Получение песчаных форм из сухого дисперсного наполнителя для производства легковесных литых конструкций
Подписаться на разделДорошенко В. С. Получение песчаных форм из сухого дисперсного наполнителя для производства легковесных литых конструкций. doro55v@gmail.com, т. 38-066-1457832, 
Развитие технологий формообразования из песчаных смесей при изготовлении форм с дифференцированными теплофизическими характеристиками актуально, поскольку условием получения отливок с заданными структурой металла и свойствами является управление интенсивностью теплоотвода в литейной форме. Исследованы и использованы следующие закономерности фильтрационных явлений и свойств текучести дисперсной среды песчаной формы, которые позволили увеличить скорость охлаждения отливки в 1,2-2,0 раза путем изменения теплопроводности, пористости наполнителя и конвективной составляющей теплопереноса в разработанных способах литья с фильтрацией газообразного или жидкого хладагента через песчаную среду формы и перемещением этой среды, в отличие от охлаждения отливки в традиционной песчаной форме со связующим, как цельной конструкции.
Путем математического моделирования тепловых процессов получено выражение для коэффициента теплоотдачи α. Это позволило по данным экспериментов калориметрии определить изменение его величины во времени для расчета изменения интенсивности принудительной конвекции в новых способах литья в вакуумируемых формах из кварцевого песка (ЛГМ, ВПФ), с методами дозированного увлажнения формы или перемещения песка. Это повысило скорость охлаждения в промышленных условиях отливок в 1,2-1,5 раза по сравнению со способами формования без таких методов охлаждения.
Исходя из концепции взаимодействия конструкции литейной модели с двумя текучими средами: металлом, который заливается в форму и замещает газифицируемую модель (для способа ЛГМ) и заполняет литейную полость, и песчаной средой вокруг модели, созданы методы физического, математического и компьютерного проектирования легких пористых металлоизделий путем подражания ресурсосберегающим структурам природы, как их представляет современное естествознание.
На основе анализа структур неорганических веществ разработаны, включая компьютерное проектирование по методу построения структур материалов, ячеистые конструкции отливок по аналогам строения кристаллических и аморфных структур, квазикристаллов на основе мозаики Пенроуза и углеродных нанотрубок, а также способы изготовления для них разовых литейных моделей. Разработаны конструкции отливок и способ монтажа модельных кластеров на многоярусных стойках-коллекторах по принципу ботанического явления филлотаксиса, на основе математических моделей из фрактальной геометрии, по аналогии с древовидными структурами, а также со структурой ДНК. Предложен ряд математических концепций проектирования каркасно-ячеистых отливок, оптимально заполняющих пространство в объеме песка литейной формы, с использованием теории минимальных поверхностей, по аналогии со строением пены с ячейками в виде пентагональных додекаэдров, как прообразов легковесных металлоизделий при составлении разовых моделей из повторяемых деталей. На основе таких методов получено 11 патентов Украины на легковесные конструкции отливок и их литейные модели с составлением таких разовых моделей из серийно изготовляемых повторяющихся деталей.
Разработана технология литья металла по ледяным моделям в песчаные оболочковые формы. Для этого предложены математические модели формообразования ледяных моделей в виде аналитических выражений для расчета характеристик их производства из жидкоподвижных композиций путем охлаждения, кристаллизации, переохлаждение, замораживание в различных средах и в зависимости от геометрической формы таких моно-, многослойных, полых и армированных разовых моделей. Получены экспериментальные данные кинетики замораживания и прочности на изгиб в зависимости от температуры ледяных моделей. Установлены условия образования квазижидкого слоя на поверхности таких моделей, и присущий ему электрический заряд использован для создания и нанесения порошковых противопригарных и герметизирующих покрытий ледяных моделей. Применение таких закономерностей, присущих льду, стало научной основой технологии порошковых красок, наносимых методом электроосаждения одним или несколькими слоями на разовые модели; эти покрытия проверены на натурных образцах и отработаны для использования.
Научно обоснованы и разработаны способы упрочнения дисперсных сыпучих формовочных смесей путем перевода материала разовой модели в жидкое состояние (расплав или раствор), фильтрации его в формовочную смесь со стороны литейной полости формы и образования адгезионно-когезионного комплекса в объеме оболочковой формы на глубину фильтрации такого расплава, раствора или реагента, пропитываемого песчаную форму. При этом такой материал модели в жидком состоянии или указанный реагент вступает в химические реакции с материалом формовочной смеси или подвергается гелеобразованию, что приводит к формированию пространственной структуры пленок связующего в твердом состоянии. Такой процесс создания прочности в формовочном материале в результате фильтрации жидкого реагента с последующим взаимодействием с сыпучими компонентами виброуплотненного формовочного материала относится к новой технологии фильтрационной формовки.
Методом гравиметрии установлено, что вакуумирование песчаной формы с ледяной моделью при плавлении и фильтрации в поры формы расплава модели приводит к пропитке воды в форму на глубину до 30 мм в виде фильтрата и удаляет из песка до 45 % расплава модели. При этом связующее или отвердитель из этого расплава осаждается на глубину 2-3 мм в виде нефильтрата, что позволяет в этот слой песка ввести, например, гелеобразователь, предотвратив его попадание в остальную часть формовочной смеси и в несколько раз увеличив его концентрацию, против его концентрации в расплаве ледяной модели. Эти экспериментально установленные явления положены в основу способов получения оболочковых форм с минимальным содержанием этих примесей, образующих связующую композицию в песке оболочковой формы. Продолжительность твердения оболочковой формы с ледяной моделью с начала увлажнения и гидратации песчаной смеси, содержащей быстротвердеющий цемент в количестве 15-20 %, составила 5-10 мин.
В технологии литья по ледяным моделям экологического эффекта достигали заменой органических модельно-формовочных материалов на неорганические с преимущественным использованием в смесях песчаных форм кристалогидратных связующих. Последние подвержены дегидратации при нагревании теплом отливки и подлежат несложной регенерации для повторного использования.
Разработаны технологии получения песчаной формы с дифференцированной прочностью по методу аддитивного заполнения формовочной оснастки песчаной смесью холодного твердения со смешиванием ее из двух двухфазных аэрозолей в одну трехфазную дисперсную систему, а также формовки песчаных изделий деформацией в трех измерениях. В этих способах, согласно описания полученных на них патентов, сочетается формообразование с криотехнологией, компьютерным управлением, вибрационным уплотнением песчаной смеси с неорганическими связующими и возможностью ее несложной регенерации.
Ключевые слова: отливка, ЛГМ-процесс, ледяная модель, литейная песчаная форма, охлаждение формы, фильтрационная формовка, хладагент, тепломассообменные процессы, вакуумирование формы, теплофизические характеристики, металлосбережение.
Фотогалерея статьи
Развитие технологий формообразования из песчаных смесей при изготовлении форм с дифференцированными теплофизическими характеристиками актуально, поскольку условием получения отливок с заданными структурой металла и свойствами является управление интенсивностью теплоотвода в литейной форме. Исследованы и использованы следующие закономерности фильтрационных явлений и свойств текучести дисперсной среды песчаной формы, которые позволили увеличить скорость охлаждения отливки в 1,2-2,0 раза путем изменения теплопроводности, пористости наполнителя и конвективной составляющей теплопереноса в разработанных способах литья с фильтрацией газообразного или жидкого хладагента через песчаную среду формы и перемещением этой среды, в отличие от охлаждения отливки в традиционной песчаной форме со связующим, как цельной конструкции.
Путем математического моделирования тепловых процессов получено выражение для коэффициента теплоотдачи α. Это позволило по данным экспериментов калориметрии определить изменение его величины во времени для расчета изменения интенсивности принудительной конвекции в новых способах литья в вакуумируемых формах из кварцевого песка (ЛГМ, ВПФ), с методами дозированного увлажнения формы или перемещения песка. Это повысило скорость охлаждения в промышленных условиях отливок в 1,2-1,5 раза по сравнению со способами формования без таких методов охлаждения.
Исходя из концепции взаимодействия конструкции литейной модели с двумя текучими средами: металлом, который заливается в форму и замещает газифицируемую модель (для способа ЛГМ) и заполняет литейную полость, и песчаной средой вокруг модели, созданы методы физического, математического и компьютерного проектирования легких пористых металлоизделий путем подражания ресурсосберегающим структурам природы, как их представляет современное естествознание.
На основе анализа структур неорганических веществ разработаны, включая компьютерное проектирование по методу построения структур материалов, ячеистые конструкции отливок по аналогам строения кристаллических и аморфных структур, квазикристаллов на основе мозаики Пенроуза и углеродных нанотрубок, а также способы изготовления для них разовых литейных моделей. Разработаны конструкции отливок и способ монтажа модельных кластеров на многоярусных стойках-коллекторах по принципу ботанического явления филлотаксиса, на основе математических моделей из фрактальной геометрии, по аналогии с древовидными структурами, а также со структурой ДНК. Предложен ряд математических концепций проектирования каркасно-ячеистых отливок, оптимально заполняющих пространство в объеме песка литейной формы, с использованием теории минимальных поверхностей, по аналогии со строением пены с ячейками в виде пентагональных додекаэдров, как прообразов легковесных металлоизделий при составлении разовых моделей из повторяемых деталей. На основе таких методов получено 11 патентов Украины на легковесные конструкции отливок и их литейные модели с составлением таких разовых моделей из серийно изготовляемых повторяющихся деталей.
Разработана технология литья металла по ледяным моделям в песчаные оболочковые формы. Для этого предложены математические модели формообразования ледяных моделей в виде аналитических выражений для расчета характеристик их производства из жидкоподвижных композиций путем охлаждения, кристаллизации, переохлаждение, замораживание в различных средах и в зависимости от геометрической формы таких моно-, многослойных, полых и армированных разовых моделей. Получены экспериментальные данные кинетики замораживания и прочности на изгиб в зависимости от температуры ледяных моделей. Установлены условия образования квазижидкого слоя на поверхности таких моделей, и присущий ему электрический заряд использован для создания и нанесения порошковых противопригарных и герметизирующих покрытий ледяных моделей. Применение таких закономерностей, присущих льду, стало научной основой технологии порошковых красок, наносимых методом электроосаждения одним или несколькими слоями на разовые модели; эти покрытия проверены на натурных образцах и отработаны для использования.
Научно обоснованы и разработаны способы упрочнения дисперсных сыпучих формовочных смесей путем перевода материала разовой модели в жидкое состояние (расплав или раствор), фильтрации его в формовочную смесь со стороны литейной полости формы и образования адгезионно-когезионного комплекса в объеме оболочковой формы на глубину фильтрации такого расплава, раствора или реагента, пропитываемого песчаную форму. При этом такой материал модели в жидком состоянии или указанный реагент вступает в химические реакции с материалом формовочной смеси или подвергается гелеобразованию, что приводит к формированию пространственной структуры пленок связующего в твердом состоянии. Такой процесс создания прочности в формовочном материале в результате фильтрации жидкого реагента с последующим взаимодействием с сыпучими компонентами виброуплотненного формовочного материала относится к новой технологии фильтрационной формовки.
Методом гравиметрии установлено, что вакуумирование песчаной формы с ледяной моделью при плавлении и фильтрации в поры формы расплава модели приводит к пропитке воды в форму на глубину до 30 мм в виде фильтрата и удаляет из песка до 45 % расплава модели. При этом связующее или отвердитель из этого расплава осаждается на глубину 2-3 мм в виде нефильтрата, что позволяет в этот слой песка ввести, например, гелеобразователь, предотвратив его попадание в остальную часть формовочной смеси и в несколько раз увеличив его концентрацию, против его концентрации в расплаве ледяной модели. Эти экспериментально установленные явления положены в основу способов получения оболочковых форм с минимальным содержанием этих примесей, образующих связующую композицию в песке оболочковой формы. Продолжительность твердения оболочковой формы с ледяной моделью с начала увлажнения и гидратации песчаной смеси, содержащей быстротвердеющий цемент в количестве 15-20 %, составила 5-10 мин.
В технологии литья по ледяным моделям экологического эффекта достигали заменой органических модельно-формовочных материалов на неорганические с преимущественным использованием в смесях песчаных форм кристалогидратных связующих. Последние подвержены дегидратации при нагревании теплом отливки и подлежат несложной регенерации для повторного использования.
Разработаны технологии получения песчаной формы с дифференцированной прочностью по методу аддитивного заполнения формовочной оснастки песчаной смесью холодного твердения со смешиванием ее из двух двухфазных аэрозолей в одну трехфазную дисперсную систему, а также формовки песчаных изделий деформацией в трех измерениях. В этих способах, согласно описания полученных на них патентов, сочетается формообразование с криотехнологией, компьютерным управлением, вибрационным уплотнением песчаной смеси с неорганическими связующими и возможностью ее несложной регенерации.
Ключевые слова: отливка, ЛГМ-процесс, ледяная модель, литейная песчаная форма, охлаждение формы, фильтрационная формовка, хладагент, тепломассообменные процессы, вакуумирование формы, теплофизические характеристики, металлосбережение.
| Разместил: | Дорошенко Владимир |
| Источник: | Собственная информация |
| Учетная запись: | ФТИМС, отдел ФХПФ |
| Дата: | 14.10.18 |
