряются размеры и краевые углы капель жидкости на подлож ке. Далее рассчитывались работы адгезии связующего материала к подложкам, с нанесенным разделительным покрытием и без покрытия, по формуле 1.

Аадг 21(1 cos ), (1) где Аадг - работа адгезии жидкости к твердой поверхности (мДж/м2);

- краевой угол смачи вания твердого тела жидкостью;

cos - смачиваемость;

21 - поверхностное натяжение жидкой фазы.

1- стол;

2- биологический микроскоп МБС- 9;

3- предметный столик, регулируемый по высоте;

4- субстрат;

5- переходник для подключения цифрового фотоаппарата;

6- цифровой фото аппарат Canon A620.

Рисунок 1- Схема установки для определения краевых углов смачивания жидких материалов к твердой поверхности.

Исследование процессов взаимодействия модельной оснастки с формо вочной смесью проводили на разрывной машине РМ-50 с использованием спе циальной оснастки. Данным методом моделируется процесс взаимодействия с вертикальной стенкой модели 1 (рисунок 2) и уплотненной формовочной сме сью.

1- модель с вертикальным участком;

2- испытательный цилиндр;

3- боек;

4- образец из формовочной смеси;

5 поддон.

Рисунок 2- Схема оснастки, позволяющая опреде лить предел прочности адгезионного контакта между вертикальной поверхностью модели и об разца уплотненной формовочной смеси При протяжке модели из уплотненного с помощью бойка 3 образца формовочной смеси, находящегося в испытательном цилиндре 2, определяется предел адгезионной прочности (максимального сдвигового усилия, требуемого для разрушения адгезионного соединения адгезив-субстрат). Данный метод позволяет изменять материал модельно-технологической оснастки и составы формовочных смесей, а также оценивать эффективность применения разделительных покрытий.

На установке для определения физико-механических свойств смесей LRuTS, используя специальную оснастку (рисунок 3), определяли усилия смещения заформованного в цилиндре образца, которые являлись мерой взаимодействия формовочной смеси с модельной оснасткой. Данный метод позволяет количественно оценить адгезию формовочной смеси к вертикальным стенкам модели, которая имеет различную шероховатость поверхности.

1- пуансон;

2- стандартный цилиндрический образец из формовочной смеси;

3- испытательная гильза;

4- траверса противодавления, соединенная с индуктивным датчиком;

5- траверса нагружения;

6- штоки, передающие усилие на индуктивный датчик растяжения.

Рисунок 3- Схема определения усилия извлече ния стандартного цилиндрического образца из испытательного цилиндра.

В испытательный цилиндр d 50 мм, изготовленный из исследуемого модельного материала и имеющего заданную шероховатость внутренней рабочей поверхности, засыпается и уплотняется исследуемая формовочная смесь. В зависимости от задачи исследования на эту поверхность наносилось исследуемое разделительное покрытие, либо проводилось испытание без покрытия. При испытании траверса нагружения 5 медленно воздействует на образец 2 с помощью пуансона, а индуктивный датчик регистрирует усилие, предаваемое ему траверсой противодавления 4 и штоков 6. Отношение данной силы к площади контакта характеризует предел адгезионной прочности контакта. Когезионная прочность исследуемых смесей оценивалась пределом прочности на разрыв стандартного цилиндрического образца во влажном состоянии. Для этого использовалась приставка к универсальному аппарату типа LRu для исследования прочностных свойств формовочных и стержневых масс.

Предел измерений от 0 до 0,033 МПа.

Физико-механические, гидравлические и технологические свойства фор мовочных смесей и связующих материалов определялись по стандартным мето дикам.

В третьей главе, используя метод определения предела прочности фор мовочных смесей на растяжение, предложенный Ляссом А.М., а также условия неразрушения этих смесей, получены условия неприлипания сырых песчано глинистых формовочных смесей к материалу модельно-технологической оснаст ки. Из данных условий следует, что для снижения прилипаемости и получения качественного отпечатка формы, необходимо получить плотную упаковку зерен смеси с координационным числом К=12 для песчано-глинистых смесей, вклю чающих 80-90 мас.% огнеупорного наполнителя, 5-12 мас.% глины, 5-8 мас.% воды.

В четвертой главе исследовалось адгезионное взаимодействие, протека ющее в парах модельная оснастка и кварцевый наполнитель – жидкие компонен ты формовочной смеси. На поверхность кварцита, моделирующего поверхность наполнителя смеси, и на металлические (сталь 25Л ГОСТ 977-88, алюминий АЛ ГОСТ 1583-93, медный сплав БрО5Ц5С5 ГОСТ 613-79) подложки, моделирую щие поверхность модели, наносилась вода, которая входит в состав песчано глинистой смеси и связующего – водноглинистой суспензии.

Результаты исследования показали, что адгезия воды к материалу сталь ной оснастки максимальна и составляет 104,97 мДж/м2, к алюминиевой оснаст ке - 87,94 мДж/м2, а к медной - 83,21 мДж/м2.

Далее в качестве адгезива использовали 5-ти и 10-ти % водноглинистые суспензии, с помощью которых можно более точно, по сравнению с водой, опре делить величину взаимодействия на границах раздела глинистая пленка – квар цевое зерно и глинистая пленка – модельная оснастка.

Таблица 1- Экспериментальные данные работ адгезии глинистых суспензий к экспериментальным подложкам Материал подложки Концентрация, Кварцит Сталь 25Л АЛ 9 БрО5Ц5С Марка глины Аадг, Аадг, Аадг, Аадг, % мДж/м2 мДж/м2 мДж/м2 мДж/м П1Т2 5 57,5 112,91 63,47 106,36 76 91,32 80,11 86, ГОСТ 28177-96 10 62,5 110,24 61,79 110,48 76,36 96,28 73,61 92, Стальная модельно-технологическая оснастка отличается наибольшей ве личиной работы адгезии 106,36…110,48 мДж/м2 и является близкой работе к кварциту 110,24…112,91 мДж/м2. Это вызвано большей поверхностной энергией субстрата и повышает вероятность физико-химического взаимодействия и при липания частиц смеси к модельно-технологической оснастке.

Для определения предела адгезионной прочности смеси к поверхности модели использовали песчано-глинистые смеси, отличавшиеся размерами зерен кварцевого песка. Составы и свойства приведены в таблице 2.

Таблица 2- Состав и свойства песчано-глинистых смесей Номер смеси Состав смеси 1 2 3 4 Содержание компонента мас.% Песок кварцевый ГОСТ 2138-93 86 86 86 86 (фракция мм) (0,16-0,19) (0,2-0,314) (0,315-0,399) (0,4-0,62) (0,63-0,99) Глина бентонитовая П1Т2, ГОСТ 28177- Мука древесная, №180 ГОСТ 1, 16361- Вода техническая 4, Всего: Свойства смеси Влажность, % 4 4 4 4 Газопроницаемость, ед 69,3 136,2 148,3 295 Предел прочности на сжатие во 0,074 0,085 0,09 0,099 0, влажном состоянии, МПа Предел прочности на разрыв во 8,8 12,43 13,5 13,97 15, влажном состоянии, МПа*10- Текучесть по методу Орлова, % 60,74 58,16 54 53,85 48, Проведенные исследования показали, что с увеличением размера зерна и возрастанием предела прочности на сжатие во влажном состоянии снижалась те кучесть формовочной смеси, что представлено в таблице 2. Это можно объяс нить тем, что песчинки с максимальным из приведенного интервала (0,16 - 0, мм) размером обладают меньшей удельной поверхностью, и при равном содер жании глинистого связующего в составе смеси глинистая пленка лучше распре деляется по поверхности зерна, что и приводит к более высоким прочностным показателям. Когезионная прочность на разрыв сырых стандартных цилиндриче ских образцов возрастает с увеличением размера зерен огнеупорного наполните ля и составляет для смеси №5 15,33*10-3 МПа, что снижает вероятность прили паемости формовочной смеси.

На рисунке 4 представленные данные показывают, что при увеличении предела прочности на сжатие в сыром состоянии происходит сокращение преде ла адгезионной прочности смеси к оснастке. Формовочная смесь, обладающая большей прочностью внутри себя, менее склонна прилипать к оснастке.

Рисунок 4– Влия ние фракционного - предел адгезионной прочности смсесей к стальной модели - предел прочности на сжатие во влажном состоянии состава огнеупор 1, 1, ного наполнителя Предел адгезионной прочности, х10 Па Предел прочности на сжатие, х10 Па песчано-глинистых 1, 1, смесей на их проч ность на сжатие во 0, 0, влажном состоянии и адгезионную 0, 0, прочность к сталь ной модели.

0, 0, 0, 0, 0,0 0, (0,16-0,19) (0,2-0,314) (0,315-0,399) (0,4-0,62) (0,63-0,99) Фракционный состав смесей, мм Далее представлены данные по исследованию прилипаемости методом сдвига образцов модели из различных материалов (рисунок 5) и песчано глинистых смесей (таблица 2). Исследования показали, что модельная оснастка, выполненная из стали 25Л ГОСТ 977-88, отличается большим пределом адгези онной прочности контакта;

так, для смесей с песком фракции (0,16-0,19 мм), (0,2-0,314 мм), (0,315-0,399 мм), (0,4-0,62 мм), (0,63-0,99 мм) он составляет 0,1075*105 Па, 0,1048*105 Па, 0,087*105 Па, 0,0868*105 Па, 0,0673*105 Па соот ветственно. Оснастка, выполненная из алюминиевого и медного сплавов, обла дает меньшими значениями предела адгезионной прочности на 6…40% и на 25…55% соответственно.

- стальная модель Рисунок 5- Влияние - алюминиевая модель - медная модель Предел адгезионной прочности, х10 Па размера зерен огне 0, упорного наполни теля и типа модель 0, ной оснастки на предел адгезионной 0, прочности 0, 0, 0, (0,16-0,19) (0,2-0,314) (0,315-0,399) (0,4-0,62) (0,63-0,99) Фракционный состав смесей, мм Приведенные результаты показывают, что материал модельной оснастки влияет на величину взаимодействия с формовочной смесью, которая является максимальной для всех составов формовочных смесей при использовании сталь ной модельно-технологической оснастки ввиду большей работы адгезии глини стой пленки к поверхности данного субстрата. Применение оснастки из алюми ниевых и медных сплавов снижает адгезию смеси вследствие более низких зна чений адгезии глинистой пленки к материалу моделей.

Поэтому, для исследования величины предела адгезионной прочности между материалом модели с различной шероховатостью поверхности и формо вочной смесью была использована модельная оснастка, выполненная из стали 25Л ГОСТ 977-88.

Исследования проводили по методу выталкивания стандартного цилин дрического образца из специальной гильзы с различной шероховатостью по верхности (Ra 1,25 мкм;

Rа 6,3 мкм;

Rа 9мкм). Данные представлены в таблице 3.

Таблица 3- Предел адгезионной прочности (влажность 4%) Предел адгезионной прочности, *105 Па № Шероховатость гильзы поверхности смесь № 2 смесь № 3 смесь № гильзы, мкм (0,16-0,19 мм) (0,2-0,314 мм) (0,315-0,399 мм) 1 Ra 1,25 0,09 0,075 0, Rа 6, 2 0,093 0,086 0, Rа 3 0,11 0,094 0, Так как модель, выполненная из стали отличается меньшей стоимостью и большей износостойкостью по сравнению с алюминиевой и медной оснастками, то необходимо использовать дополнительные методы, снижающие адгезионное взаимодействие к данному модельному материалу.

Для снижения прилипаемости и улучшения качества отпечатка литейной формы предложено использовать разделительное покрытие на основе отрабо танного трансформаторного масла. Для улучшения стойкости разделительного покрытия, снижения поверхностного натяжения и фрикционных сил на границе модельно-технологическая оснастка – уплотненная формовочная смесь, в состав трансформаторного масла была введена противоизносная, антифрикционная присадка ДФ-11, представляющая собой маслянистую жидкость светло-желтого цвета, содержащую диалкилдитиофосфорную кислоту (рисунок 6).

58, Рисунок 6- Зависимость вели 58, Поверхностное натяжение, мДж/м чины поверхностного натяже 58, 58, ния от содержания антифрик 57, 57, ционной присадки ДФ-11.

57, 57, 57, 56, 56, 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Содержание добавки, мас.% При концентрации добавки в покрытии на основе отработанного транс форматорного масла 8 мас.% поверхностное натяжение снижается до 56, мДж/м2, что удовлетворяет принятой гипотезе по подбору разделяющих жидко стей с минимальным поверхностным натяжением и соответствующей работой когезии. Дальнейшее увеличение содержания присадки в отработанном транс форматорном масле не приводит к повышению его свойств, а стоимость покры тия возрастает. Таким образом, для дальнейших исследований был выбран со став №8, включающий 92 мас.% отработанного трансформаторного масла и мас.% антифрикционной присадки ДФ-11.

Для определения влияния разделительного покрытия на работу адгезии капля исследуемой жидкости (глинистая суспензия 5-ти и10-ти % концентрации) наносилась на предварительно очищенную поверхность стальной подложки без покрытия и с разделительными покрытиями. Определив поверхностное натяже ние адгезива (водноглинистой суспензии) и краевые углы, вычислялись работы адгезии по формуле 1.

Анализ работы адгезии 5%-ной суспензии (=1,02 г/см3;

п.н.= 73, мДж/м2) на глине (П1Т2, ГОСТ 28177-96) на рисунке 7 подтвердил, что взаимо действие связующего с поверхностью модели без покрытия находится на уровне 100…110 мДж/м2 и повышается с увеличением шероховатости поверхности оснастки (подложка №1 Ra 0,011 мкм, №2 Ra 0,025 мкм, №3 Rа 11,5 мкм).

б) стальная подложка в) стальная подложка (Rа 11,5 мкм) а) стальная подложка (Ra 0,011 мкм) (Ra 0,025 мкм) без покрытия без покрытия без покрытия г) стальная подложка (Ra 0,011 мкм), д) стальная подложка (Ra 0,025 мкм), е) стальная подложка (Rа 11,5мкм), с разделительным составом №8 с разделительным составом №8 с разделительным составом № Рисунок 7- Смачивание стальной модели 5% глинистой суспензией (П1Т2, ГОСТ 28177-96) Разделительное покрытие (состав №8) формирует на подложке ровный тонкий слой, обладающий гидрофобными свойствами (краевой угол смачивания 66…760). Работа адгезии глинистой суспензии снижается на 12,5% в случае с подложкой №1, Ra 0,011 мкм, на 13,6% с подложкой №2, Ra 0,025 мкм и на 7% в случае с подложкой №3, Rа 11,5 мкм, по сравнению с аналогичными подложка ми без покрытия.

Было выявлено, что взаимодействие 10% глинистой суспензии с поверх ностью модели находится на уровне 97…114 мДж/м2 и повышается с увеличе нием шероховатости поверхности оснастки. Нанесение покрытия, состав №8, снижает работу адгезии на 10% по сравнению со стальной подложкой Ra 0, мкм без покрытия, на 4% при использовании подложки Ra 0,025 мкм и на 16,4% при подложке с шероховатостью поверхности Rа 11,5 мкм.

При применении разделительного покрытия на основе отработанных трансформаторных масел – состав №8, работа адгезии к стальной модели снижа ется на 4…16,4%. Этот эффект на практике может привести к снижению прили паемости песчано-глинистых смесей к поверхности модельно-технологической оснастки.

Экспериментальные данные, полученные при использовании методики страгивания модели из образца смеси, показывают, что максимальным пределом адгезионной прочности контакта во всех случаях обладает контактная пара стальная модель без покрытия - формовочная смесь (рисунок 8).

Без покрытия Рисунок 8- Влияние размера Формол Состав № зерен огнеупорного наполни А.с. СССР № 0, Предел адгезионной прочности, х10 Па теля и типа разделительного покрытия на предел адгези 0, онной прочности песчано 0, глинистой смеси к стальной оснастке.

0, 0, 0, 0,16-0,19 мм 0,2-0,314 мм 0,315-0,399 мм Гранулометрический состав смеси При применении разделительных покрытий адгезионный контакт смеси с моделью снижается наряду с уменьшением прилипаемости частичек к поверхно сти стальной модели. С разработанным разделительным покрытием (состав №8), включающим отработанное трансформаторное масло, предел прочности контак та снизился от 1,6 до 30%, при этом наибольший эффект снижения прилипаемо сти достигнут при контакте с формовочной смесью, содержащей фракции песка (0,315-0,399 мм). Его действие основано на снижении работы адгезии глинистой суспензии к поверхности стальной оснастки и когезионного разрыва пленки по крытия за счет низкого поверхностного натяжения при протяжке модели.

Величина предела прочности адгезионного контакта формовочных сме сей, полученных по рецептурам в соответствии с таблицей 2, исследовалась на приборе LRuTS с применением специальной оснастки (рисунок 9).

Рисунок 9- Влия - без покрытия - покрытие "Формол" ние грануломет - покрытие состав № рического состава Предел адгезионной прочности, х10 Па 0, формовочной смеси, шерохова 0, тости поверхности модели и типа 0, применяемого 0, разделительного покрытия на пре 0, дел адгезионной прочности.

0, 0,2-0,314 0,315-0,399 0,4-0,629 0,2-0,314 0,315-0,399 0,4-0,629 0,2-0,314 0,315-0,399 0,4-0, Rа Ra 1,25 Rа 6, Шероховатость поверхности оснастки, мкм Применение покрытий на масляной основе снижает предел адгезионной прочности смеси к оснастке за счет меньшего поверхностного натяжения слоя покрытия, нанесенного на модель, по сравнению с натяжением пленки глини стой суспензии, распределенной между зернами огнеупорного наполнителя. По крытие «Формол» снижает предел адгезионной прочности контакта к стальной гильзе №1 (Ra 1,25 мкм) смеси с фракцией песка 0,2-0,314 мм на 10%, смеси с фракцией песка 0,315-0,399 мм - на 11%, смеси с фракцией песка 0,4-0,629 мм на 14% по сравнению с аналогичными данными без покрытия. Состав №8 на ос нове отработанных трансформаторных масел снижает данный предел прочности на 16...18% соответственно. При использовании покрытия «Формол» и состав №8 на гильзе №2 (Rа 6,3 мкм) также происходит снижение усилия выталкивания образца. На смеси с фракцией песка 0,2-0,314 мм на 14,5% и 17%, на смеси с фракцией песка 0,315-0,399 мм - на 15% и 18,5%, на смеси с фракцией песка 0,4 0,629 мм - на 18% и 22%, соответственно. Стальная гильза №3, обладающая большей шероховатостью (Rа 9 мкм), создает условия повышенной прилипаемо сти, что видно из диаграммы (рисунок 9), однако, применение покрытий на мас ляной основе снижает предел адгезионной прочности смеси к оснастке анало гично гильзам №1 и №2. Применение покрытия «Формол» снижает адгезионую прочность контакта на 4…12%. Наиболее эффективно разделительное покрытие состав №8, снижающее данные величины в интервале 11…20% в зависимости от состава и свойств контактирующей смеси. Это можно объяснить тем, что наряду с пониженным поверхностным натяжением покрытия 56,76 мДж/м2, оно снижа ет адгезию глинистой пленки к покрытию за счет большего краевого угла смачи вания глинистой суспензии стальной подложки с нанесенным составом.

Таким образом, разработанное разделительное покрытие, включающее отработанное трансформаторное масло с добавкой 8% диалкилдитиофосфорной кислоты, эффективно снижает работу адгезии водноглинистой суспензии и пре дел прочности адгезионного контакта формовочной песчано-глинистой смеси к поверхности стальной оснастки.

В пятой главе приведены результаты исследования технологической добавки кека – отхода производства присадки к моторным маслам на физико механические и технологические свойства песчано-глинистых формовочных смесей. Данная органоминеральная добавка представляет собой порошок серого цвета с размерами частиц 0,7 мкм, состоящий из минеральной части 59-63% и органической фазы – 37-41%. Состав минеральной части кека в основном представлен оксидами: SiO2, Al2O3, MgO и CaO. Свойства данных неорганических веществ в составе песчано-глинистой смеси могут приводить к дополнительному связыванию воды, набуханию и повышению ионообменной способности глинистой пленки на поверхности частицы огнеупорного наполнителя. Из этого следует, что дисперсная добавка кека может приводить к повышению прочностных свойств смеси.

В состав смесей вводилась известная органическая добавка – кубовые остатки от дистилляции жирных кислот (КО) в количестве 1,4 мас.%, а также новая органоминеральная добавка - кек в количестве 1,5 мас.%. При получении смеси использовался кварцевый песок Орловского карьера с фракцией 0,315…0,399 мм, т.е. остаток на сите 0,315 мм. Состав и свойства смеси приво дятся в таблицах 4, 5, а исследования на прилипаемость к стальной модели мето дом протяжки модели из образца смеси приведены на рисунке 10.

Таблица 4 - Рецептуры экспериментальных смесей Содержание компонентов, мас.% Номер песок кварцевый, Глина бентонитовая Древесная смеси фракция П1Т2, Вода Добавка мука 0,315…0,399 ГОСТ 28177- 1 86 8 1,7 4,3 1,4 (КО) 2 86 8 1,7 4, 1,5 (кек) 3 86 8 1,7 4, Таблица 5- Свойства экспериментальных смесей Предел прочности на разрыв Газопрони Влажность, Текучесть, во влажном состоянии Номер смеси сж, МПа цаемость, ког, 10-3МПа % % ед.

1 0,89 13,5 4 148,3 2 0,072 10,16 4 87 60, 3 0,102 15,86 4 129 67, Рисунок 10- Влияние типа Без покрытия Формол 0, смеси и применяемого раз Состав № А.с. № Предел адгезионной прочности, х10 Па делительного покрытия на 0, предел адгезионной прочно 0, сти.

0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, Смесь №1 Смесь №2 Смесь № Шифр смеси Данные, представленные на рисунке 10, показывают, что при отсутствии в составе смеси №1 (таблица 4) технологических добавок, она обладает большим сцеплением с поверхностью стальной модельной оснастки (0,087х105Па), и тем самым влияет на повышение прилипаемости. При введении в состав смеси орга нических добавок типа КО (смесь №2) происходит заметное снижение адгезии смеси к оснастке, но одновременно с этим снижаются прочностные показатели и газопроницаемость (таблица 4, 5). Предел адгезионной прочности уменьшается на 55% и составляет 0,039х105 Па. При использовании в составе смеси (смесь №3) новой органоминеральной добавки (кек) адгезия также снижается до вели чин 0,050 х105 Па, что на 42,5% меньше базовой смеси без добавок. Это объяс няется повышенными прочностными показателями смеси (сж=0,102 МПа, ког=15,86 10-3МПа), которые препятствуют прилипанию смеси к модели.

Наряду с этим смесь обладает высокой текучестью и газопроницаемостью, вли яющими на получение качественного отпечатка литейной формы и снижение образования в отливках дефектов газового происхождения.

Состав формовочной смеси влияет на величину предела адгезионной прочности и соответственно на прилипаемость смесей к оснастке. Наибольший эффект по снижению адгезионной прочности достигается при использовании формовочной смеси, включающей кубовые остатки от дистилляции жирных кислот, однако данная смесь не отличается высокими прочностными показате лями и газопроницаемостью. Формовочная смесь с органоминеральной добавкой кека придает смеси более высокие физико-механические и технологические свойства и снижает прилипаемость к модельно-технологической оснастке. Сни жение предела адгезионной прочности формовочная смесь – модельная оснастка достигает 42,5%, по сравнению со смесью без добавок.

Представленные на рисунке 10 данные показывают, что дополнительное нанесение на поверхность оснастки жидких разделительных покрытий снижает предел адгезионной прочности. Наиболее эффективно действие разделительных покрытий на смеси №1 без добавок при использовании покрытий «Формола», «состав №8» и а.с. №827421 на смеси №2 (таблица 4). Предел адгезионной проч ности при этом снижается на 12,8%, 18% и 18% соответственно. На смеси, включающей кек, снижение предела адгезионной прочности достигает 4%, 10% и 6% соответственно.

Введение в составы песчано-глинистых смесей органоминеральной до бавки кека не приводит к ухудшению атмосферы рабочей зоны литейного цеха и снижает склонность формовочных смесей к образованию пригара и появлению дефектов газового происхождения.

В шестой главе представлены результаты промышленных испытаний раз работанных рецептур формовочных смесей и разделительного покрытия, кото рые проходили на предприятиях ФГУП ПО «Баррикады» и ОАО «Волгоград Нефтемаш».

Для испытаний были взяты разделительное покрытие состав №8, включа ющее: отработанное трансформаторное масло 92 мас.%, комплексную анти фрикционную добавку 8,0 мас.% и покрытие, используемое на заводе, включа ющее: керосин 75 мас.%, серебристый графит 25 мас.%.

Разработанное разделительное покрытие наносится на поверхность моде ли пульверизацией до создания равномерного тонкого слоя на поверхности мо дели. Оценивались покрытия визуально по чистоте модельно-технологической оснастки после съема и по качеству полученного отпечатка.

Облицовочная смесь, разработанная в ВолгГТУ, обладает пределом прочности на сжатие сырых образцов от 64 до 100 КПа, газопроницаемостью 125…155 ед., текучестью по пробе Орлова 58…65 %, осыпаемостью 0,62…0,71% и меньшей прилипаемостью к горизонтальным поверхностям моде ли по сравнению с заводской смесью.

Результаты производственных испытаний показали, что предлагаемое разделительное покрытие и состав формовочной смеси, включающий ресурсо сбрегающую добавку, приводят к улучшению качества отпечатка литейной фор мы и получению качественного литья.

Общий предполагаемый экономический эффект от внедрения данных разработок составит 889 тыс. рублей в год (при проектной загрузке цеха 12 тыс.

тонн).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Разработана методика комплексной оценки прилипаемости, опреде ляющая физико-химическое взаимодействие (работу адгезии) компонентов сме си и предел адгезионной прочности контакта формовочной песчано-глинистой смеси к материалу модельно-технологической оснастки.

2. Установлено, что работы адгезии 5-ти и 10-ти % водноглинистых суспензий к стальной подложке (сталь 25Л ГОСТ 977-88) составляют 106,36…110,48 мДж/м2 и являются большими по величине в сравнении с анало гичными работами к алюминиевой (АЛ9 ГОСТ 1583-93) (91,32…96,28 мДж/м2) и медной (БрО5Ц5С5 ГОСТ 613-79) (86,15…92,81 мДж/м2) подложкам. Предел адгезионной прочности формовочной песчано-глинистой смеси к стальной мо дельной оснастке является максимальным и составляет (0,1075*105 Па 0,0673*105 Па).

3. Разработан состав разделительного покрытия, включающий отрабо танное трансформаторное масло с добавкой диалкилдитиофосфорной кислоты.

Этот состав обладает минимальным поверхностным натяжением 56,76 мДж/м2 и позволяет снизить работу адгезии глинистых суспензий к стальной оснастке до величины 87,84 мДж/м2 (на 7-14%) за счет гидрофобитизации поверхности и формирования тонкого равномерного слоя на модели. Покрытие снижает до 30% предел адгезионной прочности песчано-глинистой смеси к стальной оснастке, что достигается путем когезионного разрушения по его пленке и за счет мень шей работы адгезии жидких компонентов смеси к поверхности оснастки.

4. Изучен состав отхода производства – кек, который представляет со бой порошок серого цвета с размерами частиц 0,7 мкм, с содержанием 59- мас.% минеральной (алюмосиликатной) части и 37-41 мас.% органической фазы, имеющей большой выход углеродистого образования (0,168– г- атомов на 1 г.).

5. Минеральная часть кека за счет ионного обмена Al3+ и образования комплексов с ионами ОН- водного глинистого связующего приводит к дополни тельному связыванию воды и повышению прочности смеси. Наличие органиче ской фазы в составе кека обеспечивает повышение текучести формовочной сме си на 20…25%.

6. Разработана ресурсосберегающая технология изготовления песчано глинистой смеси с использованием в качестве добавки дисперсного отхода нефтеперерабатывающего завода - кека, снижающего предел адгезионной проч ности формовочной смеси с материалом модельно-технологической оснастки до величин 0,050х105 Па, что на 42,5% меньше базовой смеси без добавок.

7. Разработанные составы формовочной смеси и разделительного по крытия прошли промышленные испытания в цехах серийного производства ФГУП ПО «Баррикады» и ОАО «ВолгоградНефтемаш» и рекомендованы для внедрения. Ожидаемая экономическая эффективность от внедрения разработан ных технологий может составить 889 тыс. рублей в год (при проектной загрузке цеха 12 тыс. тонн).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих рабо тах:

Научные статьи в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ 1. Бутов Г.М., Климов Д.С., Кидалов Н.А., Осипова Н.А., Закутаев В.А. Новая область применения органоминерального отхода нефтехимии // Нефтепера ботка и Нефтехимия. - 2008. - № 11. - с. 43-46.

2. Закутаев В.А., Кидалов Н.А., Осипова Н.А. Взаимодействие формовочных смесей с модельно-технологической оснасткой // Литейщик России. - 2009. № 6. - с. 44-46.

3. Закутаев В.А., Кидалов Н.А., Осипова Н.А, Поташева Н. А., Князева А. С. Ис следование свойств песков Орловского месторождения и смесей на их основе // Литейщик России. 2010. - №4. – с. 39-42.

Научные статьи в материалах Международных, Всероссийских и межрегиональных конференций, форумов и межвузовских сборниках тру дов:

4. Закутаев В.А., Осипова Н.А. Исследование влияния состава формовочных песчано-глинистых смесей на прилипаемость к модельно-технологической оснастке и способы ее снижения // Материалы XI региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области. - Волгоград: ВолгГТУ, 2006. - с. 162-163.

5. Закутаев В.А., Кидалов Н.А., Осипова Н.А. Анализ адгезионного взаимодей ствия формовочных смесей с модельно-технологической оснасткой // Маши ностроение: Тезисы докладов VI Международной молодежной научно технической конференции. «Будущее технической науки». - Нижний Новгород: НГТУ, 2007. - с. 100-101.

6. Закутаев В.А., Кидалов Н.А., Осипова Н.А. Ресурсосберегающая добавка для песчано-глинистых смесей // Материалы XII региональной конференции мо лодых исследователей Волгоградской области. - Волгоград: ВолгГТУ, 2007. с. 147-148.

7. Закутаев В.А., Кидалов Н.А., Осипова Н.А. Исследование влияния органоми неральной добавки на текучесть и прилипаемость формовочных песчано глинистых смесей // Материалы XIII региональной конференции молодых ис следователей Волгоградской области. - Волгоград: ВолгГТУ, 2008. - с. 150 152.

8. Закутаев В.А., Кидалов Н.А., Осипова Н.А. Использование ресурсосберегаю щих материалов в составах песчано-глинистых смесей // Инновационные тех нологии в обучении и производстве: материалы V всероссийской конферен ции. – Камышин, 4-6 декабря 2008. В 3 т. Т. 2 / КТИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. – Камышин, 2008. - с. 34-36.

9. Закутаев В.А., Кидалов Н.А., Осипова Н.А., Алиев Д.О. Использование орга номинерального отхода в составах облицовочных песчано-глинистых смесей для чугунного литья // Приоритеты развития отечественного автотракторо строения и подготовки инженерных и научных кадров: матер. 65-й междуна родной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инже неров / МГТУ «МАМИ». – М., 2009. – Кн. 6. - с. 31-36.

10.Закутаев В.А., Кидалов Н.А., Осипова Н.А. Повышение предела прочности, текучести и снижение прилипаемости песчано-глинистых смесей с помощью органоминеральной добавки // Машиностроение: Тезисы докладов VI Меж дународной молодежной научно-технической конференции. «Будущее технической науки». - Нижний Новгород: НГТУ, 2009. - с. 118-119.

11.Закутаев В.А., Кидалов Н.А., Осипова Н.А. Исследование влияния прилипае мости песчано-глинистых смесей к поверхности модельной оснастки и испы тания разовых разделительных покрытий// Материалы XIV региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области. - Волгоград:

ВолгГТУ, 2009. - с. 130-132.

12.Закутаев В.А., Андрюшина В.В. Исследование адгезии песчано-глинистых смесей к стальной модельно-технологической оснастке и меры по ее сниже нию// Материалы XIV региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области. - Волгоград: ВолгГТУ, 2009. - с. 163-166.

13.Закутаев, В. А. Влияние органоминеральной добавки на противопригарные свойства формовочной смеси для чугунного литья / В. А. Закутаев, Н. А. Ки далов, В.Ю. Сухоносова, Г.М. Бутов // Технологии, кооперация, инвестиции:

Тезисы докладов 6-й Межрегиональной научно-практической конференции «Взаимодействие научно-исследовательских подразделений промышленных предприятий и вузов с целью повышения эффективности управления и про изводства». – г. Волжский, 18-19 мая 2010 г. / ВПИ (филиал) ВолгГТУ. – Вол гоград, 2010. – с. 167-169.

Патенты:

14.Облицовочная смесь для литейных форм: пат. № 2397839 Российская Федерация, МПК С1 В22С 1/02 / Н. А. Кидалов, Н. А. Осипова, В. А.

Закутаев;

заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет». - № 2009101697/02;

заявл.

20.01.2009, опубл. 27.08.2010, бюл. №24.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.