Литейное производство 2011 № 1 январь

Подождите немного. Документ загружается.

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №1/2011

итейные сплавы.

тливки

линейная корреляция

Ф (%) = 200С − 32,78Mn + 13,4Si − 49,1Cu + 480S −

146,27P − 415,43Mg

ост

+ 0,55h

ст

− 647 (r

= 0,73) (1)

экспоненциальная корреляция

Ф (%) = 115C⋅0,26

⋅3,06

⋅0,15

⋅67,11

⋅1,11

⋅0,019

Mgост

hст

= 0,86). (2)

Уравнения можно использовать для определения

содержания феррита в отливках втулка подшипника из

ЧШГ с интервалами содержания элементов, %: 3,1…3,7

C; 1,5…3,3 Si; 0,2…0,7 Mn; 0,12…0,65 Cu; 0,003…0,012

S; 0,055…0,09 P; 0,05…0,08 Mg

ост

и толщинами стенок

ст

= 25…70.

Сравнивая коэффициенты корреляции обоих урав-

нений, видим, что наилучшим образом аппроксимиру-

ет результаты плавок уравнение (2), так как r

(2) > r

(1).

Коэффициенты, соответствующие каждой независимой

переменной в уравнениях, не могут в полной мере отра-

зить влияние, которое оказывают химические элементы на

количество феррита в отливках из ЧШГ, так как их содер-

жание имеет очень большой разброс и при этом содержа-

ние элементов на порядок различается. Для определения

количества феррита в структуре отливки достаточно под-

ставить в уравнение химсостав чугуна. Уравнения дейс-

твительны в условиях производства чугунолитейного цеха

ЗАО «УК «БМЗ» только для отливок втулка подшипника

с ранее указанными интервалами химсостава и толщины

стенки. Для дополнительной оценки влияния отдельных

химических элементов ЧШГ на их структуру рассмотрим

графические зависимости.

Для оценки влияния отдельных составляющих при-

меняли графический метод определения зависимостей

структурной составляющей от химсостава сплава. При

этом, один компонент имеет широкий диапазон измеряе-

мого содержания, а остальные − фиксированные значе-

ния в узких интервалах. Плавки, удовлетворяющие таким

условиям, выбирали из генеральной совокупности. По

данным зависимостей количества структурных состав-

ляющих от параметра компонента строили линии тренда

– кривые, наилучшим способом аппроксимирующие по-

лученные данные, при этом, линия тренда сглаживает от-

дельные отклонения и отображает общую тенденцию. На

основе анализа кривых уточняли функциональные зави-

симости влияния химсостава на количество структурных

составляющих отливок из ЧШГ.

На рис. 1 показаны зависимости влияния содержания

C, Mn, Si и Cu на количество феррита в ЧШГ. Линия трен-

да показывает, что с ростом содержания C происходит

увеличение количества феррита. С увеличением доли Mn

в ЧШГ количество феррита, в соответствии с аппрокси-

мированной линией тренда, снижается. Максимальное

содержание феррита в металлической матрице наблю-

дается, как правило, при минимальном содержании Mn,

поскольку он снижает термодинамическую активность C

и тем самым способствует перлитизации отливок.

Зависимость, представленная на рис. 1, в, фиксирует

рост ферритной составляющей матрицы ЧШГ с повыше-

нием содержания Si. В противоположность Si, медь спо-

собствует перлитизации ЧШГ (рис. 1, г).

Толщина стенки – обобщенный критерий термокине-

тических факторов. С ее увеличением скорость охлаж-

дения отливки в форме уменьшается, что приводит к

увеличению интервала, соответствующего эвтектоидным

температурам, и, как следствие, к ферритизации метал-

лической матрицы ЧШГ (рис. 2).

Влияние S и P (рис. 3, а, б) на ферритизацию матри-

цы фактически не проявляется. Незначительно повышает

содержание феррита P, а S столь же незначительно пони-

жает его. Отсутствие строгих корреляционных зависимос-

тей по этим элементам отчасти объясняется тем, что эти

элементы являются нежелательными и их содержание в

ЧШГ определяется загрязненностью шихтовых матери-

алов и технологией модифицирования. Также незначи-

тельно уменьшению содержания феррита способствует

Mg с повышением его содержания в ЧШГ (рис. 3, в).

Интервалы его содержания в ЧШГ так же малы, как и в

случае S и P. Так как эти элементы не оказывают сущест-

венного влияния в указанных интервалах, были сделаны

пересчеты уравнений (1) и (2), и их содержание в после-

дующих расчетах не учитывали.

Уравнения, полученные при пересчете, без учета S, P,

ост

линейная корреляция

Ф (%) = 193,24C − 34,88Mn + 15,5Si − 44,97Cu + 0,56h

ст

−

662 (r

= 0,73), (3)

экспоненциальная корреляция

Ф (%) = 2,92⋅10

-7

⋅113,1

⋅0,26

⋅3,11

⋅0,16

⋅1

hст

0,87) . (4)

На рисунках 1, 2, в дополнение к линиям тренда,

изображены расчетные кривые, построенные на основа-

нии уравнения (4). В качестве показателей степени при

Рис. 2. Зависимость влияния толщины стенки на количес-

тво феррита в структуре отливок из ЧШГ: 1, 2 – по рис. 1

Ф, %

100

25 30 35 40 45 50 55 60 65 h

ст

, мм

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО№1/2011

итейные сплавы.

тливки

расчете кривых взяты средние значения содержания со-

ставляющих уравнения. Как видно из рис. 1, наблюдает-

ся хорошая корреляция расчетных и фактических кривых

в областях, соответствующих техническим требованиям

по структурным составляющим (содержание П > 50%).

Исследование было бы неполным без дополнитель-

ного изучения влияния разных факторов на форму ВГ.

Анализ плавок показывает, что, наряду с известной вза-

имосвязью S и Mg

ост

в ЧШГ с формой ВГ, большое влия-

ние оказывает толщина стенки отливки. В таблице пред-

ставлены данные плавок, демонстрирующие этот факт.

Увеличение толщины стенки отливки в случае плавок

1 и 2 привело к появлению в структуре отливок, наряду

с шаровидным, вермикулярного графита, что связано с

уменьшением скорости охлаждения отливок в форме и

объясняется увеличением периода кристаллизации, так

как приводит к дезактивации действия Mg в ЧШГ и пос-

тепенному исчезновению сфероидизирующего воздейс-

твия модификатора.

Для обобщения проведенных исследований разра-

ботали структурно прочностную диаграмму. Для ее пос-

троения использовали данные результатов > 900 плавок,

проведенных в чугунолитейном цехе ЗАО «УК «БМЗ».

Диаграмма получена суммированием отдельных плос-

костных диаграмм, построенных для каждой отдельной

фиксированной толщины стенки отливки. Так как содер-

жание структурных составляющих отливок из ЧШГ по

заводским техническим условиям не может превышать

100%, шкала количественного состава структурных со-

ставляющих ЧШГ имеет размерность 0…100%.

Диаграмма построена по результатов исследования

отливок из чугунов ВЧ35…ВЧ50 ГОСТ 7293-85, в кото-

рых преобладает перлито-ферритная структура метал-

лической матрицы. При малой толщине стенки и низкой

степени насыщенности в структуре отливок появляется

цементит.

Разработанная эмпирическая диаграмма имеет при-

кладное значение и используется для определе ния струк-

турного состава чугуна по известным данным экспресс-

анализа и для оптимизации техпроцессов получения

отливок из ЧШГ на ЗАО «УК «БМЗ».

При построении структурной диаграммы предвари-

тельно строились вертикальные разрезы для характер-

ных преобладающих толщин стенок отливок, заливаемых

в сухие песчаные формы. В дальнейшем, с помощью

программы Harvard ChartXL, отдельные разрезы сумми-

ровались. Структурная диаграмма построена в трехмер-

ных декартовых координатах. Базовая (горизонтальная)

плоскость диаграммы находится в координатах степень

насыщенности (Sc) – толщина стенки, которую определя-

ют по известной формуле.

С помощью вертикальной оси структурной диаграм-

мы (шкала в интервале 0…100%) определяют коли-

чественный состав структуры металлической матрицы.

Диаграмма имеет пространственные области, присущие

отдельным структурным составляющим: ферриту (Ф),

перлиту (П) и цементиту (Ц).

Для получения структурного прогноза для заданной

отливки, при известных ее характеристиках – толщине

стенки и химсоставе, необходимо проделать следую-

№ плавки

Химсостав, %

ст

, мм Количество ВГ

CMnSi P S Mg

ост

3,36 0,37 2,36 0,060 0,008 0,058 0,53 70 70 / 30

–“– 0,40 2,34 0,056 –“– 0,051 0,41 –“– 60 / 40

3,34 0,35 2,40 0,072 0,009 0,059 0,37 45 85 / 15

3,38 0,38 2,39 0,059 –“– 0,053 0,40 30 100 / 0

Примечание. В числителе – шаровидный, знаменателе – вермикулярный графит.

Рис. 3. Зависимость влияния химических элементов на

количество феррита в структуре отливок из ЧШГ: а – S,

б – P, в – Mg

ост

Ф, %

0,003 0,005 0,007 0,009 0,01 0,011 S, %

0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 P, %

Ф, %

0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 Mg

ост

, %

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №1/2011

итейные сплавы.

тливки

щие операции. Например, для h

ст

= 30 мм и Sc = 0,8, парал-

лельно осям абсцисс и ординат проводят прямые, которые при

своем пересечении укажут т. А на горизонтальной плоскости,

которая характеризует чугун в отливке. Далее строится перпен-

дикуляр к горизонтальной плоскости, через полученную т. А.

Перпендикуляр пересечет плоскости, разделяющие соответству-

Рис. 5. Прочностная диаграмма для определения твердости

отливок из ЧШГ

Рис. 4. Стр

уктурная диаграмма для отливок из ЧШГ: а – плоскос-

тная диаграмма для отливок с h

ст

= 30 мм, б – пространственная

структурная диаграмма

Сведения об авторе

Макаренко Константин Васильевич

– завед

ующий кафедрой «Литейное про-

изводство и материаловедение» Брянского

государственного технического универси-

тета, канд. техн. наук, доцент, Тел.: 8(4832)

561401, makkon1@yandex.ru

Ф, %

100

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Sc

Состав структурных составляющих, %

ющие структурные области, и покажет структурный

количественный состав (рис. 4, а).

Ранее приведенная операция нагляднее может

быть продемонстрирована с помощью компьютер-

ной программы Harvard ChartXL, для практических

целей в отсутствии специализированного ПО можно

рекомендовать отдельные вертикальные разрезы.

Основное отличие разработанной виртуальной диа-

граммы в том, что с ее помощью можно определить

количественный состав структурных составляющих

в отливках из ЧШГ.

На базе разработанной структурной диаграммы

построили диаграмму для определения твердости

(рис. 5). Основой ее послужила функциональная за-

висимость, полученная в результате линейного кор-

реляционного анализа производственных плавок:

НВ = 64+2,24Ц(%)+0,92П(%)+ 0,2Ф(%). (5)

Коэффициент корреляции линейной зависимости

= 0,76. Таким образом, подставляя соответс-

твующее количество структурных составляющих в

уравнение (5) для каждой отдельно взятой точки

базовой плоскости, получили диаграмму для про-

гнозирования твердости.

С помощью таких диаграмм можно решать две

задачи:

• прогнозировать получение тех или иных струк-

тур в отливках из ЧШГ, заливаемых в сухие песча-

ные формы, по известным значениям (h

ст

, C, Si, Mn,

S, P), а также определять твердость отливок;

• для получения ранее заданных структур в

отливках известных конфигураций (при известной

преобладающей толщине стенки) рекомендовать

химсостав.

К сожалению, при построении диаграмм на базе

факторов базовой плоскости для прочих прочнос-

тных и пластических механических характеристик

(σ

, σ

, δ, KCU), данных оказалось недостаточно.

Полученные для их расчета уравнения показали

слабую корреляционную зависимость. На эти ме-

ханические свойства большое влияние оказывает

форма и размер ВГ, которые не всегда точно иден-

тифицируются в производственных условиях.

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО№1/2011

итье в песчаные формы

Аннотация

The Summary

Цель работы, результаты которой представлены ниже,

разработать технологию изготовления единых сырых пес-

чано-бентонитовых формовочных смесей, позволяющую

резко сократить расход свежих формовочных материалов,

в первую очередь, бентонитов. При этом, было необходи-

мо получить требуемые их прочностные и технологические

свойства. Задача была решена за счет оптимального мо-

дифицирования бентонита нанодисперсными (НД)

частицами, что обеспечило значительное повышение его

связующей способности.

Принято считать, что в сырых п есчано-глинис-

тых смесях (ПГС) при приложении нагрузок имеет

место когезионное разрушение смеси в местах контакта

глинистой оболочки на поверхности зерен наполните-

ля. Число таких контактов (манжет), при прочих равных

условиях, зависит от качества перемешивания смеси и

степени ее уплотнения. Пленка бентонитовой пасты на

УДК 621.742

Л.П. Туманова, Ф.С. Кваша

L.P. Tumanova, F.S. Kvasha

Опыт модифицирования

песчано-бентонитовых

формовочных смесей

наноразмерными материалами

Разработана и освоена в литейном производстве АМО «ЗИЛ» высокоэффек-

тивная технология модифицирования сырых песчано-глинистых формовочных

смесей нанодисперсными материалами, обеспечившая сокращение расхода

бентонита до 2 раз и, соответственно, затрат на переработку отходов, а также

улучшение санитарно-гигиенических условий труда в литейном цехе. Получен

большой экономический эффект.

Ключевые слова

Формовочная смесь, бентонит, модифицирование, наноразмерные частицы,

нанокомпозит.

There has been developed and adopted at the AMO “ZIL” Foundry a highly efficient

technology of modifying bentonite-bonded green molding sands with nano-dispersed

materials ensuring an up to 2 times lower bentonite consumption, and, accordingly,

waste processing costs, as well as an improvement of hygienic work conditions at a

foundry shop. A high economic effect has been attained.

Key words

Molding sand, bentonite, modification, nanoscale particles, nanocomposite.

поверхности зерен наполнителя – кварцевого песка с ша-

мотизированной (оолитизированной) поверхностью, по

нашему мнению, может рассматриваться как компози-

ционный материал (КМ) – смесь бентонита, воды

и мелкодисперсных частиц-наполнителей из состава

т. н. «неактивной мелочи»: шамота, кокса, пылевид-

ных угольных частиц, обломков кварцевого песка и т.

п. Например, в т. н. высокопрочных сырых ПГС, при-

меняемых при производстве автомобильных отливок на

АвтоВАЗе на линии G. Ficher, в составе такого КМ может

содержаться ~ 20% воды, 50% активного (термически

не разложившегося) бентонита, до 30% частиц «неак-

тивной мелочи». Реально количество этих компонентов

зависит от фактического состава смеси и может изме-

няться. Влажность образующегося в процессе заливки

КМ в зоне конденсации в 2,0–2,5 раза выше.

Предположили, что введение в такой КМ сравни-

Experience of Modifying Ben-

tonite-Bonded Molding Sands

with Nanoscale Materials

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №1/2011

итье в песчаные формы

тельно небольшого количества

НД-частиц модификаторов будет

способствовать существенному по-

вышению удельных механических

характеристик формовочных сме-

сей, в частности, прочностных.

Предварительные лабораторные

испытания с использованием обще-

принятых в литейном производстве

методик и приборов не показали

статистически значимого влияния

выбранных нами микромодифи-

каторов на физико-механические

свойства «искусственных» песчано-

бентонитовых формовочных смесей.

В связи с этим были проведены кон-

трольные испытания эффективности

влияния одного из этих материалов

непосредственно в производствен-

ных условиях АМО «ЗИЛ» на АФЛ

Disamatic. Модификатор вводили в

приготовляемую в катковых бегунах

смесь через камерный насос, вместе

с бентонитом, в количестве 0,5% от

его массы. Отливки изготовляли из

серого и ковкого чугунов 23 наиме-

нований.

Испытания проводили две недели

в две смены. Ежедневно контролиро-

вали смесь по принятым на заводе

ее показателям. При этом, система-

тически уменьшали количество по-

даваемого в смесь бентонита (осве-

жение). В итоге, к концу эксперимен-

та содержание активного бентонита в

смеси и, соответственно, его расход

существенно сократились, притом,

что прочность смеси превышала как

ее значения до эксперимента, так и

верхний предел, заданный т ехни-

ческими условиями (ТУ).

Удельная прочность смеси (отноше-

ние прочности к содержанию актив-

ного бентонита), то есть связующая

способность бентонитовой компози-

ции (при сжатии в сыром состоянии

и при разрыве в зоне конденсации

влаги) увеличилась к концу экспери-

мента до 50%.

Таким образом, в ходе предвари-

тельных производственных испыта-

ний было обнаружено значительное

влияние НД-модификатора на про-

чностные свойства песчано-бентони-

товой формовочной смеси в сыром

состоянии, то есть фактически на ее

связующую композицию, состоящую

из активного бентонита, воды и час-

тиц «неактивной мелочи». В ходе

проведения производственных ис-

пытаний качество поверхности отли-

вок и общий уровень их внутреннего

и внешнего брака не изменились.

С учетом результатов комплекса

лабораторных и производственных

испытаний технология модифициро-

вания единых формовочных смесей

НД-материалами была освоена в

литейном производстве АМО «ЗИЛ»

пять лет назад при производстве от-

ливок из серого и высокопрочного

чугунов. Микромодификатор вво-

Удельная прочность сравниваемых формовочных смесей: а – при сжатии,

б – в зоне конденсации; 1…4 – номера смесей (см. ниже)

σ, МПа/% бентонита

дится вместе с противопригарной

добавкой. Опыт использования этой

технологии показал с л е д ующее:

• качество поверхности отливок

полностью удовлетворяет ТУ завода;

• формообразующие свойства

смесей существенно улучшились и

стабилизировались;

• расход бентонита на линиях,

где используется эта технология, со-

кратился в 1,5–2,0 раза.

Ниже и на рисунке представле-

ны результаты заводских анализов

проб смесей, отобранных непосредс-

твенно с АФЛ в действующем про-

изводстве трех литейных цехов. Это

единые формовочные с м еси:

1. среднепрочная для машин-

ной формовки цеха серого чугуна

АМО «ЗИЛ». Смесь изготовляют в

катковом смесителе с применением

технологии модифицирования НД-

материалом;

2. высокопрочная автоматичес-

кой линии цеха серого чугуна АМО

«ЗИЛ». Смесь изготовляют в вих-

ревом смесителе с применением

технологии модифицирования НД-

материалом;

3. низкопрочная для производс-

тва стальных отливок АМО «ЗИЛ».

Модифицирующая добавка в смесь

не вводится, смесь готовится в катко-

вом смесителе;

4. высокопрочная для произ-

водства чугунных отливок на АФЛ G.

Ficher на АвтоВАЗе. Изготовляется в

вихревом смесителе без модифици-

рования НД-материалом.

Результаты анализов последних

двух смесей приводятся в сравнении

со смесями, приготовленными с мо-

дифицированием НД-материалами.

АБ

1......... 0, 1 / 0,05 0,24 / 0,12

2......... 0,16 /0,04 0,30 / 0,07

3......... 0,05 / 0,02 0,11 / 0,03

4.........

0,15 / 0,02 0,45 / 0,05

Примечания. 1. А – предел про-

1 2 3 4

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО№1/2011

итье в песчаные формы

чности при сжатии в сыром состоянии, Б – предел прочности

при разрыве в зоне конденсации. 2. 1…4 – номера смесей (см.

выше). 3. В числителе – по ГОСТу, МПа (Н/см

), знаменателе

– удельный, А – МПа / % бентонита, Б – (Н/см

) / % бентонита.

Приведенные данные подтверждают резкое увели-

чение удельной прочности (связующей способности) при

сжатии и в зоне конденсации при разрыве) смесей, изго-

товляемых с модифицированием НД-материалами. Так,

удельная прочность смеси АвтоВАЗа ниже при сжатии в

сыром состоянии – в 2 раза, в зоне конденсации – в 1,4

раза, чем в аналогичной по прочности смеси АМО «ЗИЛ»,

изготовляемой по разработанной нами технологии. Мак-

симальные удельные прочностные показатели достигну-

ты для среднепрочной смеси. В то же время в смеси для

производства стальных отливок АМО «ЗИЛ», не содер-

жащей микромодификатор, удельная прочность не увели-

чивается и соизмерима с показателями некоторых других

литейных цехов.

Существенное сокращение расхода формовочных

материалов – одна из актуальных задач современного

литейного производства из-за значительного удорожания

используемых исходных материалов и топлива, введения

жестких ограничений на содержание вредных веществ,

выделяющихся в окружающую среду и в вывозимых из

цеха отходах, чрезвычайно высокой стоимостью их депо-

нирования (захоронения). В настоящее время, в основном

за рубежом, используют разные способы оптимизации

технологических свойств ПГС и сокращения расхода

формовочных материалов, в первую очередь, бентонита

и песка. В частности, большое внимание уделяется под-

г о то в к е отработанной смеси:

• ее предварительному охлаждению и увлажнению;

• стабилизации состава на минимально необходимом

уровне;

• повышению интенсивности перемешивания за

счет использования высокоэффективных (вихревых)

смесителей.

Для реализации такой технологии используют доро-

гостоящее современное оборудование, отсутствующее

в большинстве отечественных литейных цехов. Однако

даже при использовании такого оборудования добиться

резкого увеличения связующей способности бентонита и

сокращения его содержания в смесях, при обеспечении

технологически необходимой их прочности, ранее достичь

не удавалось.

В результате освоения в производстве разработанной

нами высокоэффективной технологии модифицирования

сырых ПГС НД-материалами, обеспечившей сокращение

расхода бентонита почти в 2 раза и, соответственно, затрат

на депонирование формовочных смесей, а также улучше-

ние санитарно-гигиенических условий труда в литейном

цехе, получен большой экономический эффект. Предпо-

ложительно, обнаруженный эффект повышения удельных

прочностных характеристик формовочных смесей обуслов-

лен упрочнением бентонитсодержащего композита оболо-

чек зерен наполнителя и его постепенным превращением

в нанокомпозит – структурированный материал со средним

размером одной из фаз < 100 нм. Физические свойства на-

ночастиц на электронном уровне, определяемые их чрезвы-

чайно развитой удельной поверхностью, значительно отли-

чаются от свойств как индивидуального атома, так и блоч-

ного материала. Протяженность границы раздела и доля

граничного слоя в нанокомпозитах существенно возрастает.

Соответственно, повышается их влияние на свойства КМ,

что приводит к увеличению адгезионного взаимодействия,

повышению плотности вещества в приграничной с твердой

фазой области. Утверждается

, что даже при содержании

НД-наполнителя (например, фуллероидов) порядка долей

процента практически весь материал переходит в состояние

пограничного слоя, для которого характерны повышенные

упруго-прочностные показатели.

Мы не использовали фуллероидные материалы, при-

менение которых в качестве компонента литейных формо-

вочных смесей пока ограничивается отсутствием крупно-

тоннажного производства таких материалов и их высокой

стоимостью. Приведенная ссылка лишь иллюстрирует

эффективность использования НД-материалов в смеж-

ных с формовочными материалами областях (например,

в производстве бетона). В качестве НД-модификаторов

мы использовали более дешевые и доступные продукты.

Предположение о механизме влияния НД-модификаторов

на повышение удельной прочности формовочных смесей

(связующей способности бентонита), естественно, нуж-

дается в проверке с использованием современных физи-

ко-химических методов исследования, возможностей для

проведения которых у нас нет.

С предложениями о сотрудничестве обращайтесь к

авторам. E-mail: kvasha@gmail.com

ProAtom-Нанотехнологии – взаимодействие на атомном

уровне, Интернет http://www.proatom.ru/modules.php?name

Сведения об авторе

Туманова Людмила Петровна – вед инженер

УГмет АМО ЗИЛ. Тел.: (495) 677-97-25

Кваша Феликс Семенович.

E-mail: fkvasha@gmail.com

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №1/2011

итье в песчаные формы

Аннотация

The Summary

В литейном производстве в качестве противопригар-

ных добавок широкое распространение нашли УСМ. Их

добавляют в ПГС непосредственно в процессе смесепри-

готовления. Большинство чугунолитейных цехов исполь-

зуют в качестве УСМ каменный уголь – традиционный

противопригарный материал, используемый уже > 100

лет, что связано с проблемами, к числу которых

можно отнести:

• недостаточный противопригарный эффект и свя-

занная с этим необходимость высокого содержания угля в

смеси;

• повышенная газотворность ПГС и связанная с этим

возможность появления ряда дефектов отливок – газовых

раковин, пригара;

• накопление в ПГС вредных веществ – золы, серы,

азота и др.;

• увеличение влагоемкости ПГС из-за повышенного

содержания пылевидных частиц угля и кокса, вызываю-

УДК 621.742.44

А.С. Григор,

В.А. Марков,

Ю.Н. Антуфьев

(АлтГТУ, г. Барнаул)

О противопригарных

механоактивированных

композициях в составе

песчано- глинистых смесей

The Usage of Antyburd-on

Mechanoactivation Composition

in Moulding Sand

щих гидрофобизацию ГС;

• увеличенный расход бентонита вследствие сниже-

ния его термостойкости в присутствии угля и продуктов

его разложения;

• значительные выделения в атмосферу цеха вред-

ных для здоровья людей продуктов пиролиза угля, в том

числе бензола, полициклических ароматических углево-

дородов, оксида углерода и др. [1].

Соответственно, вводимые в смесь противопригарные

добавки должны быть эффективнее каменноугольного

порошка. Известно, что главный критерий применения в

составе смеси УСМ – выход пиролитического углерода в

процессе их термодеструкции в слоях литейной формы

под действием высоких температур расплава. В совре-

менном производстве отливок из чугуна многие исследо-

ватели рекомендуют к омплексные противопри-

гарные формовочные материалы (КПФМ)

[2…5], в состав которых входит необходимое количество

В статье рассмотрены факторы, которые позволяют использовать в составе

песчано-глинистых смесей (ПГС) механоактивированные компо-

зиции на основе бентонита и углеродсодержащего материала

(УСМ), а также улучшить свойства формовочной смеси и повысить активность

глинистого связующего (ГС).

Ключевые слова

Механоактивация, бентонит, нанодисперсный пироуглерод, активность.

Factor, which permit to using in composition moulding sand mechanoactivation

composition of bentonit with carbon materials, improve of moulding sand’s is

qualities and promot of loam binder are described in the article.

Key words

Mechanoactivation, bentonit, nanodispersive pirocarbon, activity.

А.S. Grigor, V.A. Markov, U.N. Antufiev

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО№1/2011

итье в песчаные формы

активированного ГС, УСМ и других добавок, обеспечива-

ющих стабилизацию физико-механических и технологи-

ческих свойств ПГС.

В настоящее время в России разработаны и прошли

производственные испытания КПФМ – Блескол, Литакарб

и Блескол-П. Литакарб и Блескол-П, которые по противо-

пригарным свойствам соответствуют немецкому КПФМ

Antrapur 200RU эффективно применяют в нескольких

российских литейных цехах [2, 4, 5]. Наибольший проти-

вопригарный эффект обеспечивает добавка Блескол-П,

применение которой приводит к снижению литейных де-

фектов и шероховатости литой поверхности. Исследова-

ния показали, что в процессе смешивания добавки Блес-

кол-П с водой происходит обильное пенообразование, что

затрудняет дозирование суспензии в смеситель. Кроме

образования пены, применение Блескол-П также приво-

дит к тому, что молотый уголь в его составе при хранении

суспензии выпадает в осадок.

Таким образом, применение каменного угля в соста-

ве КПФМ, помимо противопригарного эффекта (выхода

пироуглерода), приводит к выделению широкого спектра

экологически вредных продуктов, которые частично кон-

денсируются в смеси, частично сгорают, а также выделя-

ются в окружающую среду и загрязняют атмосферу. Для

улучшения экологической обстановки, а также экономии

УСМ целесообразно использовать в качестве притиво-

пригарного компонента для КПФМ более эффективные,

чем молотый уголь, УСМ [1].

Современные КПФМ – это механическая смесь ком-

понентов, состав которых и количественные соотношения

между компонентами определяются назначением ПГС.

Для получения качественных КПФМ со стабильными

свойствами особое внимание должно уделяться усло-

виям взаимодействия всех составляющих компонентов.

При производстве композиций с соблюдением перечис-

ленных условий необходимо использовать смесительные

комплексы, обеспечивающие тщательное диспергирова-

ние компонентов и активацию. Многие исследователи от-

мечают, что совместное измельчение ГС и УСМ позволяет

повысить степень их диспергирования и увеличить сырую

прочность на сжатие ПГС. Такое изменение свойств смеси

с применением ГС, обработанного УСМ, обусловлено их

совместной механоактивацией. Таким образом, наиболее

эффективным для производства КПФМ можно считать

процесс совместной механоактивации его компонентов в

специальном оборудовании.

В процессе механоактивации частицы ГС разрушаются

по направлениям, совпадающим с плоскостями спайнос-

ти сложных силикатов и разрывом слабых связей, лока-

лизованных в этих областях, что приводит к образованию

разорванных связей и увеличению заряда на поверхности

вновь образованных мелких частиц. Плоскости спайности

являются базальными поверхностями частиц, следова-

тельно, именно на них образуется наибольшее количес-

тво открытых связей. При отсутствии свободной воды за

счет электростатики частиц ГС и поверхности зерен песка

в процессе пространственной ориентации частицы стре-

мятся занять более устойчивое положение, то есть ориен-

тируются друг относительно друга по базальным поверх-

ностям.

Процесс измельчения частиц ГС с деформациями

сдвига [6] на микроуровне сопровождается снижени-

ем степени их окристаллизованности и образованием в

поверхностных слоях аморфной фазы с разорванными

силановыми и силоксановыми связями, обладающими

высокой реакционной способностью. При сухом переме-

шивании дезагрегация частиц ГС не может продолжать-

ся бесконечно. Вновь образованные разорванные связи

смежных частиц, достигнув определенной плотности, на-

чинают взаимодействовать между собой, приводя к дина-

мическому равновесию между процессами измельчения

и агрегатирования частиц. Образующиеся мелкие части-

цы формируют рентгеноморфную высокоактивную фазу

– главный источник вяжущих свойств не только ГС, но и

любых нанодисперсных активированных материалов.

При этом, каменный уголь, прежде чем использовать

его для производства КПФМ, требует специальной обра-

ботки – длительного, трудоемкого и энергозатратного по-

мола. Наибольшие трудности при механоактивации УСМ,

которые вызваны агрегацией его частиц после тонкого

измельчения, связаны с тем, что механоактивация оп-

ределяется как изменение под действием механических

сил энергетического состояния, физического строения и

химических свойств минеральных веществ. Основной

параметр, определяющий скорость реакции и качество

конечного продукта, – величина активной поверхности.

Поэтому цель механообработки – диспергирование мате-

риала для получения порошка с максимальной активной

поверхностью и однородным распределением частиц по

размерам, а также осуществление необходимого геомет-

рического распределения частиц одного компонента отно-

сительно частиц другого и достаточного контакта между

частицами реагентов.

Вывод. При изготовлении КПФМ необходимо учиты-

вать не только совместимость исходных компонентов и

размер их частиц, но и возможности механохимических

реакций между исходными компонентами при их диспер-

гировании и активации.

Процесс приготовления ПГС с добавлением КПФМ

позволяет, за счет малого количества компонентов, более

тщательно осуществить перемешивание смеси с форми-

рованием на поверхности зерна плотной адгезивной обо-

лочки из осколков кварцевых зерен, шамотизированного

и активного ГС, остатков УСМ.

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №1/2011

итье в песчаные формы

Для исследования возможности производства меха-

ноактивированного КПФМ в качестве основы был выбран

Хакасский бентонит П

А как наиболее распространенное

ГС. Исследованиями установлено, что предварительная

термообработка бентонита при 300…400°C позволя-

ет повысить его физико-механические свойства за счет

удаления свободной воды из межпакетного пространства

между его частицами, что обусловлено дополнительным

диспергированием с открытием базальных поверхностей

ГС. Дополнительная термообработка бентонита повыша-

ет его активность, сырую прочность на сжатие и снижает

газотворность готовой ПГС. В качестве УСМ выбрали н а -

нодисперсный пироуглерод (НДПУ) марки П

324 со средним диаметром частиц 24…32 нм и высокой

удельной поверхностью (75…82 м

/г).

Частицы НДПУ, имея намного меньшие размеры и от-

крытые углеродные связи, взаимодействуют с открытыми

силановыми и силаксановыми связями на поверхности

частиц бентонита и кварцевых зерен. При взаимодействии

с частицами бентонита частицы НДПУ распределяются по

базальным поверхностям, где плотность открытых сила-

новых и силаксановых связей больше. Образующаяся

слоистая текстура частиц адгезивной оболочки с добавка-

ми пироуглерода представляет собой текстуру типа «сэн-

двич», когда частицы адгезивной оболочки разделены не

только молекулами свободной воды, но и нанодисперс-

ными, термостойкими частицами пироуглерода. Наличие

НДПУ в составе смеси позволяет также исключить агрега-

тирование частиц бентонита и обеспечить более свободное

проникновение молекул воды к базальным поверхностям

частиц ГС и их гидратацию. В результате ускоряется фор-

мирование прочности смеси, сокращается время приго-

товления и повышается эффективность использования

потенциальной вяжущей способности ГС.

При уплотнении смеси без НДПУ зерна сближаются,

их оболочка деформируется с выдавливанием ее частиц в

межзерновое пространство. Оставшиеся частицы сближа-

ются в зоне контакта так, что между ними остается только

мономолекулярный слой воды. Однако уплотнение смеси

с НДПУ на стадии сближения зерен протекает аналогич-

но, но затем оболочка с частицами ГС деформируется,

и частицы сближаются, часть свободной воды из про-

странства между ними выдавливается за пределы зоны

деформации. Единичные частицы НДПУ, имеющие боль-

шую прочность, вдавливаются в частицы ГС, что дает им

возможность проявить вяжущие свойства и придать ПГС

прочность.

При заполнении формы металлом и нагреве слоев

смеси вода удаляется, и частицы ГС сближаются по ба-

зальным поверхностям, что приводит к образованию

агрегатированных зерен и конгломератов из нескольких

зерен, скрепленных дегидратированными частицами

ГС. Таким образом, в оборотной смеси, возвращаемой в

систему смесеприготовления, присутствуют укрупненные,

прочно скрепленные частицы ГС, соединяющие зерна

песка в агрегаты. Следовательно, в процессе смесеприго-

товления необходимо восстановить вяжущие свойства ГС,

вносимого оборотной смесью, то есть разрушить агрегаты

и измельчить или разделить прочно связанные частицы

ГС. Эта схема характерна для традиционной смеси.

При заполнении формы металлом и прогреве смеси

частицы бентонита, покрытые частицами НДПУ, также

отдают воду, сближаются до критического расстояния, но

при этом не могут образовывать прочные агрегаты, так как

по базальным поверхностям они разделены между собой

частицами НДПУ, выполняющими роль разделителя меж-

ду частицами ГС и адгезивного субстрата.

Наличие малопрочных агрегатов частиц НДПУ в ад-

гезивной оболочке ГС оборотной смеси позволяет интен-

сифицировать процесс смесеприготовления, то есть уско-

рить формирование свойств смеси. Следует отметить, что

агрегаты частиц ГС разрушаются при перемешивании по

тем поверхностям, где расположены частицы НДПУ, час-

тицы ГС как бы возвращаются к той дисперсности, которую

они имели в предыдущем цикле смесеприготовления.

В такой концепции формирования свойств ПГС с до-

бавками НДПУ говорится о разделении частиц бентонита

частицами НДПУ в процессе смесеприготовления, когда

НДПУ добавляют непосредственно в смеситель в виде

сухого порошка или в составе ГС, что приводит к допол-

нительным затратам времени на перемешивание.

Следовательно, если добавлять в смеситель компа-

унд, в котором имеется ГС, покрытое частицами НДПУ,

можно сократить время приготовления ПГС и получить

текстурированную адгезивную оболочку на поверхности

зерен ПГС. Для равномерного покрытия частиц ГС части-

цами НДПУ необходимо точно дозировать смешиваемые

компоненты, чтобы избежать полного покрытия бентонита

НДПУ и потери его связующих свойств. Обыкновенное

сухое перемешивание полностью не обеспечит покрытие

частиц бентонита НДПУ, для этого необходимы специаль-

ные методы диспергирования с одновременной механо-

активацией.

Совместную механоактивацию компонентов КПФМ

проводили в планетарной центробежной мельнице при

массовом соотношении мелющих тел к активируемому

материалу 1/1, с варьируемым содержанием бентонит/

НДПУ и временем механоактивации. Эффективность

совместной механоактивации бентонита и НДПУ можно

проследить на изменении коллоидальности механоак-

тивированной композиции. Метод определения колло-

идальности по ГОСТ 28177-89 основан на определении

седиментационного объема, образующегося в ГС.

Сравнение результатов исследования коллоидаль-

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО№1/2011

итье в песчаные формы

ности механоактивированного ком-

паунда на основе бентонита и НДПУ

показывает, что с увеличением вре-

мени механоактивации коллоидаль-

ность всех образцов растет (рис. 1),

наиболее ярко это видно у образцов

из бентонита, т ермообработан-

н о г о (ТО) при 300°C, с 5 (кривая 2)

и 10% НДПУ (кривая 3). Если срав-

нивать образцы немеханоактивиро-

ванного бентонита + НДПУ (10%) и

бентонита + НДПУ (10%) после 150 с

механоактивации (кривая 3), видим,

что коллоидальность механоакти-

вированного образца на 35% выше,

чем неактивированного.

Результаты исследований бен-

тонита на коллоидальность под-

тверждают, что наличие в составе

оболочки нанодисперсных частиц

пироуглерода увеличивает термо-

стойкость бентонита, что, в свою оче-

редь, приводит к снижению его утрат

в процессе оборота ПГС.

Чтобы подтвердить результа-

ты испытаний на коллоидальность,

активность КПФМ определяли, ис-

следуя активность формовочных

материалов кондуктометрическим

методом, который основан на изме-

рении электропроводности в процес-

се гидратации водной суспензии ис-

следуемого материала, размещенной

между двумя зафиксированными

электродами неизменной площади,

при стабилизированном напряже-

нии и комнатной температуре. Под

гидратацией понимают результат

взаимодействия растворенного ве-

щества и растворителя, приводящий

ко многим эффектам (изменению

электропроводности, температуры и

др.). Результаты измерения оценива-

ют по построенному для данного ма-

териала графику. Для исследования

выбрали образцы механоактивиро-

ванного КПФМ на основе Хакасского

бентонита, предварительно прока-

ленного при 300 и 400°C с варьи-

руемым временем механоактивации

в планетарной центробежной мель-

нице (рис. 2), так как именно после

ТО при таких температурах бентонит

приобретает наибольшую активность,

а ПГС – наибольшие физико-меха-

нические свойства. Это можно объ-

яснить тем, что после ТО при 300°C

из бентонита полностью удаляется

Рис. 1. Влияние времени механоактивации, с, и содержания НДПУ на кол-

лоидальность композиции, %, ТО-бентонита: где 1 ... 4 Т

то

= 300; 5...8 – Т

то

= 400°C – соотношение бентонит/НДПУ равно: 2 –19/1; 3 – 9/1; 4 – 17/3;

6 – 19/1; 7 – 9/1; 8 – 17/3

Рис. 2. Влияние вре-

мени гидратации на

активность компаун-

да на основе бенто-

нита и НДПУ в зави-

симости от времени

механоактивации:

бентонит прокален-

ный: а – при 300°C,

б – при 400°C; вре-

мя механоактивации

КПФМ: 1...6 – 150,

120, 90, 60, 30 и 0 с