Анализ методов улучшения жидкостекольных смесей
Содержание
cтр.
Введение
4
1. Улучшение выбиваемости жидкостекольных смесей
8
1.1. Состояние вопроса
9
1.2. Определение выбиваемости
12
1.3. Изменение работы выбивки смеси в зависимости от температу-
ры нагрева
14
1.4. Влияние неорганических добавок:
23
1.4.1. Глины
24
1.4.2. Шамота
25
1.4.3. Боксита
26
1.4.4. Мела
28
1.4.5. Окиси магния
28
1.4.6. Доменного шлака
30
1.4.7. Фосфорита
31
1.5.Влияние органических добавок
31
1.6.Влияние «хрупкой» усадки
33
1.7.Влияние ускоренного охлаждения
34
1.8.Влияние количества жидкого стекла
35
1.9.Влияние модуля жидкого стекла
36
2. Улучшение выбиваемости жидкостекольных НСС
37
2.1.Изменение прочности жидкостекольных наливных самотвердею- щих смесей (НСС) в зависимости от температуры нагрева
38
2.2.Влияние усадки отливки на выбиваемость жидкостекольных НСС
41
2.3.Влияние неорганических добавок на выбиваемость
жидкостекольных НСС
41
2.4.Влияние органических добавок на выбиваемость
жидкостекольных НСС
43
3. Выбиваемость ЖСС с жидкими отвердителями
50
3. 1.Выбиваемость ЖСС с ацетатом этиленгликоля
51
3. 2.Выбиваемость ЖСС с жидким кремнийорганическим
отвердителем
55
Выводы
59
Список использованной литературы
61
1.Введение
Жидкостекольные смеси начали применять в литейных цехах с 50-х годов и за короткий период времени они получили широкое распространение в нашей стране и за рубежом, чему способствовала универсальность смесей, т. е. применимость одних и тех же составов для изготовления форм и стержней, использование их при производстве отливок из стали, чугуна и цветных сплавов. Универсальность смесей выразилась также в их применимости при единичном, мелкосерийном, серийном и массовом производствах отливок.
Вначале жидкостекольные смеси упрочнялись кратковременной тепловой сушкой или за счет продувки СО . Эти смеси имели повышенное содержание жидкого стекла (ЖС), вследствие чего выбиваемость форм и стержней по сравнению с выбиваемостью песчано-глинистых и других смесей резко ухудшилась, что послужило одной из причин вытеснения с 70-х годов жидкостекольных смесей смесями с синтетическими смолами. Такая замена при отсутствии автоматизированных технологических циклов привела к ухудшению санитарно-гигиенических условий труда в литейных цехах и нерациональному использованию материальных ресурсов — смол, необходимых в других отраслях народного хозяйства.
Работами, выполненными в нашей стране и за рубежом, показана возможность повышения связующей способности ЖС и на этой основе разработаны новые виды смесей с пониженным содержанием его. Отличительной особенностью жидкостекольных смесей нового поколения является низкое содержание связующего, что в значительной мере устраняет недостаток традиционных смесей—затрудненную выбиваемость из отливок и облегчает их регенерацию. Продолжающиеся исследования в этом направлении подчеркивают актуальность проблемы и неисчерпаемые возможности дальнейшего повышения технологических свойств жидкостекольных смесей.
Из жидкостекольных смесей, упрочняющихся в оснастке, наибольший интерес представляют смеси, отверждаемые с помощью СО, что обусловлено их высокой живучестью и скоростью упрочнения, нетоксичностью, простотой приготовления и применения смеси, универсальностью. Однако существенное улучшение выбиваемости жидкоподвижных и пластичных жидкостекольных холоднотвердеющих смесей, разработанных в нашей стране в середине 60-х годов, способствовало сокращению области применения смесей, отверждаемых с помощью СО.
Исследования, проведенные в последние годы, свидетельствуют о возможности снижения расхода ЖС в смесях, отверждаемых СО, за счет ввода добавок в ЖС или в автоклавы при варке силкат-глыбы, т. е. путем модифицирования связующего. Эффективными модификаторами ЖС являются основные фосфатные соли натрия, например, триполифосфат натрия, полифосфаты натрия, триэтилфосфат и др.
Модифицирование ЖС с помощью фосфатов позволяет уменьшить содержание его в смеси при одновременном увеличении прочности, уменьшении осыпаемости и снижении работы выбивки смеси. Последнее объясняется возгонкой оксидов фосфора в диапазоне температур 400...780 °С, нарушающей сплошность силикатных пленок и образованием тугоплавких силикофосфатов, предотвращающих спекание смеси. Полифосфаты натрия являются универсальными модификаторами ЖС и их влияние на исходную и остаточную прочность жидкостекольных смесей, отверждаемых СО и феррохромовым шлаком, аналогично.
Эффективными модификаторами ЖС являются поверхностно-активные вещества (ПАВ), способствующие повышению когезионной прочности связующего, равномерному распределению на зернах наполнителя и более полному его отверждению. Применение ЖС, модифицированного ПАВ, позволяет уменьшить расход связующего в смеси и в 1,5— 2 раза улучшить выбиваемость смеси из отливок. В качестве ПАВ используют полиакриламид, ДС-РАС, стеарат кальция, технический диспергатор НФ и др. Ввод в связующее диспергирующей добавки существенно изменяет пористую структуру геля за счет образования на глобулах защитного адсорбционного слоя, способствующего уменьшению внутренних напряжений, в пленках связующего, и, следовательно, повышению прочности смеси. Благодаря этому содержание ЖС может быть снижено до 2...3 масс. ч, при прочности смеси. >1. MПa.
Эффективными способами повышения связущей способности ЖС являются, также обработка его в процессе модифицирования с помощью переменного электрического поля, приготовление ЖС «мокрым» способом с использованием. алюминиевой стружки, предварительная обработка ЖС СО, добавка к ЖС гексамстилентетрамина и др.
В качестве добавок, улучшающих выбиваемость жидкостекольных смесей, предложена большая группа веществ, содержащих алюмосиликаты (отработанный катализатор ИМ-2201).
Приведенные сведения о путях повышения технологических свойств жидкостекольных смесей, отверждаемых СО, показывают перспективность расширения объемов их применения.
Улучшение выбиваемости жидкостекольных смесей достигнуто с помощью отверждаемых порошкообразных веществ (феррохромового шлака, нефелинового шлама и др.). Так, Челябинский политехнический институт рекомендует вводить в ЖС вещества с ненасыщенными связями, например сульфит натрия, Киевский политехнический институт — диспергированные фенолоформальдегидные смолы новолачного типа. Такие смеси относятся к легковыбиваемым и хорошо зарекомендовали себя при производстве отливок из алюминиевых, медных и черных сплавов.
Большой опыт работы за рубежом и меньший в нашей стране накоплен по пластичным жидкостекольным смесям, отверждаемым сложными эфирами. В качестве эфиров предпочтение отдается ацетатам этиленгликоля, поскольку их производство базируется на доступном сырье, невысокой стоимости, и смеси легко регенерируются. Ряд предприятий опробовали эфиры производства Польши и Болгарии и подтвердили целесообразность применения сложноэфирных отвердителей из класса ацетатов этиленгликоля.
ВНИИлитмашем осуществлен перевод жидкостекольных смесей с эфиром в жидкоподвижное состояние за счет совместного ввода ДС-РАС и синтамида-5. Применение комплексного пенообразователя для смесей с жидким отвердителем, а также для смесей с феррохромовым шлаком повышает текучесть, живучесть и прочность смеси, поэтому содержание ЖС уменьшается до 5 масс. ч.
Заслуживают внимания работы НПО «ЦНИИТмаш» по применению жидких кремнийорганических полимеров и органических мономеров, позволяющих сократить расход ЖС до 1...3 масс. ч.
Целью данной работы является анализ литературных источников и выявление методов улучшения выбиваемости жидкостекольных смесей из отливок.
1.Улучшение выбиваемости жидкостекольных смесей
1.1.Состояние вопроса
Выбивка из отливок стержней, изготовленных из смесей с жидким стеклом, вызывает большие затруднения.
В специальной литературе и в практике литейного производства часто встречаются противоречивые мнения.
На одних заводах стержни легко выбиваются из отливок, на других трудоемкость выбивки стержней после перехода из смеси с жидким стеклом возрастает; на третьих выбивка оказалась столь затрудненной, что создались серьезные осложнения в использовании современных механизированных средств удаления стержней — в первую очередь гидравлической выбивки. В целях преодоления возникших затруднений в нашей стране и за рубежом было проведено множество работ по улучшению выбивки стержней.
Была проверена эффективность огромного количества разнообразных добавок органического и неорганического происхождения[10].
В нашей стране было проверено влияние на условия выбивки стержней: древесного и каменного угля, кокса, черного и серебристого графитов, древесного пека, битума, нефтяных масел, патоки, декстрина, сульфитно-спиртовой барды, пульвербакелита, МСБ, древесной муки и опилок, глины, цемента, мела, извести, шамота, магнезита, фосфорита и других.
Те же, а также и другие добавки (например, сахар, нафталин, железная окалина, патентованные добавки и пр.) проверялись в зарубежных работах.
В большинстве случаев рекомендации сводились к введению в смеси небольшого количества органических добавок.
В одних случаях введение этих добавок действительно было эффективным, а в других оказывалось бесполезным.
Отсюда различными специалистами одни и те же добавки оцениваются иногда диаметрально противоположно. Как это показано ниже, причина столь разноречивых суждений заключается в различных условиях работы стержней в форме. Уже простой перечень применявшихся добавок, совершенно различных по своей природе и свойствам, показывает, что упомянутые выше работы проводились главным образом эмпирически.
Некоторые исследователи исходили из представлений о необходимости вызвать разрушение прочной пленки жидкого стекла, цементирующей отдельные зерна кварцевого песка, при помощи разнообразных добавок главным образом органического происхождения.
Эти опыты не дали решения проблемы, что, конечно, не исключило возможности в отдельных случаях улучшения выбиваемости стержней из отливок. Позднее, когда исследователи и производственники убедились, что достигнуть положительных результатов по облегчению выбиваемости можно, лишь внеся ясность в сложные процессы, которые протекают в смесях с жидким стеклом при их заливке металлом, начали появляться систематические исследования по этому вопросу.
Многие специалисты оценивали выбиваемость смеси по пределу прочности при сжатии образцов, подвергнутых нагреву до высоких температур, а затем охлажденных. В подавляющем большинстве работ нет объяснений увеличению прочности образцов при их предварительном нагреве до одной температуры и уменьшению прочности при нагреве до другой.
В тех случаях, когда объяснения даются, они носят противоречивый характер, так как связываются с различными температурами и не подтверждаются экспериментальными данными.
Л. Петржела отмечает, что смеси, продутые CO, легче выбиваются из отливок, чем смеси, подвергнутые тепловому высушиванию, вследствие меньшего содержания жидкого стекла и «в связи с уменьшением прочности гидрогеля под действием температуры».
В докладе на 24-м конгрессе литейщиков Л. Петржела привел другие соображения, указав, что решающее значение имеет химическая реакция между продуктами разложения щелочного силиката, т. е. реакция между гидратированной кремневой кислотой и карбонатом натрия, или дальнейшая реакция образовавшегося силиката с кристаллическим кварцем:
SiOpНО + NаСО == Na SiO + СO+ рНО.
В работе отмечается, что трудность выбивки определяется содержанием щелочей. Чем меньше Nа0, тем легче выбивка. Минимальную прочность имеют образцы, предварительно нагретые до 600—700° C, а максимальную при 100—200º C и 800—900° С.
Л. Петржела считает, что образование стекловидной пленки является главной причиной спекания стержней и форм и ухудшения выбиваемости. Прочность стекловидной пленки можно уменьшить добавлением горючих порошкообразных веществ, например каменноугольной пыли, древесных опилок, молотого кокса, графита и т. п. Добавление таких органических веществ как сахара, канифоли, смол и т. п. не приносит никакой пользы.
Условиям выбиваемости стержней из отливок посвящены работы: Аттертона, Нилда и Эпштейна, Тэйлора, Бэмера, Шумахера, Герстманна, Ле Серва и Сегро и других.
Во многих английских, американских и немецких работах рекомендуется введение сахара, который растворяется в жидком стекле, не вызывая его коагуляции.
Указывается, что он нейтрализует щелочность силиката и тем самым обеспечивает смесям с жидким стеклом такую же выбиваемость, как песчано-масляных смесей.
Исследования других авторов приводят к противоположным выводам, в которых отмечается, что добавка сахара еще более затрудняет выбивку.
Петржела, изучив жидкое стекло с патентованными добавками, сообщил, что оно содержит чаще всего растворенные углеводы (сахар) или синтетические смолы, которые снижают прочность после продувки CO, что вызывает необходимость увеличения в смеси жидкого стекла и тем самым ухудшает выбиваемость стержней из отливок. Он пришел к выводу, что так называемые специальные связующие вещества заграничного происхождения не имеют каких-либо преимуществ перед стандартными жидкими стеклами, и их рекомендации преследуют прежде всего коммерческие цели.
Старр, рекомендуя введение в смеси сахара, в то же время пессимистически оценивает перспективы улучшения выбиваемости смесей с жидким стеклом, так как, по его мнению, создаются именно те условия, которые явились неразрешимой проблемой использования щелочных силикатов в литейном производстве.
Систематические исследования общих закономерностей условий выбиваемости смесей с жидким стеклом были проведены в нашей стране в лаборатории Старо-Краматорского машиностроительного завода, а за рубежом во французском техническом центре литейной индустрии.
В результате исследований, проведенных на СКМЗ Г. А. Равичем и О. М. Алешечкиной, было установлено, что образцы из смесей кварцевого песка с жидким стеклом имеют два максимума прочности при предварительном нагреве до 200 и до 1000° С и два минимума — в интервале 500—800° C и выше 1250° С.
Главная заслуга Г. А. Равича и О. М. Алешечкиной заключается в том, что они на основании тщательно проведенной экспериментальной работы опровергли существовавшее мнение и доказали, что выгорающие органические добавки не дают эффекта при нагреве стержней до высоких температур и что их введение может быть полезным лишь при нагреве стержней до температур, не превышающих 600—700° С.
Декро и Гогюллон на основании определения прочности образцов на сжатие после их предварительного нагрева отмечают два максимума — при 500° C и при 900—1000° С. Соответственно минимальные прочности найдены ими при 700° C и выше 1000° С.
Декро и Гогюллон пытаются объяснить обнаруженные ими и другими исследователями максимумы и минимумы, соответственно затрудняющие или облегчающие выбивку стержней из отливок. Первый максимум прочности после нагрева до 500° C они объясняют высыханием жидкого стекла и началом его спекания. Минимум прочности при 700° C Декро и Гогюллон сначала пытались объяснить быстрым расширением кварца в этом интервале температур (переход α-кварца в β-кварц при 575° С), могущим вызвать образование трещин между зернами. Однако замена цирконовым песком, не имеющим модификационных изменений в этом интервале температур, дала тот же характер кривой. Также были отвергнуты гипотезы, объясняющие падение прочности при 700° C выделением CO из силиката и дегидратацией силикагеля. Поэтому Декро и Гогюллон остановились на предположении, что падение прочности при 700° C связано с превращениями бисиликата натрия, кристаллическая форма которого изменяется при 678 и 707° C; при нагреве до этих температур, по их мнению, образуется неоднородная структура, лишенная связующей способности.
Второй максимум при 900—1000° C вызывается тем, что некарбонизированный крепитель становится жидким, начиная с 800° C, и взаимодействует с поверхностью зерен кварца.
