С.А.Никифоров, А.П.Никифоров Е.П.Роот (Южно-Уральский университет, ЗАО «Урал ВИМ»г. Челябинск)
В настоящее время на ряде заводов применяют технологию литья по выплавляемым моделям в комбинированные керамические оболочки, термостойкость и огнеупорность которых не удовлетворяет производство. В комбинированных оболочках, как правило, лицевые слои изготавливают из суспензий на основе гидролизованного раствора этилсиликата (ГРЭТС), а опорные слои из суспензий на основе жидкого стекла (ЖС). Покрытия оболочек на основе ГРЭТС характеризуются достаточно высокой огнеупорностью, но отличаются низкой термостойкостью. Покрытия на основе ЖС характеризуются, как низкой огнеупорностью, так и низкой термостойкостью.
Исследования показали, что применяемая на ряде заводов, например на ОАО «ЧТЗ Уралтрак», выплавка моделей из оболочек в нагретой воде с добавками хлористого кальция приводит к некоторому снижению огнеупорности и повышению термостойкости покрытий на основе ГРЭТС и существенному повышению огнеупорности в покрытиях на основе ЖС.
Химическим анализом установлено, что ЭТС-покрытия в оболочках при выплавке моделей в водном растворе хлористого кальция насыщаются во-первых этой солью, во-вторых хлористым натрием, который образуется в растворе за счет обменной реакции с гидроксидом натрия. Гидроксид натрия поступает в выплавляющий раствор из опорных слоев оболочек, сформированных из ЖС-суспензий.
Анализ показал, что концентрация солей в ЭТС-покрытиях непрерывно увеличивается по мере работы ванны выплавки на одном и том же растворе с периодическим добавлением в раствор расчетного количества хлористого кальция. Установлено, что при длительной работе на одном и том же выплавляющем растворе содержание хлористых солей кальция и натрия в ЭТС-слоях может увеличиться до 8-12%.
В процессе прокаливания в ЭТС-покрытиях протекает обменная реакция между кремнеземом и хлористыми солями с образованием силикатов кальция. Однако при этом, согласно диаграмме состояния, огнеупорность ЭТС-керамики в целом не должна уменьшаться, так как заметное влияние кальция на температуру плавления силикатов начинается при содержании оксида кальция более 25%. Согласно данным [1] при увеличении содержания оксида кальция от 25 до 35% температура плавления силиката кальция в равновесных условиях снижается с 1710 до 14850С. При сравнительно малом времени прокаливании оболочек, определяемом технологическими условиями, равновесные условия в керамическом материале в процессе нагрева и выдержки фактически не достигаются. Поэтому некоторое снижение огнеупорности ЭТС-керамики наблюдается в отдельных местах оболочек, в которых скапливаются остатки хлористых солей после выплавки моделей. Установлено по испытанию «горячей прочности» образцов, что в целом имеет место снижение огнеупорности ЭТС-керамики, насыщенной хлористыми солями, до 16600С после обработки оболочек в выплавляющем растворе, проработавшем без обновления в условиях конвейерного производства более 3-х месяцев.
Вместе с тем, некоторое снижение огнеупорности ЭТС-керамики приводит к увеличению ее термостойкости, проверенной по изменению циклической прочности образцов.
Однако решающее влияние на термостойкость оказывают опорные слои комбинированных оболочек, формируемые из ЖС-суспензий. Установлено, что при выплавке моделей в растворе хлористого кальция ЖС-покрытия также насыщаются соединениями кальция, а содержание соединений натрия в материале покрытий снижается. Для ЖС-покрытий этот процесс обменных реакций практически не оказывает существенного влияния на изменение огнеупорности, но значительно влияет на повышение термостойкости. При обработке образцов из ЖС-покрытий в водном растворе хлористого кальция установлено некоторое повышение «горячей прочности» при 8000С и статическом изгибе до 1,2-1,5 МПа в сравнении с образцами без обработки в растворе, которые имели ее около 0,7-0,8 МПа. Образцы при нагрузке в процессе нагреве до этой температуры «плывут», т.е. пластически деформируются, не зависимо от длительности обработки образцов в выплавляющем растворе хлористого кальция и его концентрации в растворе. Установлено существенное влияние обработки ЖС-покрытий в растворе хлористого кальция на их термостойкость по изменению циклической прочности образцов. Значительно повышается огнеупорность и термостойкость, как ЭТС-покрытий, так ЖС-покрытий при обработке их в растворе хлористого алюминия. Однако, как показал анализ, технология обработки оболочек в растворе хлористого алюминия, разработанная в свое время Перевозкиным Ю.Л. [2], мало применяется на производстве из-за ряда причин. Обработка ЖС- покрытий в хлористом алюминии требует тщательного контроля за его концентрацией в выплавляющем растворе, так как при нарушении условий имеет место перезакрепление или недозакрепление ЖС-покрытий. И то и другое приводит к повышению брака оболочек при выплавке моделей. Вместе с тем, хлористый алюминий из-за высокой химической активности увеличивает коррозию металлического оборудования, а также из-за высокой цены ограничен в приобретении.
Более технологичным является использование алюминатных соединений непосредственно в суспензиях, в качестве добавок. Однако не все алюминатные соединения обеспечивают повышение огнеупорности и термостойкости комбинированных оболочек. Алюминатные соединения, содержащие свыше 72% А2О3, имеют твердые кристаллические фазы с высокой температурой плавления и малой химической активность поверхности частиц. Добавки таких соединений, как корунд, муллит фактически не успевают растворяться в силикатных покрытиях оболочек в процессе их прокаливания и мало влияют на изменение огнеупорности и термостойкости силикатной керамики. Установлено, что оксидные алюминатные соединения, образующиеся непосредственно при изготовлении суспензий, формируются в виде мелкодисперсных коллоидных частиц равномерно распределенных по всему объему материала. Установлено, что получение таких соединений оксидов алюминия в ЭТС-суспензиях достигается при добавлении нейтрализованных растворов АМСР (алюмо метил силиконат натрия) или активированных аморфных высокодисперсных порошков силиката алюминия. Для повышения термостойкости ЭТС-керамики содержание алюмината в нем достаточно быть около 2-3% от содержания кремнезема или оно должно быть более 15%. Это объясняется тем, что в целом даже небольшое содержание аморфного оксида алюминия в составе силикатной связки способствует релаксации термических напряжений в ЭТС-покрытиях при циклических сменах температур: нагрев-охлаждение. При содержании оксида алюминия около 5,5 % температура плавления силиката резко снижается за счет образования эвтектики с температурой 15850С. Уменьшение температуры плавления ЭТС-керамики может вызвать разрушение лицевых слоев при заливке оболочек сталью. С повышением содержания алюмината в силикате до 10-15% температура плавления связки интенсивно повышается до 1760-17800С при сохранении эффекта релаксации напряжений. Таким образом, введение аморфных алюминатных добавок в ЭТС-керамику способствует повышению термостойкости либо при малых содержаниях до 3-х%, либо при высоких содержаниях до 15% и более.
Что касается ЖС-керамики, то установлена пропорциональная зависимость повышения термостойкости и огнеупорности с увеличением алюминатных соединений в составе суспензий.
На основе исследований разработаны технологические процессы изготовления термостойких комбинированных оболочек с модифицированием суспензий на основе ГРЭТС добавками АМСР и модифицирования суспензий на основе ЖС высоко глиноземными дисперсными порошками (ВГДП).
Введением модифицирующих добавок непосредственно в состав суспензий позволяет значительно уменьшить зависимость качества оболочек от качества выплавляющего раствора, стабильности технологического процесса и изменения атмосферных условий окружающей среды.
На ОАО «ЧТЗ Уралтрак» успешно внедрена в конвейерное формообразование комбинированных оболочек жидкостекольная суспензия с добавкой ВГДП. ВГДП изготавливается и поставляется Челябинским предприятием ЗАО «Урал ВИМ». За счет повышения огнеупорности и термостойкости жидкостекольной керамики снизился брак оболочек и отливок по ряду таких дефектов, как прорыв металла, гребешки, керамические включения, наросты. Повышена чистота поверхности отливок.
На заводе точных заготовок ОАО «Куранмашзавод» для повышения термостойкости внедрена добавка в суспензию в виде нейтрализованного АМСР в смеси с модифицированным пирогенным микрокремнеземом. АМСР поставляется химическими предприятиями, а модифицированный микрокремнезем -Челябинским предприятием ЗАО «Урал ВИМ».
