Вторым источником прочности является NaО, образующийся в результате разложения силиката углекислым газом. Освобождающийся NaО взаимодействует с кремневой кислотой и образует силикат.
Понижение прочности образцов при температурах выше 1000° C Декро и Гогюллон объясняют переходом NaО из расплава силиката в зерна кварца, что способствует более быстрому превращению кварца в кристобалит, но вызывает в то же время постепенное исчезновение связующего вещества между зернами.
Это явление сопровождается у смесей кварцевого песка с жидким стеклом, нагретых до 1300° C, ясно выраженным прекращением спекания, которое может вновь начаться в смесях, нагретых до более высоких температур (свыше 1500° С).
По-видимому, эти соображения кажутся Декро и Гогюллону недостаточно убедительными, так как они приходят к выводу, что минимум прочности после предварительного нагрева образцов до 1000° C трудно объясним.
Вышеприведенное показывает противоречия в экспериментальных данных и мнениях различных авторов. Это свидетельствует о том, что в настоящее время еще недостаточно изучены общие закономерности физико-химических процессов, протекающих при нагреве и последующем охлаждении смесей с жидким стеклом. В частности, не предложены гарантийные меры, обеспечивающие легкую выбивку стержней из отливок.
1.2. Определение выбиваемости
Противоречия в экспериментальных данных, полученных различными исследователями, объясняются прежде всего несоблюдением постоянства условий экспериментов и несовершенством применявшихся методов.
Надо признать, что объективную оценку выбиваемости стержней из отливок дать очень трудно, так как смеси при их разрушении подвергаются различным видам нагрузок. Пленки связующего материала испытывают при этом одновременное действие скалывающих, изгибающих и растягивающих усилий. Если с этой позиции рассмотреть наиболее распространенные методы выбивки стержней, то общим для них является ударное воздействие на стержень.
Многие исследователи определяли выбиваемость смесей по прочности стандартных образцов на сжатие, что не может характеризовать способность к разрушению под действием ударной нагрузки, хотя определенная зависимость между прочностью на сжатие и выбиваемостью, по-видимому, существует.
С другой стороны, использование для определения выбиваемости стержней встряхивающих выбивных решеток, вибрационных машин, пневматических зубил и других аналогичных приспособлений неизбежно вносит существенный элемент субъективности, так как трудно определить момент конца выбивки: образование пригарной корки различной толщины значительно затрудняет оценку собственно выбиваемости смесей.
Наконец, эти методы применяют обычно при изготовлении какой-либо одной, специально выбранной опытной отливки.
Поэтому полученные результаты могут быть использованы лишь как сравнительные применительно к данным или подобным отливкам и не могут быть перенесены без существенных поправок на другие отливки. Очевидно, разнообразие конфигураций, веса, типа сплава отливок и, соответственно, условий прогрева стержней настолько велико, что практически невозможно найти такую форму и размеры опытной отливки, чтобы полученные закономерности могли быть перенесены на большую номенклатуру литья.
Поэтому, прежде всего, было обращено внимание на выбор методики исследований, лишенной упомянутых основных недостатков. В основу методики[11,13] была положена оценка смесей по наиболее близкому к производственным условиям показателю — работе, затрачиваемой на выбивку («пробивку») образцов, предварительно нагретых до различных, заданных условиями опыта, температур.
Для этого применялся копер, снабженный специальными приспособлениями (рис. 1).
Рис. 1. Приспособления для оценки выбиваемости смесей:
а — исследуемый образец; б — металлическая гильза; в — поддон;
г — боек.
На нижнем конце вертикального штока копра укреплялся боек диаметром 20 мм. При изготовлении бойка его острие делалось тупым, чтобы при длительном использовании сохранить стабильными размеры бойка. Для того чтобы обеспечить возможность выхода разрушенной смеси из-под бойка, последний имел три продольных паза шириной 5 мм, расположенных по окружности под углом 120°. Приспособление для определения работы выбиваемости имело комплект съемных грузов и кулачков, обеспечивающих возможность изменения высоты падения грузов. Таким образом, изменением веса падающего груза и высоты падения последнего достаточно быстро и точно определяли работу, затрачиваемую на выбивку как очень слабых, так и прочных стержневых смесей.
Образцы высотой 30 мм и диаметром 50 мм, уплотненные тремя ударами на обычном копре, высушивались при 200° C в течение 20 мин или продувались углекислым газом в течение 45 сек. Затем они подвергались нагреву до различных заданных температур от 200 до 1400° C с интервалом 100—200° C, выдерживались при этой температуре в течение 40 мин и медленно охлаждались в печи со скоростью 200—300°/ч.
Полученные образцы а (рис. 1) плотно, без зазора, вставлялись в металлическую гильзу б, которая, в свою очередь, устанавливалась на поддон в. В дне поддона имелось отверстие диаметром 22 мм для свободного выхода бойка г, пробивающего образец а,
Работа, затраченная на выбивку («пробивку» образца), находилась из следующей зависимости:
A = nGh
где A — работа, затраченная на пробивку опытного образца, в кГм;
n — число ударов бойка, необходимых для пробивки образца;
G — вес падающего груза в кг;
h — высота падения груза в м.
1.3.Изменение работы выбивки смеси в зависимости от температуры нагрева
По описанной методике образцы смесей при их нагреве и охлаждении не испытывают сжимающих усилий, возникающих в стержнях при усадке отливок.
Поэтому в работе параллельно с испытанием образцов, подвергавшихся нагреву в печах, определяли выбиваемости смесей на опытных отливках плиты длиной 650 мм, шириной 200 мм и высотой 50 мм, в которую одновременно устанавливали четыре стержня из испытуемой смеси. В результате контрольных опытов были выбраны диаметры стержней с таким расчетом, чтобы отношение толщины стенки отливки к радиусу стержня составляло 0,5; 1,0; 2,0 и 4.0.
Опытные отливки весом 150 кг заливались при температуре 1550— 1580° C сталью 30Л. Температура нагрева стержней при разных соотношениях толщин стенок отливок к радиусам стерней приведена на рис. 2. Работа, затрачиваемая на выбивку стержней из отливок, определялась после полного их остывания с помощью переносного копра, аналогичного описанному выше.
Так как пленки склеивающие зерна наполнителя в случае продувания смесей углекислым газом и в случае удаления влаги при нагреве отличаются, то
поэтому при изучении общих закономерностей условий выбивки стержней опыты проводились с образцами, продутыми углекислым газом в течение 45 сек, и с образцами, высушенными при 200º C в течение 20 мин. Смесь содержала кварцевый песок Люберецкого месторождения (1К025А)—100 весовых частей; жидкое стекло (модуль 2,7, удельный вес 1,48 г/см3)— 5 весовых частей; NaOH (10 %-ный раствор)—1 весовая часть.
Была установлена непосредственная зависимость работы A, затрачиваемой на выбивку образцов, от температуры их предварительного нагрева (рис. 3).
Как видно из этой зависимости, кривая, характеризующая работу выбивки A, имеет два максимума и два минимума.
Первый максимум соответствует исходному состоянию образцов, нагретых до 200º C и охлажденных, а также продутых CO. При последующем нагреве и охлаждении образцов работа, затрачиваемая на их выбивку, непрерывно падает, достигая минимальных значений («первый минимум») в интервале 400—600° С.
Нагрев до более высоких температур вызывает новый значительный рост работы, затрачиваемой на выбивку, которая достигает максимальных значений при 800° C («второй максимум»).
Из приведенных на рис. 3 зависимостей видно также, что работа, затрачиваемая на выбивку образцов, продутых CO, при всех температурах их предварительного нагрева оказалась ниже работы, затраченной на выбивку высушенных образцов.
Однако, если при первом максимуме работы разница весьма существенна, то при втором максимуме эта разница значительно уменьшается, а при обоих минимумах величина A практически одинакова. Это свидетельствует о том, что при нагреве до высоких температур и охлаждении опытных образцов в смеси происходят одинаковые или подобные процессы. На этом явлении подробно остановимся.
Наличие минимума работы, затрачиваемой на выбивку образцов, предварительно нагретых до температур, лежащих в интервале 400—600° C, приводит к мысли о возможности создания в стержнях условий, при которых связь между отдельными зернами наполнителя нарушалась бы после заполнения литейной формы жидким металлом и образования на отливке твердой корки и не восстанавливалась бы в процессе последующего охлаждения стержней. Для достижения этой цели могут быть использованы два пути.
Первый заключается в регулировании степени прогрева стержней с использованием для этого различных теплопроводных и теплоизоляционных смесей; второй — в значительном расширении благоприятного для выбивки интервала температур.
На практике приходится сталкиваться с очень большим диапазоном температур прогрева стержней — от минимальной в центре до максимальной (близкой к температуре заливаемого металла) — на поверхности. Однако для успешной выбивки стержня часто оказывается достаточно иметь легкую выбиваемость его основного объема, тогда наружная часть, соприкасающаяся с отливкой, довольно легко может быть удалена. Об этом свидетельствует, например, опыт применения оболочковых стержней из смеси с жидким стеклом, как правило не вызывающих затруднений при выбивке из отливок.
Была проверена возможность регулирования степени прогрева стержней с помощью материалов с различными теплофизическими свойствами. Однако введение в смеси с жидким стеклом 20% чугунной стружки , 10% окалины, применение в качестве наполнителя хромомагнезита и других высокотеплопроводных материалов, введение в смеси
Рис.4. Влияние толщины стенки отливки на условия нагрева стержней из смесей с жидким стеклом:
1— хромомагнезитовой; 2 — кварцевого песка и 10% асбеста;
3 — кварцевого песка и 20% чугунной стружки.
материалов (асбеста), тормозящих отвод тепла, не позволило существенно изменить температуру в центре стержней (рис. 4).
Для решения второй задачи необходимо было установить причины, определяющие зависимость работы, затрачиваемой на выбивку стержней, от температуры их предварительного нагрева.
Существенное различие работы, затраченной на выбивку высушенных образцов (рис. 3) в области первого максимума (исходное состояние), объясняется различием природы пленок, связывающих зерна кварцевого песка. Небольшое увеличение прочности образцов, продутых углекислым газом и нагретых до 200° C, закономерно и объясняется краткой продолжительностью (45 сек) продувки образцов углекислым газом.
При последующем нагреве образцов до температур 400–600° C наблюдается значительное уменьшение работы, затрачиваемой на выбивку образцов.
Важно отметить, что величина работы в этом интервале температур является минимальной и практически одинаковой как для образцов, предварительно высушенных, так и для образцов продутых CO. Пленка жидкого стекла обладает чрезвычайно высокой адгезией к кварцевым зернам. Это особенно сильно проявляется в условиях высоких температур, когда происходит химическое взаимодействие между щелочным силикатом натрия и поверхностью кварцевых зерен.
Учитывая когезионный тип разрушения смесей с жидким стеклом, изменение прочностных свойств смесей в условиях их нагрева и последующего охлаждения можно объяснить изменениями, происходящими в пленке жидкого стекла.
Вследствие различных температурных коэффициентов объемного и линейного расширения стекловидного силиката натрия и кварцевого песка при повторном нагреве и охлаждении высушенных образцов в пленке, склеившей зерна наполнителя, возникают напряжения, приводящие к образованию трещин, нарушающих её сплошность и снижающих прочность образцов на удар.
При нагреве образцов до 600° C и последующем охлаждении к напряжениям, возникающим вследствие различия температурных коэффициентов расширения пленки и зерна, добавляются напряжения, возникающие в результате модификации изменений кварца (переход α-кварца в β-кварц при 575° С).
Снижение величины A и образование первого минимума объясняется также полной потерей влаги гелем кремневой кислоты и дисиликатом натрия в интервале температур примерно до 350–400° С.
Эти данные подтверждаются термограммами высушенных при: 200° C и продутых углекислым газом смесей, содержащих 6% жидкого стекла.
Здесь, однако, имеется в виду влияние не собственно потери влаги, а воздействия этого процесса на возникновение в пленке, связывающей зерна кварца, напряжении, приводящих к образованию в ней трещин, резко снижающих общую прочность смеси.
Наконец, следует учесть, что напряжения в пленках будут тем выше, чем больше будет перепад между температурой нагрева и температурой последующего охлаждения. Влияние этих факторов на условия выбивки стержней и подтверждение превалирующего значения напряжений, возникающих в пленках и приводящих к падению величины A, находим экспериментально. Полученные данные (рис. 5) ясно показывают, что при повторном нагреве и охлаждении прочность образцов резко падает.
Очевидно, что стекловидная пленка, содержащая в основном гидратированный дисиликат натрия, будет значительно более хрупкой, чем пленка, состоящая в основном из геля кремневой кислоты. Последняя, особенно в начальных условиях, будет обладать эластичностью и способностью частично релаксировать возникающие напряжения. Поэтому прочность предварительно высушенных образцов при повторном нагреве и охлаждении падает гораздо более резко, чем у образцов, предварительно продутых углекислым газом.
Таким образом, в случае высушенных и в случае продутых CO образцов при их нагреве до 400–600° C и последующем охлаждении в результате возникающих напряжений, приводящих к образованию в пленках трещин, работа, затрачиваемая на выбивку, оказывается минимальной.
Переходя к рассмотрению одного из главных вопросов – причин образования второго максимума, прежде всего следует отметить чрезвычайно быстрое увеличение работы, затрачиваемой на выбивку образцов, предварительно нагретых до 800° С. Столь резкое возрастание прочности при нагреве образцов до 800° С свидетельствует о том, что примерно при этой температуре происходит коренное изменение условий склеивания кварцевых зёрен наполнителя.
Причина образования второго максимума становится очевидной из рассмотрения двойной диаграммы состояния NaO – SiO (рис.6)
При нагреве жидкого стекла, обычно применяемых модулей, жидкая фаза начинает появляться при температуре 795° C, а при нагреве до 850° C (для модуля, равного 2,5) образуется полностью жидкий расплав.
Образовавшаяся жидкая фаза силикатного расплава обволакивает зерна кварцевого песка, «залечивает» появившиеся ранее трещины и при последующем охлаждении сообщает смеси высокую прочность, что приводит к значительному увеличению работы, затрачиваемой на выбивку смесей. Этот процесс происходит как в высушенных, так и продутых CO образцах. Однако, если в высушенных смесях происходит простое расплавление уже ранее образовавшегося силиката натрия, то в смесях продутых CO образуется расплав из самостоятельно существующих компонентов — главным образом NaHCO и SiO, получившихся в результате разложения жидкого стекла при продувании смеси углекислым газом. Это, по-видимому, является причиной меньшей величины второго максимума в образцах, продутых CO, так как условия образования расплава из отдельных составляющих в тонкой пленке связующего не могут считаться благоприятными. Подтверждением такого предположения являются опыты (рис. 7), проведенные при заливке стержней сталью 30Л. Они подтвердили общую
Рис. 6. Диаграмма состояния системы NaO – SiO.
закономерность — ярко выраженный максимум работы, затраченной на выбивку стержней, прогретых до температуры примерно 800°С.
|
Рис. 7.Работа, затраченная на выбивку из отливок стержней: 1—высушенных при 200° C; 2 — продутых CO. |
Вследствие значительного воздействия на стержень тепла залитого металла, малой теплопроводности смеси и очень медленного охлаждения стержней процессы образования жидкой фазы в пленках связующего материала в данном случае протекают более полно, чем при испытаниях образцов. Поэтому в смесях, продутых CO, при этом полностью осуществляется процесс образования жидкой фазы, вследствие чего наблюдается почти одинаковый ход кривых, характеризующих работу, затраченную на выбивку стержней, высушенных и продутых CO.
Таким образом, при нагреве смесей до 800°C образуется жидкий расплав, который энергично взаимодействует с кварцевым песком, растворяя последний, в результате чего четко выраженная граница раздела пленки и зерна стирается и образуется сплошной монолит, обладающий большой прочностью. В этих условиях появляется «второй максимум», резко затрудняющий выбивку стержней из отливок.
Рассмотрим причины снижения величины A при нагреве смесей до более высоких температур и условия образования «второго минимума».
При нагреве смесей до температур, превышающих 800° C, взаимодействие силикатного расплава с кремнеземом песка усиливается. Как известно, скорость диффузии возрастает по мере повышения температуры и уменьшения вязкости среды. Поэтому при высоких температурах диффузия SiO от поверхности растворения в расплав значительно возрастает и в целом процесс растворения кремнезема в силикатном расплаве ускоряется. В результате растворения содержание SiO в расплаве непрерывно увеличивается вплоть до предела растворимости при данной температуре согласно диаграмме состояния NaO–SiO. После достижения предела растворимости этот процесс прекращается.
При охлаждении образца из образовавшегося расплава начинают выпадать избыточные кристаллы сначала тридимита, а при температурах ниже 870° C — кварца. Выпавшие твердые кристаллы в затвердевшем расплаве играют роль инородных включений — надрезов, нарушающих сплошность пленок и концентрирующих напряжения, возникающие при охлаждении образца до комнатной температуры.
Наконец, следует учесть, что чем энергичнее идет процесс растворения SiO в расплаве, тем меньше становится относительное содержание в нем NaO.
