Новые формовочные материалы

Категория:
Развитие литейного производства


Новые формовочные материалы

Выше было сказано о революции в литейном производстве, совершившейся благодаря освоению литейщиками жидкого стекла, термореактнвных смол и других связующих материалов, позволивших разработать составы самотвердеющих смесей и новые конструкции оболочковых форм. Одновременно со связующими в последние 25—30 лет литейщики приняли на вооружение ряд новых формовочных материалов-наполнителей, к числу которых в первую очередь следует отнести циркон и графит. Что представляют собой эти материалы? Какова их роль в современном литейном производстве?

Материалы-наполнители — основа смесей, а следовательно, и литейной формы. От их свойств в первую очередь зависит качество получаемых отливок. Вот почему выбору и освоению новых формовочных материалов-наполнителей литейщики уделяют большое внимание. В литейных цехах в качестве материала-наполнителя издавна широко применяется кварцевый песок, с которым читатель имел возможность познакомиться на пляже. Основой такого песка является минерал кварц, представляющий собой соединение кремния с кислородом (Si02), которое называют кремнеземом. Кварц отличается зернистым строением, обладает большой твердостью и довольно высокой огнеупорностью (температура плавления 1710°). Широкое применение кварцевого песка обусловливается отмеченными выше свойствами кварца, а также его „едифйцитностыо и сравнительно низкой стоимостью.

В последние годы в связи с повышением требований к качеству отливок, высокими темпами развития тяжелого машиностроения, предъявляющего повышенный спрос на крупные стальные отливки, а также на штье из легированных (нержавеющих, жароупорных и ДР-) сталей для производства ответственных деталей (лопасти гидротурбин, детали прокатных станов и т. п.), выявилась недостаточная химическая инертность кварцевого песка. Кроме того, он обладает высоким термическим расширением. При использовании песчано-глинистых формовочных и стержневых смесей указанные недостатки кварцевого песка приводят к образованию на поверхности стальных отливок трудно удалимого химического пригара, а также к снижению геометрической точности отливок.

Учитывая эти отрицательные свойства кварцевого песка, в сталелитейном производстве, а также при получении ответственных отливок из специальных сплавов кварцевый песок стали заменять цир коновым песком и другими высокоупорными материалами.

Циркон не случайно привлекает внимание литейщиков. Цирконовые пески отличаются своеобразной окраской: в зависимости от месторождения (присутствующих примесей) встречается цирконовый песок светло-коричневого, серого, светло-желтого, зеленого и красно-коричневого цветов. Но главное, конечно, не в окраске. Основой такого песка является минерал циркон, представляющий собой силикат циркона,который обладает специфическими свойствами, крайне важными для материала литейных форм. По сравнению с кварцем циркон имеет ряд существенных преимуществ: более высокую огнеупорность, непригораемость и более высокую плотность (4500—4700 кг/м3, а у кварца 2650 кг/м3). Последнее свойство обеспечивает повышенную охлаждающую способность цирконовых песков, которые могут использоваться в литейной форме в качестве холодильников при получении отливок сложной конфигурации. Втрое меньший, чем у кварца, коэффициент термического расширения циркона при нагреве позволяет получать отливки с более точной геометрией. Положительным свойством цирконового песка также является его мелкозернистость. Она снижает шероховатость поверхности отливок. Высокие противопригарные свойства цирконовых смесей объясняются инертностью циркона по отношению к окислам железа, а также его несмачиваемостью окислами металлов.

Устойчивостью циркона к выветриванию и истиранию объясняют его присутствие в тяжелых остатках различных пород и в прибрежных песках многих стран, особенно Австралии, США (Флорида), Бразилии, Индии. В нашей стране немало мощных месторождений цирконовых песков. Учитывая, что стоимость цирконового песка в 10 раз выше кварцевого, смеси на цирконовой основе оправдывают себя только при получении массивных стальных и ответственных отливок, когда не удается избавиться от пригара при использовании более дешевых смесей на основе кварца.

Формовочные и стержневые смеси на основе циркона применяют в литейных цехах многих отечественных предприятий. В качестве примера можно сослаться на московский завод «Серп и молот», где при использовании цирконовых формовочных смесей успешно отливаются черпаки драг из износостойкой стали марки Г13Л. Большое число отливок для деталей турбин из высоколегированных жаропрочных и износоустойчивых сталей марок 15Х1М1Ф, ОХ12НД, 1Х18Н9Т и др. получают с использованием формовочных и стержневых цирконовых смесей на Харьковском турбинном заводе и др.

Производственникам хорошо известны технологические преимущества цирконовых песков, к числу которых относятся большая твердость и высокое сопротивление истиранию, а также их легкая регенерация (переработка для повторного использования), которая осуществляется путем прокаливания отработанной смеси при температуре 350° в течение нескольких часов.

В последние годы литейщиками взят курс на освоение редкого металла титана и его сплавов. И это не случайно. Малая плотность (4510 кг/м3, в то время как плотность стали около 7800 кг/м3), высокая удельная прочность (она определяется отношением предела почности при растяжении сть к плотности у) при обыч-ых отрицательных и повышенных температурах, высокая (1660°) температура плавления, хорошая коррозионная стойкость и другие ценные свойства обусловили титану и его сплавам широкое применение в различных отраслях промышленности.

Однако производство фасонных отливок из титановых сплавов, по существу, только начинает выходить за рамки опытных работ. Причиной тому — высокая химическая активность титановых сплавов в жидком состоянии, благодаря чему они взаимодействуют с кварцем, цирконом и другими материалами, идущими на изготовление литейных форм. А это приводит к образованию пригара на поверхности отливок.

Как показали исследования, наиболее инертным по отношению к расплавленному титану и его сплавам материалом является графит. В настоящее время он широко применяется для изготовления литейных форм при производстве фасонных отливок из титановых сплавов. Читатель, хорошо знающий литейное производство, вправе задать вопрос: о каком графите идет речь? Ведь графит издавна применяется в литейных цехах.

Да, действительно, графит для литейщиков не новинка. Но известен графит им не как основной материал литейных форм, а как противопригарное средство. В настоящее время литейные формы получают путем механической обработки блоков искусственного графита, из смесей на основе порошкообразного графита и другими способами. Блочный искусственный графит в виде прямоугольных (размером от 200X X200X500 до 380X380X1500 мм), цилиндрических (диаметром 70—500 и длиной до 240 мм) и другого вида заготовок поставляется электродными заводами.

Искусственный графит получают из измельченного нефтяного кокса и каменноугольного пека, который служит связующим материалом. Процесс получения блоков искусственного графита складывается из ряда последовательно осуществляемых операций:
— прокаливание измельченных частиц нефтяного кокса при температуре 1300—1400° для устранения летучих веществ, что повышает теплопроводность и механическую прочность графита;
— смешивание в определенной пропорции размолотых и сортированных по размеру прокаленных частиц углеродистых материалов с каменноугольным пеком в механических мешалках, которые предварительно подогревают, чтобы процесс происходил при определенной температуре;
— прессование охлажденной смеси на специальных прессах в фасонных матрицах или ее выдавливание через отверстие соответствующего диаметра цилиндрической матрицы при удельном давлении 2000— 3000 кг/см2 для получения заготовок в форме плит, брусков, круглых стержней или труб;
— обжиг прессованных полуфабрикатов с целью образования коксовой атомной решетки, которая прочно цементирует зерна исходных материалов. При этом они приобретают совершенство формы, высокие показатели механической прочности, теплопроводности и термической стойкости. Температура обжига составляет 1300°, а его длительность — 4—7 недель. Полученный продукт называют аморфным углеродистым материалом, так как его структура отличается неупорядоченностью атомных цепочек углерода.

Заключительной операцией является графитация углеродистых заготовок при температуре 2500—2700° для превращения аморфного угля в графит. Графитация производится в электрических печах, где сопротивлениями являются сами графитирующиеся заготовки, пересыпанные контактным материалом (антрацит, кокс и др.). Длительность процесса получения графитированных заготовок в общей сложности составляет более двух месяцев.

При графитировании углеродистых нефтяных заготовок происходит процесс укрупнения кристаллов углерода с одновременным упорядочением расположения его атомных цепочек, в результате чего аморфный углерод превращается в графит, атомная решетка которого ничем не отличается от атомной кристаллической решетки природного графита. Кристаллы графита имеют своеобразное слоистое строение: атомы каждого слоя расположены в углах правильных шестиугольников так, что каждый из них имеет трех соседей на расстоянии 1,42 ангстрема, вследствие чего между ними действуют значительно более слабые связи. Эти особенности структуры придают искусственному графиту своеобразные свойства. Он обладает высокой огнеупорностью (не плавится при достигаемых в настоящее время температурах). Сравнение с такими жаропрочными материалами, как окись алюминия, окись бериллия и двуокись циркония, позволило установить^ что материалы на основе угля и графита являются единственными в своем роде материалами, сохраняющими достаточную прочность при температурах выше 1370°.

Искусственный графит обладает низким коэффициентом теплового расширения, большой стойкостью против термических ударов, воздействия расплава и шлаков плавильных печей. Он весьма медленно разрушается от окисления и обеспечивает высокую стойкость литейных форм: в зависимости от массы и конфигурации отливок они выдерживают 300—500 заливок при производстве стального и чугунного литья и еще большую — при получении отливок из сплавов цветных металлов. Графитированные заготовки легко обрабатываются режущим деревообрабатывающим инструментом, что упрощает процесс их производства.

Высокая механическая прочность графитовых заготовок при низких и высоких температурах, а также высокая их плотность позволяют использовать графитовые формы без применения внутренней арматуры и других упрочняющих приспособлений. К недостаткам форм из искусственного графита следует отнести малую прочность тонких сечений и острых углов, недостаточную для литейных форм газопроницаемость, а также полное отсутствие податливости. Эти недостатки должны быть учтены при конструировании литейных форм.

В настоящее время искусственный графит применяют при производстве многократно используемых форм — кокилей, литейных форм — изложниц при центробежном способе литья, кристаллизаторов при непрерывном литье, а также холодильников при получении отливок в песчано-глинистых формах. Формы* изготовленные путем механической обработки блочного графита, успешно применяют для литья из сплавов титана и других редких тугоплавких металлов (ниобий, уран, цирконий и др.). Однако их применение ограничено областью отливок простой конфигурации. С учетом этого в последние годы при производстве фасонных отливок из этих сплавов нашли распространение толстостенные прессованные, оболочковые и получаемые по выплавляемым моделям формы из смесей на основе порошковидного графита. Однако такие формы отличаются значительной усадкой и деформацией в процессе обжига (прокалки), что затрудняет получение точных отливок.

С целью устранения отмеченных недостатков в Институте проблем литья АН УССР кандидатом технических наук Д. М. Колотило был разработан оригинальный процесс изготовления углеродистых безусадочных форм и стержней, точно воспроизводящих геометрию отливок. Процесс получения таких форм и стержней, названный инициалами автора, заключается в термокаталической карбонизации углеродистой формовочной смеси, состоящей из крошки графитовых электродов, термореактивной смолы, катализатора карбонизации (минеральной кислоты) и пластификатора (парафина) под давлением на модели в фиксированном объеме.

Метод КДМ рекомендуется для литья титановых лопаток компрессоров газотурбинных двигателей и лопастей судовых гребных винтов, колес железнодорожного транспорта, точных кронштейнов, резьбовых соединений и других деталей.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум