Теория и практика формирования пористых структур в литье по выплавляемым моделям

Установлено, что пористые ВМ, полученные холодным прессованием модельного материала, отличаются от традиционных отсутствием внешних усадочных дефектов, меньшими радиусами скруглений внешних и внутренних углов, образованных взаимно-перпендикулярными поверхностями модели. Радиус скругления взаимно-перпендикулярных поверхностей пористых ВМ 0,8 мм, что на 0,6 мм меньше, чем у традиционных ВМ.

Экспериментально установлено, что размерно-геометрическая точность пористых ВМ с 30-40 % водорастворимых компонентов соответствует 6-8-му квалитету, что выше, чем у традиционных ВМ, точность которых соответствовала 10-12-ому квалитету. Сравнительным анализом определено, что отливки, полученные по экспериментальным пористым ВМ, соответствуют 6-8-ому квалитету, что на 2 - 4 квалитета выше, чем у традиционных отливок.

Исследование технологии изготовления КОФ с промежуточным пористым слоем показало их высокую стойкость к растрескиванию на всех этапах технологической обработки.

Анализ макроструктуры КОФ в местах излома выявил, что после прокаливания в опорном наполнителе, как традиционных КОФ, так и КОФ с экспериментальным зумпфом, происходит отслаивание внутреннего слоя керамики; после прокаливания и заливки пористых КОФ без опорного наполнителя такой эффект не наблюдается, образующиеся трещины локализуются в порах промежуточного слоя, что предотвращает разрушение КОФ.

Исследования показали, что стойкость КОФ при заливке металлом с экспериментальным зумпфом без опорного наполнителя составляет 32-40 % и, в отличие от традиционных КОФ, оболочки не разрушаются при попадании первой порции металла, а заливаются до верхнего яруса отливок и после образования трещины в нижней части зумпфа металл выходит из формы.

Исследованиями установлено, что КОФ с пористостью промежуточного слоя 32-37 % обладают высокой трещиностойкостью при заливке без опорного наполнителя. Стойкость форм при заливке металлом составила 88-94 %. При этом были случаи прорыва металлом зумпфа КОФ.

Установлено, что наибольшей (94-100 %) стойкостью к заливке металлом без опорного наполнителя обладают шестислойные керамические оболочки с пористым 3-м слоем и зумпфом в виде половины тора.

Технология изготовления пористых КОФ внедрена на ППО МЗ им. С.И. Кадышева (г. Павлово-на-Оке) и заводе «Аскольд» (г. Арсеньев) с реальным экономическим эффектом.

Общие выводы

1. Разработанная технология изготовления пористых ВМ холодным прессованием модельного материала из воскообразного состава ПС 50/50 с 20-40 % водорастворимых компонентов (хлорид натрия, карбонат натрия, нитрат аммония и т.д.) позволяет предотвратить брак при изготовлении, повысить их размерно-геометрическую точность и точность отливок на 2-4 квалитета.

2. Установлено, что физико-механические свойства пористых ВМ обусловливаются давлением прессования, содержанием, а также фракцией воскообразных компонентов и водорастворимой добавки. Оптимальными свойствами обладают пористые ВМ с 30-40 % водорастворимого порошка фракции 0,4-0,63 мм с материалом связки фракции 0,63-1,0 мм, полученные прессованием при давлении 0,8-1,6 МПа. Физико-механические свойства пористых ВМ при соблюдении установленных рекомендаций принимают значения: твердость - 55-96 ед; прочность: на сжатие - 1,4-2,8 МПа; на разрыв - 0,3-0,42 МПа; на изгиб - 5-5,75 МПа.

3. Введением пористого МП в этилсиликатную суспензию, обсыпкой МП и ОП формируемых огнеупорных слоев, продувкой этилсиликатных суспензий воздухом разработаны приемы образования и управления пористостью структуры КОФ в диапазонах, соответственно: 22-33; 22-65; 22-66; 20-27%.

4. Выявлен характер возникновения деформаций в последовательно формируемых слоях КОФ. Определено, что в момент нанесения 2-го слоя КОФ, в 1-м - резко снижаются деформации (на 75-78 %) с последующим их восстановлением и даже превышением при высыхании слоев. При нанесении 3-го слоя КОФ происходит резкое снижение деформаций: в 1-м слое на 51-53%, во 2-м - на 62-64%. Такой циклический характер уменьшения и нарастания деформаций огнеупорных слоев при изготовлении КОФ провоцирует появление трещин или приводит к разрушению формы.

5. Исследованиями определен характер появления деформаций в структуре изготавливаемых КОФ с промежуточными (2-ми) пористыми слоями. Циклический характер изменения деформаций в структурах при сушке пористых КОФ снижается на 9-13 % (по максимальному значению) при использовании пористого МП фракции 0,63 мм в обсыпке промежуточного слоя. Увеличение фракции МП приводит к увеличению деформаций растяжения.

6. Использованием пористых ВМ достигается снижение максимальных деформаций в КОФ на 10-14 % при их послойном изготовлении. Наиболее плавное изменение деформаций характерно для пористых КОФ при их изготовлении обсыпкой огнеупорных слоев МП, максимальные значения которых уменьшаются на 14-17 %. Пористые ВМ и пористый МП пропитываются жидкой составляющей этилсиликатных суспензий при нанесении огнеупорных слоев КОФ, что обеспечивает снижение деформаций в формируемых слоях.

7. Экспериментально определено, что на стадии выплавления ВМ при погружении КОФ в горячую воду деформации, образованные при сушке в структуре КОФ, снижаются на 30-34 %. Дальнейшее резкое увеличение деформаций в КОФ происходит из-за температурного расширения ВМ и ее воздействия на оболочку, разрушению КОФ.

8. Изготовлением пористой КОФ обсыпкой промежуточного слоя МП фракции 0,63 мм достигнуто снижение деформаций на 12-15 % от силового воздействия модельного материала на оболочку при выплавлении модели. Оболочка с пористым слоем в структуре имеет большую проницаемость, что обеспечивает лучшую фильтрацию расплава модельного материала и снижение деформаций в КОФ.

9. Выплавлением пористой ВМ из КОФ установлено незначительное силовое воздействие расплава модельного материала на стенки оболочки, или его полное отсутствие. Расплав модельного материала под действием капиллярных сил пропитывает структуру пористой ВМ, устраняя силовое воздействие на КОФ. Появление незначительных деформаций в структуре КОФ объясняется тепловым расширением модели до ее оплавления и собственным температурным расширением материала оболочки.

10. На основании уравнений механики сплошных сред при использовании численного метода построена математическая модель НДС многослойной КОФ, позволяющая рассчитывать напряжения в структурах с разным расположением пористых слоев и параметрами пористости при температурном и гидростатическом давлении затвердевающего металла до образования твердой корочки толщиной, достаточной для восприятия металлостатической нагрузки. Выявлен характер распределения напряжений в структурах пористых КОФ, наиболее вероятные участки релаксации напряжений и разрушения оболочек. Максимальные напряжения возникают в плотных слоях, минимальные - в пористых. Релаксация напряжений происходит на границе сопряжения плотных и пористых слоев оболочки. На основании расчетных данных наиболее рациональной представляется структура КОФ с пористостью 35,6 % расположенной во 2-м слое с пористостью слоя 90 %.

11. Теоретическими расчетами и экспериментальными исследованиями установлены оптимальные параметры структур пористых КОФ, а именно: пористость 32 - 37 %, расположенная во 2-м или 3-м огнеупорных слоях в виде цепочки пор Ш 0,6-1,0 мм. Такие КОФ обладают удовлетворительными физико-механическими свойствами, что позволяет получать отливки высокой размерной и геометрической точности заливкой форм без опорного наполнителя.

12. Установлено, что на брак КОФ по трещинам при их заливке, как в опорном наполнителе, так и без него, значительное влияние оказывает динамическое воздействие струи жидкого металла на оболочку. Выявлен характер изменения гидродинамического давления при заливке КОФ с различной конструкцией литниково-питающей системы. Экспериментально установлено влияние диаметра струи моделирующей жидкости при фиксированном объеме формы и высоты заливки КОФ на гидродинамическое воздействие струи жидкого металла. Разработана новая конструкция литниково-питающей системы с зумпфом в виде половины тора, позволяющая значительно снизить гидродинамическое воздействие струи жидкого металла при заливке КОФ.

13. Промышленными испытаниями и внедрением технологических приемов изготовления пористых ВМ и КОФ было достигнуто: значительное снижение брака ВМ и КОФ; повышение размерной и геометрической точности отливок; реализована заливка КОФ из кристаллического кварца без опорного наполнителя, что обеспечило сокращение себестоимости отливок и производственного цикла. Полученный реальный экономический эффект за счет снижения потерь оболочек и повышения качества литья составил 18074 руб. в год в ценах 1988 г.

Основные публикации по материалам диссертации

1. Тимофеев Г.И. Барботажная технология и установки приготовления связующих и суспензий для литья по выплавляемым моделям / Г.И. Тимофеев, А.И. Евстигнеев, И.Г. Сапченко. - Владивосток: Дальнаука, 1989. - 112 с.

2. Тимофеев Г.И. Совершенствование технологических процессов формообразования керамических форм / Тимофеев Г.И., Евстигнеев А.И., Сапченко И.Г., Чернышов Е.А. Хабаровск: НТО «Машпром», 1990. - 48 с.

3. Сапченко И.Г. Структура и свойства пористых оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям. Владивосток: Дальнаука. 2003. - 162 с.

4. Сапченко И.Г. Напряженно-деформированное состояние оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям / Сапченко И.Г., Некрасов С.А., Жилин С.Г., Штерн М.В. Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН. 2005. - 156 с.

5. Евстигнеев А.И. Выплавление моделей из оболочковых форм. Теория. Эксперимент. Практика: Монография. А.И. Евстигнеев, В.В. Петров, И.Г. Сапченко. - Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН. 2010. - 84 с.

6. Евстигнеев А.И., Васин В.В., Куренков В.В., Черномас В.В., Сапченко И.Г., Суриц Г.И., Шабович В.М. Отработка и опыт освоения барботажной технологии приготовления этилсиликатных суспензий // Авиационная промышленность. - 1990. - № 6. - С. 60-61.

7. Евстигнеев А.И., Сапченко И.Г., Тышкевич В.Н., Васин В.В. Влияние пористости на прочность оболочковых форм по выплавляемым моделям // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1991. - № 8. - С. 51-53.

8. Евстигнеев А.И., Тышкевич В.Н., Сапченко И.Г., Васин В.В., Куренков В.И. Определение механических характеристик оболочковых форм с учетом их слоистости // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1991. - № 2. - С. 64-67.

9. Евстигнеев А.И., Петров В.В., Васин В.В., Куренков В.И., Сапченко И.Г., Черномас В.В. Иерархия структур и качество оболочковых форм по выплавляемым моделям // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1992. - № 2. - С. 59-62.

10. Евстигнеев А.И., Сапченко И.Г., Тышкевич В.Н., Тимофеев Г.И. Определение механических характеристик слоистых оболочковых форм // Литейное производство. - 1992. - № 8. - С. 25.

11. Евстигнеев А.И., Дмитриевский И.П., Сапченко И.Г., Тимофеев Г.И. Исследование закономерностей процесса выплавления моделей из оболочковых форм // Литейное производство. - 1994. - № 3. - С. 17-18.

12. Тимофеев Г.И., Сапченко И.Г., Евстигнеев А.И. Применение органического порообразующего материала при изготовлении оболочковых форм по выплавляемым моделям // Литейное производство. - 1996. - № 3. - С. 48-50.

13. Сапченко И.Г. Пористые оболочковые формы // Литейное производство. - 1996. - № 8. - С. 24-26.

14. Сапченко И.Г., Евстигнеев А.И., Верхотуров А.Д. Структура и свойства отливок, получаемых в литье по выплавляемым моделям // Литейное производство. - 1998. - № 9. - С. 22-23.

15. Сапченко И.Г., Евстигнеев А.И. Технологические особенности управления процессом удаления моделей из оболочковых форм в ЛВМ // Литейное производство. - 1999. - № 12. - С. 26-27.

16. Сапченко И.Г., Евстигнеев А.И., Костина Т.В. Особенности выплавления моделей из оболочковых форм различных конструкций // Литейное производство. - 1999. - № 6. - С. 25-26.

17. Сапченко И.Г., Евстигнеев А.И., Костина Т.В. Влияние теплопроводности оболочковых форм на удаление выплавляемых моделей // Литейное производство. - 2000. - № 3. - С. 40-41.

18. Сапченко И.Г. Евстигнеев А.И., Петров В.В., Технологические особенности формирования структур и свойств оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям // Материаловедение. - 2000. - № 11. - С. 51-53.

19. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Евстигнеев А.И. Исследование процесса удаления моделей из оболочковых форм // Литейное производство. - 2002. - № 7. - С.21-22.

20. Сапченко И.Г., Евстигнеев А.И., Салина М.В. Влияние технологических параметров на качество форм, изготавливаемых по выплавляемым моделям // Литейное производство. - 2002. - № 4. - С. 19-20.

21. Евстигнеев А.И., Петров В.В.. Аласкаров Н.И., Сапченко И.Г., Куренков В.И. Влияние структуры на свойства оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 2001. - № 12. - С. 22-24.

22. Евстигнеев А.И., Сапченко И.Г., Некрасов С.А. Динамические процессы при заливке оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям // Литейное производство. - 2002. - № 9. - С. 23-25.

23. Сапченко И.Г., Жилин С.Г. Влияние пористости удаляемых моделей на их свойства, качество оболочковых форм и отливок в литье по выплавляемым моделям // Литейное производство. - 2003. - № 4. - С. 24-27.

24. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Штерн М.В. Точность удаляемых моделей и качество форм в литье по выплавляемым моделям // Литейное производство. - 2005. - № 2. - С. 20-22.

25. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н., Штерн М.В. Математическое моделирование процессов получения полимерных моделей // Литейное производство. - 2006. - № 1. - С. 31-32.

26. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Некрасов С.А., Комаров О.Н. Влияние конструкции оболочковой формы на гидродинамическое давление расплава // Литейное производство. - 2006. - № 7. - С. 22-24.

27. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н. Определение свойств пористых удаляемых моделей // Литейное производство. - 2006. - № 7. - С. 29-30.

28. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н., Штерн М.В. Математическое моделирование процесса затвердевания отливки в пористой оболочковой форме // Вестник СамГТУ. Серия «Физ.-мат науки». - 2006. Вып. 42. - С. 193-195.

29. Сапченко И.Г., Жилин С.Г. Технологические особенности повышения стойкости оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям при заливке металлом // Вестник машиностроения. - 2009. - №9. - С. 35-40.

30. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н. Улучшение экологических показателей при литье по выплавляемым моделям с использованием пористых удаляемых моделей // Безопасность жизнедеятельности. - 2009. - №2. - С.29-33.

31. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н. Усовершенствование технологии получения точных металлоизделий в литье по выплавляемым моделям // Заготовительные производства в машиностроении. - 2009. - №4. - С. 9-12.

32. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Евстигнеев А.И. Об особенностях проектирования и использования оснастки при изготовлении пористых выплавляемых моделей // Литейное производство. - 2010. - №2. - С. 26-31.

33. Сапченко И.Г., Некрасов С.А. Определение динамики процесса заливки оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям // Металл и литье Украины. - 2001. - № 1-2. - С. 60.

34. Сапченко И.Г., Жилин С.Г. Экологические аспекты применения моделей с водорастворимыми добавками в цехах литья по выплавляемым моделям // Металл и литье Украины. - 2001. - № 1-2. - С. 60.

35. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н. Повышение точности пористых моделей в литье по выплавляемым моделям // Литье и металлургия. - 2005. - № 1. - С. 100-102.

36. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н. Методы получения протяженных тонкостенных пористых моделей в литье по выплавляемым моделям // Литье и металлургия. - 2005. - № 1. - С. 42-44.

37. Евстигнеев А.И., Сапченко И.Г., Тышкевич В.Н. Разрешающая система уравнений напряженно-деформированного состояния модифицированных структур оболочковых форм // Моделирование, управление и прогнозирование в технических системах: Материалы региональной конференции: Владивосток: ИАПУ ДВО АН СССР. - 1991. - С. 37-39.

38. Евстигнеев А.И., Сапченко И.Г., Куренков В.И., Васин В.В., Петров В.В. Акустические методы контроля качества оболочковых форм по выплавляемым моделям // Методы контроля и исследования в производстве отливок по выплавляемым моделям: Материалы Всероссийского семинара литейщиков: Москва, НДНТП. - 1992. - С. 34-38.

39. Сапченко И.Г., Евстигнеев А.И., Тышкевич В.Н. Температурные напряжения в пористых оболочковых формах // Технология получения и применения новых материалов в порошковой металлургии и машиностроении: Сб. научных трудов ИМиМ ДВО РАН: Владивосток: ДВО РАН. - 1992. - С. 125-137.

40. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Евстигнеев А.И. Влияние пористости моделей на процесс их удаления из оболочковых форм // Прикладные задачи механики деформируемого твердого тела и прогрессивные технологии в машиностроении: Сб. научных трудов ИМиМ ДВО РАН: Владивосток: Дальнаука - 2001. - Вып. 2. - С.37-44.

41. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н. Технологии использования порошковых материалов в литье по выплавляемым моделям // Литье и металлургия. - 2003. - № 3. - С. 38-39.

42. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н., Гончаров С.В. Влияние свойств исходных модельных материалов на качество пористых комбинированных удаляемых моделей // Фундаментальные и прикладные вопросы механики: Сб. докладов международной конференции: Хабаровск: Изд-во ХГТУ. - 2003. - С.703-711.

43. Сапченко И.Г., Комаров О.Н. Физико-механические свойства материалов, применяемых при получении отливок с применением термитных смесей // Фундаментальные и прикладные вопросы механики: Сб. докладов международной конференции: Хабаровск: Изд-во ХГТУ. - 2003. - С.724-729

44. Сапченко И.Г., Штерн М.В. Напряженно-деформированное состояние пористых оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям // Фундаментальные и прикладные вопросы механики: Сб. докладов международной конференции: Хабаровск: Изд-во ХГТУ. - 2003. - С.761-771

45. Сапченко И.Г., Некрасов С.А., Жилин С.Г., Штерн М.В. Деформационные процессы в керамических оболочковых формах при их формировании по выплавляемым моделям // Проблемы механики сплошных сред и смежные вопросы машиностроения: Сб. докладов третьей всероссийской конференции: Владивосток - Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН. - 2005. -С.229-232.

46. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н. Учет упругого последействия прессовок при расчете пресс-форм в литье по выплавляемым моделям // Принципы и процессы создания неорганических материалов: Международный Симпозиум (III Самсоновские чтения): Материалы симпозиума. Хабаровск. -2006. - С.343-344.

47. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н. Влияние содержания порообразующего компонента на физико-механические и технологические свойства прессовок в литье по выплавляемым моделям // Фундаментальные и прикладные вопросы механики: материалы Всероссийской конф., посвященной 70-летию со дня рождения академика В.П. Мясникова // Владивосток. - 2006. - С. 96-98.

48. Сапченко И.Г. Деформационные процессы в структуре многослойной керамической оболочки при ее изготовлении / Успехи механики сплошных сред: к 70-летию академика В.А. Левина: Сб. научн. тр. - Владивосток: Дальнаука. - 2008. - С.674-679.

49. Авторское свидетельство 1227312 (СССР). Установка для приготовления связующих и суспензий / Евстигнеев А.И., Сапченко И.Г. Опубл. 1986.

50. Авторское свидетельство 1414496 (СССР). Установка для приготовления связующих и суспензий / Евстигнеев А.И., Сапченко И.Г. Опубл. 1988.

51. Патент РФ № 2188736. Способ изготовления выплавляемых моделей / Сапченко И.Г. Опубл. 10.09.02. Бюл. № 25.

52. Патент РФ № 2188738. Способ изготовления удаляемых моделей / Сапченко И.Г., Жилин С.Г. Опубл. 10.09.02. Бюл. № 25.

53. Патент РФ № 2188735. Способ изготовления выплавляемых моделей / Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Костина Т.В., Некрасов С.А. Опубл. 10.09.02. Бюл. № 25.

54. Патент РФ № 2188737. Способ изготовления удаляемых моделей / Сапченко И.Г. Опубл. 10.09.02. Бюл. № 25.

55. Патент РФ № 2188734. Способ изготовления выплавляемых моделей / Сапченко И.Г. Опубл. 10.09.02. Бюл. № 25.

56. Патент РФ № 2203763. Способ изготовления выплавляемых моделей / Сапченко И.Г. Опубл. 10.05.03. Бюл. № 13.

57. Патент РФ № 2203764. Способ изготовления выплавляемых моделей / Сапченко И.Г. Опубл. 10.05.03. Бюл. № 13.

58. Патент РФ № 2203765. Способ изготовления выплавляемых моделей / Сапченко И.Г. Опубл. 10.05.03. Бюл. № 13.

59. Патент РФ № 2218234. Литниково-питающая система оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям / Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Некрасов С.А., Штерн М.В. Опубл. 10.12.03. Бюл. № 34.

60. Патент РФ № 2185922. Способ изготовления удаляемых моделей / Сапченко И.Г., Опубл. 27.07.02. Бюл. № 18.

61. Патент РФ № 2185921. Способ изготовления удаляемых моделей / Сапченко И.Г., Опубл. 27.07.02. Бюл. № 18.

62. Патент РФ № 2190498. Способ изготовления удаляемых моделей / Сапченко И.Г., Опубл. 10.10.02. Бюл. № 18.

63. Патент РФ № 2185920. Способ изготовления удаляемых моделей / Сапченко И.Г., Опубл. 27.07.02. Бюл. № 18.

64. Патент РФ № 219496. Способ изготовления удаляемых моделей / Сапченко И.Г., Опубл. 10.10.02. Бюл. № 31.

65. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2010611774. Математическое моделирование процессов заливки и затвердевания стали в многослойной огнеупорной керамической форме со слоями пористой керамики / Одиноков В.И., Сапченко И.Г., Севастьянов Г.М. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 5.03.2010.

Подписано в печать 16 августа 2010 г. Усл. п. л. 1,2 Уч.-изд. л. 1,05

Формат 60*84/24. Тираж 100 экз. Заказ 94

Издано в ИМиМ ДВО РАН. Комсомольск-на-Амуре, ул. Металлургов, 1

Отпечатано участком оперативной печати ИМиМ ДВО РАН.

Комсомольск-на-Амуре, ул. Металлургов, 1

Размещено на Allbest.ru