Лютий Ростислав Володимирович. Формувальні суміші і процеси виготовлення точних виливків за моделями, що витоплюються

brief description

Лютий Ростислав Володимирович. Формувальні суміші і процеси виготовлення точних виливків за моделями, що витоплюються : Дис... канд. техн. наук: 05.16.04 / Національний технічний ун-т України "Київський політехнічний ін-т". — К., 2005. — 233арк. : рис., табл. — Бібліогр.: арк. 182-190

Лютий Р.В. Формувальні суміші і процеси виготовлення точних виливків за моделями, що витоплюються. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04. Ливарне виробництво. Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2006 р.
Об’єктом дослідженняєпроцес розроблення нових сумішей для виготовлення точних литих заготовок із сплавів на основі чорних та кольорових металів методом лиття за моделями, що витоплюються.
Метою роботи є зниження браку виливків, які виготовляють методом ЛВМ. Мета досягається через забезпечення стабільного рівня властивостей ливарних форм, усунення дефіцитних, пожежонебезпечних та дорогих матеріалів (етилсилікату, органічних розчинників, кристобаліту) і таких, що схильні до поліморфних перетворень (кварц), розроблення наукових основ тверднення нових зв’язувальних систем для точного лиття та керування їх високотемпературними властивостями і оптимізацію складу сумішей, режимів виготовлення та заливання ливарних форм.
В дисертації розроблена методика наближеного розрахунку часу кристалізації виливків у керамічних формах.
На підставі цієї теоретичної бази створені методики контролю властивостей керамічних форм і розрахований їх необхідний рівень.
Грунтовно досліджені високотемпературні процеси в композиціях низькомодульного рідкого скла з алюмосилікатними та кремнеземистими наповнювачами, розроблені високотермостійкі суміші.
Розкрито фізико-хімічні процеси утворення алюмофосфатних зв’язок і розроблено холоднотверднучі алюмофосфатні керамічні суміші з гідроксидом алюмінію і ортофосфорною кислотою.
Визначені фазові перетворення вогнетривких матеріалів, на підставі яких розроблено комбінований наповнювач для сумішей з високоміцним гіпсом, що забезпечує мінімальний рівень лінійних деформацій при прожарюванні.

1. Вперше виведені теоретичні залежності теплової взаємодії металу з керамічною формою і тривалості кристалізації виливків.
2.Теоретично розраховано розподіл температурних полів у керамічних формах з опорним наповнювачем та без нього. На основі аналізу теплової і механічної взаємодії форми з металом встановлено, що необхідний рівень міцності керамічних форм на вигин складає 1,1...1,5 МПа і повинен досягатися при температурах до 990оС. Розроблено відповідну оригінальну методику контролю міцності керамічних зразків при високих температурах.
3.Досліджено наповнювач алюмосилікатного класу пірофіліт. Внаслідок низького коефіцієнту термічного розширення (до 6,1*10-6К-1) і відсутності поліморфних перетворень зі змінами об’єму, пірофіліт надає керамічним формам високу міцність і точність розмірів, що забезпечує виготовлення виливків без дефектів з вини форми. Входячи як наповнювач до складу сумішей з низькомодульним рідким склом, пірофіліт вступає з ним у фізико-хімічну взаємодію і модифікує зв’язувальну композицію.
4.Вивчені процеси взаємодії низькомодульного рідкого скла із кремнеземистими та алюмосилікатними матеріалами. Встановлено, що взаємодія каолінової глини з рідким склом відбувається при нормальній температурі і призводить тільки до покращення вибиваємості або (для керамічних форм) зниження міцності після прожарювання. Взаємодія пірофіліту з низькомодульним рідким склом відбувається саме під час прожарювання керамічних форм, що зумовлюється відмінностями кристалічної будови пірофіліту і каоліну. В результаті замість розплаву лужносилікатної евтектики у кераміці утворюються більш тугоплавкі сполуки, які підвищують робочі температури вище 900оС і забезпечують міцність на вигин кераміки на рівні 1,3...1,6 МПа.
5.Досліджені хімічні принципи утворення фосфатних зв’язувальних систем кислотно-кислотного і амфотерно-кислотного типу. Установлено, що холодне тверднення алюмосилікатних композицій можливе при використанні матеріалів, які містять частки чистого алюмінію або його гідроксиди.
6.Тверднення алюмофосфатних сумішей з рідкої композиції гідроксидів та ортофосфорної кислоти призводить до утворення метафосфатів алюмінію, які піддаються поліморфним перетворенням з повним видаленням фосфорного ангідриду під час нагрівання до 1000оС. Прожарювання до цих температур видаляє увесь фосфор з керамічної форми, що знижує її міцність (з 4,0...6,0 МПа при нормальній температурі до 0,7 МПа при 900...990оС), але усуває можливість дифузії фосфору в поверхню виливка. Тверднення алюмофосфатних сумішей з попередньо приготовленої сухої композиції гідроксидів з ортофосфорною кислотою та наповнювачем призводить до утворення одно- та двозаміщених ортофосфатів алюмінію, які під час прожарювання керамічних форм переходять у тризаміщені, що існують без змін і без виділення фосфорного ангідриду до 1400...1600оС. Додавання каолінової глини до керамічних форм з гідроксидом алюмінію підвищує їх термостійкість та міцність (до 3,0...4,5 МПа при 900...990оС) внаслідок додаткового утворення алюмофосфатів.
7. Вивчені високотемпературні перетворення у матеріалах, на підставі чого визначено оптимальні комбінації наповнювачів для гіпсо-кремнеземистих сумішей. Перетворення кварц при 573оС, яке відбувається із збільшенням об’єму, компенсується перетворенням Са(ОН)2СаО при 530оС із зменшенням об’єму. Взаємно-компенсаційні об’ємні перетворення суміші під час нагрівання підвищують точність форм і виливків. Гідроксид кальцію підвищує загальну та поверхневу міцність сумішей, що зумовлено його спорідненістю за мінералогічним складом до високоміцного гіпсу.
8.Вперше запропонований диференційний термогравіметричний аналіз для встановлення режимів прожарювання гіпсо-кремнеземистих сумішей. Внаслідок цього тривалість циклу прожарювання форм знижено у 1,5 рази.
9. Проведена багатокритеріальна оптимізація рецептур сумішей для виробництва точних виливків дозволяє рекомендувати:
- для виготовлення виливків із сплавів на основі чорних металів у багатошарових керамічних формах суміші із низькомодульним рідким склом; алюмофосфатні суміші з ортофосфорною кислотою (5...10%), гідроксидом алюмінію (15...20%) і каоліновою глиною (10...15%). Наповнювач пірофіліт;
- для виготовлення виливків із сплавів на основі кольорових та благородних металів у гіпсових формах-монолітах гіпсо-кремнеземисті суміші з комбінованим наповнювачем „пірофіліт (35...45%) гідроксид кальцію (10...15%) кварцовий пісок (45...50%)”.
Очікуваний економічний ефект від використання нових рецептур сумішей: для процесу лиття сталевих виливків в керамічні форми 1600...2700 грн на 1 т продукції; для процесу лиття виливків із сплавів благородних металів у гіпсо-кремнеземисті форми 50...60 грн на 1 кг виробів.
Проведені виробничі випробування всіх розроблених сумішей. Керамічні форми з НРС та ортофосфорною кислотою заливали сталями 35ХГСЛ та 35Л. Шорсткість поверхонь виливків 3,2...6,3 мкм, геометрична точність задовільна.
Форми із гіпсо-кремнеземистих сумішей заливали сплавами БрО5Ц5С5 і СрМ875, шорсткість поверхонь не більше 3,2 мкм.
Технологія виготовлення форм не потребує заміни існуючого устатковання та коригування параметрів технологічного циклу.