Керамические формы на кремнезольном связующем для литья по выплавляемым моделям тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Мартынов, Константин Викторович

• Мартынов, Константин Викторович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мартынов, Константин Викторович

1. Введение.

2. Состояние вопроса.

2.1. История процесса.

2.2. Технология формирования керамических оболочек и

V основные исходные материалы.

2.2.1. Огнеупорные наполнители.

2.2.2. Связующие.

2.2.3. Добавки и растворители.

2.2.4. Технология формирования керамических оболочек.

2.3. Исследования формообразования в литье по выплавляемым моделям.

2.3.1. Особенности формирования структуры керамической формы.

2.3.2. Исследования в области совершенствования технологии формирования оболочек и поиск новых формовочных материалов.

2.4. Цели и задачи исследования.

3. Методика проведения исследований.

3.1. Выбор материалов для изготовления керамических форм. щ 3.2. Определение физических параметров огнеупорной суспензии

3.3. Исследование процесса формирования структуры керамической формы в холодном и нагретом состоянии.

3.4. Определение прочности керамической формы на изгиб.

3.5. Определение шероховатости отливок.

3.6. Расчет массопереноса в керамической форме.

4. Результаты исследований. fr 4.1. Определение физических параметров огнеупорной суспензии

4.2. Исследование процесса формирования структуры керамической формы в холодном и нагретом состоянии.

4.3.0пределеиие прочности керамической формы на изгиб.

4.4. Определение шероховатости отливок.

4.5. Теоретические и экспериментальные исследования массопереноса в формируемом слое керамической формы.

5. Анализ результатов исследований.

6. Промышленное опробование и внедрение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Керамические формы на кремнезольном связующем для литья по выплавляемым моделям»

Общая тенденция развития литейного производства идет в направлении увеличения объемов литья, изготовляемых специальными способами, которые обеспечивают более качественные и точные отливки. Одним из этих способов является метод литья по выплавляемым моделям.

Современная социальная обстановка в России сформировала значительный сектор литейного производства, поставляющего заготовки для художественных изделий. Оформление жилых и административных помещений, реставрация памятников культуры требует возрастающего объема точнолитых заготовок из медных сплавов.

От качества керамической формы в J1BM в значительной степени зависит качество изготовляемых отливок, в частности, их геометрическая и размерная точность, а также шероховатость их поверхности. Технологические и физико-механические свойства самой формы во многом определяются свойствами связующего и технологией его приготовления.

Одними из самых широко распространенных связующих в нашей стране являются этилсиликаты. Но ЭТС - это один из самых дорогих материалов, из применяемых в J1BM. Его использование для приготовления керамических форм требует применения органических растворителей и аммиака, что создает взрыво- и пожароопасную обстановку и вредные условия на производстве.

Решение задач по снижению себестоимости отливок и улучшению экологических условий производства требует поиска новых связующих материалов, не уступающих по своим свойствам ЭТС, а также разработки технологий получения из них керамических форм.

За рубежом уже отказались от органо-минеральных связующих и перешли на кремнезольные, которые выпускаются там под различными марками: Ludex, Siton, Клебозол, Сизоль и др. Использование кремнезольного связующего Сиалит-20, выпускаемого отечественной промышленностью, позволяет во многом решать поставленные задачи. Связующее Сиалит-20 в настоящее время в промышленном масштабе выпускает ЗАО "Силикат" в г. Елабуга. До сих пор Сиалит-20 не нашел широкого применения для изготовления керамических форм в J1BM.

Сиалит-20 является экологически чистым материалом, технология его использования в J1BM не требует применения вредных веществ. Суспензии на основе

Сиалит-20 обладают высокой живучестью, их можно хранить без потери свойств в течение шести и более месяцев. Стоимость Сиалит-20 в 3 раза ниже стоимости ЭТС. Таким образом, разработка технологии на основе Сиалит-20 является актуальной задачей.

Целью работы явилась разработка технологии изготовления керамических форм на основе Сиалит-20. Для этого необходимо было исследовать структуру и свойства керамических форм на основе Сиалит-20 и сравнить их с формами на основе ЭТС на различных стадиях технологического процесса их изготовления. На защиту выносятся следующие положения:

1. Прочность форм на кремнезольном связующем Сиалит-20 в 1,5 - 2 раза превосходит аналогичные показатели форм на органо-минеральном связующем. Остальные технологические показатели сопоставимы.

2. Свойства керамической формы (прочность, качество отпечатка, взаимодействие с обсыпочными материалами, формирование контактной поверхности) обусловлены явлением массопереноса в капиллярно-пористой среде.

3. Капиллярно-пористая среда - это самоструктурирующийся объект. Время самоструктурирования составляет менее 5 с.

4. Массоперенос в капиллярно-пористой среде сопровождается возникновением динамических структур, время существования которых не более 120 с.

5. Число участников формирования капиллярно-пористой среды составляет 106 я "у

10 на 1 м керамической формы, что позволяет говорить о хаотическом распределении частиц маршалита в связующем.

6. Взаимодействие суспензии с обсыпочным материалом определяется процессом массопереноса в капиллярно-пористой среде и скоростью диффузии растворителя в окружающую среду.

Научная новизна выносимых на защиту результатов работы заключается в следующем:

1. Процесс формирования слоя керамической формы начинается с мгновенного образования капиллярно-пористой среды. Ее эволюция определяет прочность керамической формы, качество ее контактной поверхности и характер взаимодействия суспензии с обсыпкой.

2. В процессе формирования слоя керамической формы установлено явление интенсивного движения суспензии, определяющее создание глобулярных пространственных структур.

3. Разработана модель массопереноса жидкой фазы при формировании структуры керамической формы на основании уравнения материального баланса.

Разработанная технология позволила реализовать процесс получения керамических форм на связующем Сиалит-20 для изготовления отливок из сплавов на медной основе применительно к реставрации или изготовлению новых художественных изделий. Результаты работы внедрены на фирмах ООО "Рестамп" и ООО "Русский Модерн". Полученные отливки не уступают по чистоте поверхности и размерной точности отливкам, изготовленным с использованием этилсиликатных оболочек. Годовой объем выпуска отливок только для фирм ООО "Рестамп" и ООО "Русский Модерн" составил свыше 1500 кг. Экономический эффект за счет сокращения расхода связующих материалов превысил 45000 рублей.

Работа выполнена на кафедре "Машины и технология литейного производства" Санкт-Петербургского Института Машиностроения под руководством профессора д.т.н. Бречко А.А. и научного консультанта доцента к.т.н. Емельянова В.О.

2. Состояние вопроса

2.1. История процесса

Метод литья художественных изделий был развит уже в период рабовладельческого общества. Особенно широкое распространение он получил в Античной Греции, Византии, Италии. С IX - X веков литье, в том числе художественных изделий, начинает бурно развиваться в Древней Руси.

Христианская Русь, богатая своими великолепными и многочисленными храмами, в области литья колоколов значительно опередила все другие страны. Колокола отливались со сложным декором: изображениями святых, портретами царей, старославянскими текстами Священного Писания. Метод художественного литья широко применялся для изготовления украшения храмов, например: огромных паникадил со сложным кружевным узором, бронзовых арок и т. д. Согласно принятой технологии основное изделие отливали в песчаную форму, а аппликации и декор лепили из пчелиного воска и вытапливали в процессе сушки форм.

Пушки, отлитые московскими мастерами, имели богатый декор и являлись художественными произведениями. Наиболее известны работы А. Чохова (знаменитая Царь-пушка, отлитая в 1586 г.), М. Осипова, Я. Дубинина, Е. Данилова, Ф. Терентьева, И. и М. Маториных (Царь-колокол весом более 200 т, отлитый в 1735 г.), А. Григорьева (непревзойденный по красоте звучания звенигородский Царь-колокол) и др.

С конца 17 века, в период царствование Петра I уделявшего много внимания украшению Петербурга и пригородных дворцов, происходит мощный подъем производства русского художественного литья. Возникает большой спрос на его самые разнообразные предметы: монументальные статуи и бюсты, барельефы, люстры, украшения для мебели и каминов, дверные ручки, вазы, часы, статуэтки и т.д.

С 1781 года созданная при Академии художеств Литейная мастерская начинает выполнять заказы в виде копий античных скульптур и по проектам таких выдающихся скульпторов, как Ф. Г. Гордеев, И. П. Прокофьев, Ф. И. Шубин, М. И. Козловский, П. П. Соколов и др.

Важным достижением в развитии художественного литья в России является колоссальная статуя - памятник Петру I работы Э. М. Фальконе (1782 г.). Скульптор работал над памятником в течение 12 лет.

Высокое мастерство русских литейщиков проявилось при создании различных скульптур Петродворца. Вместо свинцовых были выполнены новые бронзовые скульптуры: "Самсон, раздирающий пасть льва" М.И. Козловского, "Волхов" И. П. Прокофьева, "Сирены", "Персей", "Нева" Ф. И. Шубина.

Широко известен в истории русского художественного литья Б. И. Орловский. В 1828 - 1836 гг. им изготовлены памятники М. И. Кутузову и М. Б. Барклаю-де-Толли, установленные возле Казанского собора Санкт-Петербурга.

Выдающийся скульптор И. П. Мартос в 1804 - 1818 гг. изготовил памятник Минину и Пожарскому в Москве.

В это же время широкое развитие получило камерное литье из бронзы и драгоценных металлов. Для изготовления этих изделий используют технологию литья по выжигаемым (выплавляемым) моделям из воска.

Особой любовью петербуржцев пользуются бронзовые группы "Укротители коней" на Аничковом мосту замечательного скульптора П. К. Клодта (1850 г.).

В 1862 году скульптором Микешиным М. О. был создан символический памятник-колокол "Тысячелетие России" в Новгороде, отражающий главнейшие события и дела первого тысячелетия Русского государства. Более ста государственных деятелей, полководцев, писателей, художников, отлитых в бронзе, олицетворяют силу, героизм и духовное величие русского народа.

В 40-х годах 19 века всемирное признание получили художественные отливки Каслинского чугунолитейного завода. Каслинское художественное литье отличается четкостью силуэта, тщательной отделкой деталей, исключительной выразительностью ажурных композиций и огромным разнообразием выпускаемых изделий. Это -кабинетная скульптура, тонкие горильефы, филигранный сквозной орнамент, архитектурные детали, чеканные барельефы и др. "Ажурным чудом" называли газеты Каслинский павильон на Всемирной выставке в Париже в 1900 году.

Художественное литье явилось базовой основой, на которой в 20 веке начала развиваться технология изготовления отливок по выплавляемым моделям [11,72].

В 1924 году на государственном меднообрабатывающем заводе "Красный выборжец" был создан "Художественный монументальный бронзолитейный отдел", который в 1939 году стал заводом "Монументскульптура".

Известными русскими скульпторами в советский период являются Е. В. Вучетич (памятник-ансамбль советским воинам в Трептов-парке в Берлине, памятник-ансамбль Героям Сталинградской битвы на Мамаевом кургане в Волгограде), Мухина В. И. (скульптурная группа "Рабочий и колхозница" в Москве), Аникушин М. К. (мемориал "Героическим защитникам Ленинграда" в Санкт-Петербурге) и др.

Бурное развитие химии привело к появлению органо-минеральных композиций, в частности этилсиликатов, которые способны после гидролиза переходить в твердое состояние. На основе этих материалов произошел скачок в развитии технологии литья по выплавляемым моделям, прежде всего для промышленных, а далее и художественных изделий.

Метод литья по выплавляемым моделям в настоящее время получил широкое применение в машиностроении и приборостроении. Преимуществом этого метода является возможность получить отливки, максимально приближенные по форме и размерам к готовой детали, в ряде случаях - без дополнительной обработки. Другим преимуществом метода JIBM является его высокая экономичность, т.к. его применение снижает трудоемкость и стоимость изготовления изделий, сокращает расход металла и инструмента, потребность в станочном оборудовании и производственных площадях, уменьшает энергоемкость и потребность в станочниках высокой квалификации [123].

Метод J1BM позволяет проектировать сложные тонкостенные детали (с толщиной стенки 1мм и менее), создавать конструкции повышенной сложности, невыполнимые другими методами обработки, объединять отдельные детали в цельнолитые комплексы.

Применение для изготовления керамических форм высокоогнеупорных и термостойких материалов, пригодных для нагрева до температуры, превышающей температуру плавления литейного сплава, и быстрого охлаждения без деформации и разрушения, позволяет высокоэффективно использовать методы направленной кристаллизации, получать высокогерметичные отливки и монокристаллические изделия.

Промышленное освоение и применение метода J1BM началось в 1940-1942 гг. в связи с необходимостью получения из труднообрабатываемых сплавов на кобальтовой и никелевой основе лопаток авиационных газотурбинных двигателей.

В 70-е годы в Советском Союзе были созданы крупно механизированные и комплексно автоматизированные литейные цеха для серийного и массового выпуска отливок с годовым объемом до 10 тысяч т.

Широкое и многообразное применение метода J1BM определяется гибкостью технологии и многочисленностью ее вариантов. Каждый из этих вариантов наиболее эффективен в определенных условиях производства, его масштабах и требованиях к качеству и свойствам отливок.

В связи с развитием туризма в России, а также выходом на мировую международную арену, началось восстановление и реконструкция памятников старины, храмов, музеев. Для решения этой задачи потребовалось изготовление утраченных художественных изделий и, соответственно, резко возрос спрос на художественное литьё.

Сейчас в Санкт-Петербурге имеется много производственных предприятий и фирм, занимающихся изготовлением отливок для художественных изделий на основе метода JIBM. Крупнейшие из них - ОАО "Русские самоцветы", ООО "Рестамп", ООО "Русский Модерн".

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Мартынов, Константин Викторович

7. Общие выводы

1. Разработана и реализована технология изготовления керамических форм при JTBM на кремнезольном связующем, включающая технологию приготовления суспензии, способ ее нанесения, сушки, удаления модельного состава и прокалки, обеспечивающая получение керамических форм с повышенной прочностью (20 МПа) и заданной газопроницаемостью.

2. Исследован механизм структурообразования керамической формы, выявлено наличие глобулярных сетчатых структур и динамика их формирования. Установлена связь между структурообразованием формы и ее механической прочностью и газопроницаемостью.

3. Установлено, что процесс формирования слоя керамической формы начинается с образования пылевидной фракцией капиллярно-пористой структуры в течение 0,5 . 5 с после нанесения суспензии. Эволюция капиллярно-пористой структуры определяет прочность керамической формы, качество ее контактной поверхности и характер взаимодействия суспензии с обсыпкой.

4. Предложена модель массопереноса жидкой фазы при формировании структуры керамической формы на основании уравнения материального баланса.

5. Выполнен сравнительный анализ физико-механических и технологических свойств суспензий и керамических форм на основе ЭТС-40 и Сиалит-20. Показано, что прочность керамических форм на кремнезольном связующем в 1,5-2 раза выше, чем на этилсиликатном. Керамические формы, выполненные из Сиалит-20 и плавленого кварца, имеют прочность на изгиб 28 МПа, что в 3 - 4 раза выше, чем при использовании ЭТС-40.

6. Расчет процесса массопереноса в форме и экспериментальное определение коэффициента проницаемости показало, что капиллярно-пористая структура формы, образовавшаяся в течение первых 5 с после нанесения суспензии, не меняется вплоть до прокалки при температуре 500 °С.

7. Теоретически и экспериментально установлено, что структура контактной поверхности керамической формы и глубина проникновения обсыпки определяются процессом массопереноса в капиллярно-пористой среде огнеупорной суспензии формируемого слоя, в течение первых 100 с после нанесения суспензии.

8. Установлено, что суспензия на кремнезольном связующем необратимо твердеет и сохраняет свою структуру без разрушения при контакте с водой. Способ удаления модельного состава (в воде или горячим воздухом) не влияет на прочность керамической формы.

9. Качество контактной поверхности керамических форм на Сиалит-20 уступает по этому показателю формам на ЭТС-40 и зависит от ориентации по отношению к силе тяжести. Установлено, что введение в суспензию на Сиалит-20 добавок КМЦ или огнеупорной глины позволяет получать из форм на ее основе отливки с шероховатостью менее 20 Rz.

10. Установлено, что комбинированные керамические формы с первым слоем из ЭТС-40 и остальными — из Сиалит-20 по прочности в 1,5 раза превосходят этилсиликатные формы.

11. Разработанная технология реализована на производстве отливок для художественных изделий ООО "Рестамп", ООО "Русский Модерн", ЧП "Биана" и других. Применение кремнезольного связующего Сиалит-20 позволило обеспечить экономию свыше 5 тыс. рублей на 100 кг литья.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мартынов, Константин Викторович, 2005 год

1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир., 1979.

2. Аксенов П.Н. Технология литейного производства. М.: Машгиз, 1957.

3. Антипенко В.Ф., Конотопов B.C., Цыбрий В.В., Ясинский В.В. Материалы для литья по выплавляемым моделям на предприятиях Украины. Литейное производство. 1995. - № 7-8 - с. 30.

4. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы. Справочник. М.: Машиностроение, 1990.

5. Арсентьев В.В., Кирпиченков В.Я., Князев С.Ю. Курс физики т. 1, 2 С-Пб: Лань, 2001.

6. Астахов А.Н., Арсеньев В.В., Курочкина Н.Д. Улучшение свойств огнеупорной суспензии для керамической формы. Литейное производство. 1997. - № 4 - с. 36-37.

7. Барабаш В.А., Лакеев А.С. Термостойкие материалы для ускоренной высокотемпературной обработки форм при литье по выплавляемым моделям. -В кн.: Совершенствование процессов точного литья и их интенсификация. Кишинев: НТО Машпром, 1984, с. 55-58.

8. Берг П.П. Качество литейной формы. М.: Машиностроение, 1971.

9. Берг П.П. Формовочные материалы. М.: Машиностроение, 1963.

10. Береснев В.В., Никифоров С. А., Клименченко B.C., Ашмарина Е.М. Повышение термостойкости комбинированных оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям на Челябинском тракторном заводе. Литейное производство. 2001. - № 5 - с. 27-29.

11. Бех Н.И., Васильев В.А., Гини Э.Ч., Петриченко A.M. Мир художественного литья. История технологии. М.: Металлург, 1997.

12. Богуславский А.Ш. Классификация связующих материалов и формовочных масс. Литейное производство. 1978. - № 8 - с. 16-17.

13. Бречко А.А., Великанов Т.Ф., Примак И.Н. Формирование структурно-механических свойств смесей. Литейное производство. -1981. № 6 - с. 14-15.

14. Бречко А.А., Великанов Г.Ф. Формовочные и стержневые смеси с заданными свойствами. Л.: Машиностроение., 1982

15. Быховский А.И. Растекание. Киев: Наукова думка, 1983.16.19.20,21,22,23,24,25,2627,28