Разработка противопригарного покрытия для стального литья по газифицируемым моделям

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 74
Н. А. Кидалов, В. А. Закутаев, Н. В. Чурюмов
РАЗРАБОТКА ПРОТИВОПРИГАРНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ СТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Волгоградский государственный технический университет e-mail: mitlp@vstu. ru
В данной статье описываются разработанные составы водных противопригарных покрытий для стального литья по газифицируемым моделям на основе маршалита и цирконового концентрата. Исследованы физикомеханические и технологические свойства (динамическая вязкость, плотность покрытия, сила адгезии покрытия к поверхности пенополистирола, газопроницаемость) разработанных противопригарных покрытий.
Ключевые слова: литье по газифицируемым моделям, противопригарное покрытие, пенополистирол, пригар, поверхностные дефекты.
This article describes the developed formulations of water nonstick coatings for steel castings for gas models based on marshalite and zircon concentrate. The physic-mechanical and technological properties (dynamic viscosity, density of the coating, the strength of adhesion of the coating to the surface of polystyrene foam, gas permeability) developed nonstick coatings.
Keywords: lost foam casting, stick coating, styrofoam, burnt, surface defect.
Литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) как новый технологический процесс появилось в середине 50-х годов XXI в., с этого времени начал свое активное развитие [1]. Его главным назначением является получение отливок практически любой конфигурации при этом с низкой себестоимостью и энергозатратами, вследствие этого данный метод в настоящее время успешно применяется при модернизации и создании новых производств в литейной промышленности России.
В основном отливки по ЛГМ процессу получают по пенополистироловым моделям, которые, в свою очередь, формуют в опоках с песком, уплотняя вибрацией либо послойным уплотнением в единичном производстве. Известна формовка в наливные и песчаные смеси со связующим [1].
Однако при заливке формы жидким металлом на поверхности отливки часто образуется слойпригара, состоящий из: песка, расплавленных силикатов и продуктов взаимодействия со смесью. В соответствии с существующими понятиями о причинах его появления различают следующие виды пригара: механический, химический, термический, комплексный [2]. Для решения данной технологической проблемы в производстве используют противопригарные покрытия на спиртовой и водной основах.
Противопригарные покрытия на спиртовой
основе для литья по газифицируемым моделям, при использовании на производстве отличаются хорошими технологическими и физикомеханическими свойствами, однако возникают вопросы, связанные с техникой безопасности на рабочих местах.
Из анализа литературных данных следует, что в настоящее время находят применение противопригарные покрытия для моделей ЛГМ следующих марок: ППУ-1,АПВД-2,Polytop FS 1, Polytop FS 3, а также быстросохнущие краски на водной основе [2].
Быстросохнущие краски имеют в своем составе этиловый спирт и смолу СФЖ-309, которые отличаются повышенной газотворностью и неприятным запахом [2].
При разработке нового состава покрытий были поставлены следующие условия: невысокая динамическая вязкость покрытия, хорошая кроющая способность, высокая адгезия к пено-полистиролу, не растрескивание после высыхания, высокая газопроницаемость после прокаливания, доступность и дешевизна компонентов.
В ВолгГТУ были разработаны противопригарные покрытия на водной основе, включающие цирконовый концентрат или маршалит (пылевидный кварц), 10% водного раствора карбоксиметилцеллюлозы, жидкого стекла и воды. Их свойства приведены в табл. 1.
Свойства исследуемых покрытий и их компонентов
Таблица 1
Противопригарное покрытие на водной основе Огнеупорный наполнитель Насыпная плотность огнеупорного наполнителя, у1, кг/м3 Плотность покрытия, Y, кг/м3 Динамическая вязкость, мШ-с при 25 0С Сила адгезии покрытия к поверхности пенополистирола, А, мДЖ/м2 Огнеупорность наполнителя, 0С
1 Цирконовый концентрат 2240 1740 1665 129,64 1750−1800
2 Маршалит 970 1580 1606 114,77 1720
Реологические свойства противопригарного покрытия исследовали с применением ротационной вискозиметрии. Для определения динамической вязкости в работе использовали вискозиметр BrookfieldDV-II + Pro- программируемый цифровой вискозиметр с отображением текущего значения вязкости (сП или мПас, крутящего момента (%), скорости (об/мин), а также типа измерительной системы, плюс отображение температуры, скорости сдвига и усилия сдвига.
Поверхностные натяжения противопригарных поркытий замеряли по методу П. А. Реб-риндера с использованием принципа наибольшего давления пузырьков [3]. Расчет поверхностных натяжений растворов с различными концентрациями проводят по формуле:
h (1)
а = а
h0
дой поверхности (мДж/м2) — 0 — краевой угол смачивания твердого тела жидкостью- 0080 -смачиваемость- °2- поверхностное натяжение жидкой фазы на границе с газом.
где & lt-т0- поверхностное натяжение дистиллированной водыпри температуре 23 °C и нормальном атмосферном давлении, равном 768 мм. рт. столба, аВОДЫ = ст0= 72,28 мДж/м2- к0 — максимальная высота столба жидкости в манометрической трубке при работе с водой, мм- к — максимальная высота столба жидкости в манометрической трубке, мм, при работе с исследуемыми растворами.
Для расчета величины адгезии противопригарных покрытий к поверхности пенополисти-роловой модели были измерены краевые углы смачивания. Для этого использовался специальный проекционный прибор (в виде модифицированного биологического микроскопа МБС-9), с помощью которого капли антипригарного покрытия, нанесенные на поверхность пенополи-стирола, фотографировались при 70-кратном увеличении цифровым фотоаппаратом Сапоп PowerShotA620. Для получения тождественных результатов необходимо наносить 3 капли жидкости примерно одинаковых размеров (2−3 мм в диаметре) обычно одинаковой массы. При исследовании смачивания измерения следует проводить сразу и через 15… 30 с после нанесения жидкости на исследуемую подложку [4].
Результаты определения краевого угла смачивания противопригарных покрытий на основе маршалита и циркона приведены на рис. 1, а, б.
Величину адгезии жидкости к твердому телу рассчитывали по уравнению Дюпре-Юнга [5]:
Аадг =^21(1 + С^, (2)
где Аадг — работа сил адгезии жидкости к твер-
б
Рис. 1. Краевой угол смачивания противопригарным покрытием на основе маршалита (а) и цирконового концентрата (б) поверхности пенополистироловой модели
Песчано-жидкостекольные образцы с нанесенным на поверхность антипригарным покрытием подверглись термообработке в печи СНОЛ ПТ-200 при 200, 300, 400, 600, 700 и 800 °C. По шесть образцов для каждой температуры. На двух образцах была нанесена краска на основе маршалита, на следующих двух — на основе цирконового концентрата, а оставшиеся два -без покрытий. Эти образцы выдерживались в печи по 30 мин. После прокалки и остывания определялась газопроницаемость. У образцов прокаленных при 400 °C и более, было замечено повышение газопроницаемости на 20−40 ед., в отличие от образцов с нанесенным покрытием без прокалки.
После прокалки образцов была замерена их газопроницаемость. Определение газопроницаемости производят путем пропускания воздуха при комнатной температуре через образец, изготовленный из исследуемой смеси. Так как в процессе исследования использовали сухие образцы, то для определения газопроницаемости использовали специальную гильзу с резиновой манжетой, которая позволяет закрепить исследуемый образец.
Для определения газопроницаемости покрытия использовали формулу
Кп = К2 — Кі,
(3)
где К — газопроницаемость сухого стандартного цилиндрического образца из песчано-жидкостекольной смеси (песок — 92%, жидкое стекло — 6%, глина бентонитовая — 2%), ед.- К2 -газопроницаемость сухого стандартного цилиндрического образца из песчано-жидкостеколь-
а
ной смеси с нанесенным покрытием, ед. прокаленным при температуре 400 °С- Кп — газопроницаемость противопригарного покрытия.
Для определения газопроницаемости К1, К2 пользовались формулой [6]:
К = Ш^рт, (4)
где V — объем воздуха, прошедшего через образец- к — высота образца- ^ - площадь поперечного сечения образца- р — давление- т — время, в течение которого через образец прошло 2000 см³ воздуха.
Газопроницаемость смеси определяют на приборе модели 042 М [6]. Данные определения газопроницаемости представлены в табл. 2.
После ряда испытаний были сделаны образцы из пенополистирола, прямоугольной фор-
мы размером 4535×35 мм. На два образца методом окунания наносилось противопригарное покрытие, огнеупорный наполнитель которого цирконовый концентрат. На другие два образца противопригарное покрытие не наносилось. Один из образцов с противопригарным покрытием формовался в песчано-глинистую смесь (ПГС), другой — в песок. Аналогично формовались образцы без нанесенного противопригарного покрытия.
Сталь 25Л ГОСТ 977–88 плавилась при температуре 1570 °C с помощью индукционной печи ЬНМ-15. Заливка производилась из поворотной печи непосредственно в подготовленную форму. После охлаждения и выбивки отливок визуально оценивалась их поверхность. Отливки, полученные без нанесенного покрытия, обладали слоем трудно удаляемого пригара (рис. 2- 4). Для оценки силы сцепления при-гарного слоя с поверхностью материала отливки, полученных по пенополистироловым моделям при формовке в песок и песчано-глинистую смесь, использовали методику оценки, разработанную в ВолгГТУ. Данная методика позволяет количественно оценить удельную работу по отделению пригарного слоя от поверхности экспериментальной отливки [7].
Таблица 2
Газопроницаемость покрытий
Противопригарное покрытие на водной основе Огнеупорный наполнитель Толщина покрытия, мм Газопроницаемость, К ед.
1 Цирконовый концентрат 0,55 7,1
2 Маршалит 0,5 7,5
а б
Рис. 2. Образец, полученный с использованием формовки в ПГС без противопригарного покрытия до (а)
и после (б) очистки стальной дробью
Рис. 3. Образец, полученный с использованием песчаной формы без противопригарного покрытия до (а)
и после (б) очистки стальной дробью
Определив площади в программе и зная массу дроби и параметры установки, были рассчитаны величины удельных работ по отделению пригара по следующей формуле:
А =
mgh
(5)
Отливка 1: Апгс — 32 694 Дж/м2-отливка 2:
А-пеыж = 14 635,
Полученные образцы с противопригарным покрытием представлены на рис. 4.
Рис. 4. Результаты заливки образцов с нанесенным противопригарным покрытием на основе цирконового концентрата:
1 — образец с нанесенным противопригарным покрытием, зафор-мованный в песок- 2 — образец с нанесенным противопригарным покрытием заформованный в ПГС
Удаление пригара у этих отливок не вызвало практически никаких усилий (рис. 5).
Рис. 5. Результат заливки образца с нанесенным противопригарным покрытием на основе цирконового концентрата (а) и маршалита (б)
Проведенные исследования противопригарных покрытий на водной основе с использованием изучаемых огнеупорных покрытий показали: противопригарное покрытие на основе цирконового концентрата обладает следующими свойствами: краевой угол смачивания — 42°, динамическая вязкость — 1665 мПас, сила адгезии покрытия к поверхности пенопо-листирола — 129,64 мДж/м2, противопригарное покрытие на основе маршалита обладает следующими свойствами: краевой угол смачивания — 50°, динамическая вязкость — 1606 мПа-с, сила адгезии покрытия к поверхности пенопо-листирола — 114,77 мДж/м2. Данные свидетельствуют о хорошей кроющей способности и сцеплении слоя покрытия с поверхностью модели. Исследуемые покрытия после нанесения на поверхность модели не растрескиваются и формируют однородную тонкую пленку. При использовании покрытия на основе маршалита и цирконового концентрата происходит удаление пригара путем отслоения при-гарной корки от отливки при выбивке из формы без применения дополнительных усилий. Разработанные водные покрытия на основе цирконового концентрата и маршалита по своим свойствам могут быть рекомендованы для получения стальных отливок при литье по газифицируемым моделям.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Производство отливок по газифицируемым моделям / под ред. В. С. Шуляка. — М.: МГИУ, 2001. — 330 с.
2. Давыдов, Н. И. Литейные противопригарные покрытия: справочник / Н. И. Давыдов. — М.: Машиностроение, 2009. — 240 с.
3. Малышева, Ж. Н. Теоретическое и практическое руководство по дисциплине «Поверхностные явления и дисперсные системы»: учеб. пособие / Ж. Н. Малышева, И. А. Новаков / ВолГТУ. — Волгоград, 2007. — 344 с.
4. Закутаев, В. А. Взаимодействие формовочных смесей с модельно-технологической оснасткой / В. А. Закутаев, Н. А. Кидалов, Н. А. Осипова // Литейщик России. -2009. — № 6. — С. 44−46.
5. Зимон, А. Д. Коллоидная химия / А. Д. Зимон. — М.: АГАР, 2003. — 320 с.
6. Трухов, А. П. Технология литейного производства: Литье в песчанные формы: учеб. для студ. высш. учеб. заведений / А. П. Трухов [и др. ]- под ред. А. П. Трухова. -М.: Издательский центр «Академия», 2005. — 528 с.
7. Установка для исследования пригара на Бе-С сплавах / А. А. Рулев, Н. Б. Зубкова, Н. А. Кидалов, Н. А. Осипова // Литейное производство. — 2000. — № 4. — С. 29−30.
2
а
б

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой