Анотація до роботи:

Лютий Р.В. Формувальні суміші і процеси виготовлення точних виливків за моделями, що витоплюються. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04. – Ливарне виробництво. – Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2006 р.

Об’єктом дослідження є процес розроблення нових сумішей для виготовлення точних литих заготовок із сплавів на основі чорних та кольорових металів методом лиття за моделями, що витоплюються.

Метою роботи є зниження браку виливків, які виготовляють методом ЛВМ. Мета досягається через забезпечення стабільного рівня властивостей ливарних форм, усунення дефіцитних, пожежонебезпечних та дорогих матеріалів (етилсилікату, органічних розчинників, кристобаліту) і таких, що схильні до поліморфних перетворень (кварц), розроблення наукових основ тверднення нових зв’язувальних систем для точного лиття та керування їх високотемпературними властивостями і оптимізацію складу сумішей, режимів виготовлення та заливання ливарних форм.

В дисертації розроблена методика наближеного розрахунку часу кристалізації виливків у керамічних формах.

На підставі цієї теоретичної бази створені методики контролю властивостей керамічних форм і розрахований їх необхідний рівень.

Грунтовно досліджені високотемпературні процеси в композиціях низькомодульного рідкого скла з алюмосилікатними та кремнеземистими наповнювачами, розроблені високотермостійкі суміші.

Розкрито фізико-хімічні процеси утворення алюмофосфатних зв’язок і розроблено холоднотверднучі алюмофосфатні керамічні суміші з гідроксидом алюмінію і ортофосфорною кислотою.

Визначені фазові перетворення вогнетривких матеріалів, на підставі яких розроблено комбінований наповнювач для сумішей з високоміцним гіпсом, що забезпечує мінімальний рівень лінійних деформацій при прожарюванні.

1. Вперше виведені теоретичні залежності теплової взаємодії металу з керамічною формою і тривалості кристалізації виливків.

2. Теоретично розраховано розподіл температурних полів у керамічних формах з опорним наповнювачем та без нього. На основі аналізу теплової і механічної взаємодії форми з металом встановлено, що необхідний рівень міцності керамічних форм на вигин складає 1,1...1,5 МПа і повинен досягатися при температурах до 990^оС. Розроблено відповідну оригінальну методику контролю міцності керамічних зразків при високих температурах.

3. Досліджено наповнювач алюмосилікатного класу – пірофіліт. Внаслідок низького коефіцієнту термічного розширення (до 6,1*10^-6 К^-1) і відсутності поліморфних перетворень зі змінами об’єму, пірофіліт надає керамічним формам високу міцність і точність розмірів, що забезпечує виготовлення виливків без дефектів з вини форми. Входячи як наповнювач до складу сумішей з низькомодульним рідким склом, пірофіліт вступає з ним у фізико-хімічну взаємодію і модифікує зв’язувальну композицію.

4. Вивчені процеси взаємодії низькомодульного рідкого скла із кремнеземистими та алюмосилікатними матеріалами. Встановлено, що взаємодія каолінової глини з рідким склом відбувається при нормальній температурі і призводить тільки до покращення вибиваємості або (для керамічних форм) зниження міцності після прожарювання. Взаємодія пірофіліту з низькомодульним рідким склом відбувається саме під час прожарювання керамічних форм, що зумовлюється відмінностями кристалічної будови пірофіліту і каоліну. В результаті замість розплаву лужносилікатної евтектики у кераміці утворюються більш тугоплавкі сполуки, які підвищують робочі температури вище 900^оС і забезпечують міцність на вигин кераміки на рівні 1,3...1,6 МПа.

5. Досліджені хімічні принципи утворення фосфатних зв’язувальних систем кислотно-кислотного і амфотерно-кислотного типу. Установлено, що холодне тверднення алюмосилікатних композицій можливе при використанні матеріалів, які містять частки чистого алюмінію або його гідроксиди.

6. Тверднення алюмофосфатних сумішей з рідкої композиції гідроксидів та ортофосфорної кислоти призводить до утворення метафосфатів алюмінію, які піддаються поліморфним перетворенням з повним видаленням фосфорного ангідриду під час нагрівання до 1000^оС. Прожарювання до цих температур видаляє увесь фосфор з керамічної форми, що знижує її міцність (з 4,0...6,0 МПа при нормальній температурі до 0,7 МПа при 900...990^оС), але усуває можливість дифузії фосфору в поверхню виливка. Тверднення алюмофосфатних сумішей з попередньо приготовленої сухої композиції гідроксидів з ортофосфорною кислотою та наповнювачем призводить до утворення одно- та двозаміщених ортофосфатів алюмінію, які під час прожарювання керамічних форм переходять у тризаміщені, що існують без змін і без виділення фосфорного ангідриду до 1400...1600^оС. Додавання каолінової глини до керамічних форм з гідроксидом алюмінію підвищує їх термостійкість та міцність (до 3,0...4,5 МПа при 900...990^оС) внаслідок додаткового утворення алюмофосфатів.

7. Вивчені високотемпературні перетворення у матеріалах, на підставі чого визначено оптимальні комбінації наповнювачів для гіпсо-кремнеземистих сумішей. Перетворення кварц при 573^оС, яке відбувається із збільшенням об’єму, компенсується перетворенням Са(ОН)₂СаО при 530^оС із зменшенням об’єму. Взаємно-компенсаційні об’ємні перетворення суміші під час нагрівання підвищують точність форм і виливків. Гідроксид кальцію підвищує загальну та поверхневу міцність сумішей, що зумовлено його спорідненістю за мінералогічним складом до високоміцного гіпсу.

8. Вперше запропонований диференційний термогравіметричний аналіз для встановлення режимів прожарювання гіпсо-кремнеземистих сумішей. Внаслідок цього тривалість циклу прожарювання форм знижено у 1,5 рази.

9. Проведена багатокритеріальна оптимізація рецептур сумішей для виробництва точних виливків дозволяє рекомендувати:

- для виготовлення виливків із сплавів на основі чорних металів у багатошарових керамічних формах – суміші із низькомодульним рідким склом; алюмофосфатні суміші з ортофосфорною кислотою (5...10%), гідроксидом алюмінію (15...20%) і каоліновою глиною (10...15%). Наповнювач – пірофіліт;

- для виготовлення виливків із сплавів на основі кольорових та благородних металів у гіпсових формах-монолітах – гіпсо-кремнеземисті суміші з комбінованим наповнювачем „пірофіліт (35...45%) – гідроксид кальцію (10...15%) – кварцовий пісок (45...50%)”.

Очікуваний економічний ефект від використання нових рецептур сумішей: для процесу лиття сталевих виливків в керамічні форми 1600...2700 грн на 1 т продукції; для процесу лиття виливків із сплавів благородних металів у гіпсо-кремнеземисті форми – 50...60 грн на 1 кг виробів.

Проведені виробничі випробування всіх розроблених сумішей. Керамічні форми з НРС та ортофосфорною кислотою заливали сталями 35ХГСЛ та 35Л. Шорсткість поверхонь виливків – 3,2...6,3 мкм, геометрична точність – задовільна.

Форми із гіпсо-кремнеземистих сумішей заливали сплавами БрО5Ц5С5 і СрМ875, шорсткість поверхонь не більше 3,2 мкм.

Технологія виготовлення форм не потребує заміни існуючого устатковання та коригування параметрів технологічного циклу.

Публікації автора:

1. Макаревич О.П., Кочешков А.С., Лютий Р.В., Федоров М.М. Применение пирофиллита в составах формовочных смесей // Металл и литье Украины. – 2004. - №11 – 12. – С.32 – 35.

Здобувачем визначені області застосування пірофіліту у формувальних сумішах, проведені експерименти і пояснені результати, розроблена оригінальна методика досліджень.

2. Кочешков А.С., Лютий Р.В. Расчет температурных полей в литейных формах для точного литья // Металл и литье Украины. – 2005. – №6. – С.42 – 43.

Здобувачу належить: постановка задачі; аналіз теплового поля керамічної форми; складання і вирішення критеріальних рівнянь Фур’є.

3. Патент UA 57460 A, Україна. МКІ 7 В22С1/16. Формувальна суміш для ливарних форм, що зміцнюється тепловим сушінням / О.П.Макаревич, А.С.Кочешков, Р.В.Лютий, вид. 22.07.2003.

4. Лютий Р.В. Виготовлення форм для лиття по витоплюваних моделях із застосуванням пірофіліта і рідкого скла / Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра: Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції. – Київ: Політехніка. – 2002. – С.170 – 175.

5. Макаревич О.П., Кочешков А.С., Лютий Р.В. Влияние пирофиллита на выбиваемость жидкостекольных смесей / Прогрессивные процессы литейного производства: Материалы Международной научно-технической конференции. – Волгоград. – 2002. – С.357 – 358.

Здобувачем виготовлені зразки, проведені вимірювання і розрахунки, лабораторні випробування та сформульовані висновки.

6. Макаревич О.П., Кочешков А.С., Лютий Р.В. Силикофосфатные связующие, отверждаемые тепловой сушкой / Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах: Збірник наукових праць Х міжнародної науково-технічної конференції. – Запоріжжя. – 2003. – С.143 – 147.

Здобувачем визначені найбільш придатні матеріали, встановлені межі області експерименту, проведений експеримент і пояснені графічні залежності.

7. Макаревич О.П., Кочешков А.С., Лютий Р.В. Керамічні форми без етилсилікату для лиття за моделями, що витоплюються / Экономический путь к высококачественному литью: Материалы Международного научно-технического конгресса. – Киев. – 2005. – С.131 – 132.

Здобувачем визначені фізико-хімічні перетворення у керамічних сумішах низькомодульного рідкого скла з пірофілітом при високих температурах і зроблені відповідні висновки.

8. Макаревич О.П., Кочешков А.С., Лютий Р.В. Алюмофосфатные связки для оболочковых форм / Литейное производство: высококачественные отливки на основе эффективных технологий: Материалы Международного научно-технического конгресса. – Киев. – 2004. – С.110 – 111.

Здобувачем висунуто ідею застосування алюмофосфатної холоднотверднучої суміші з ортофосфорною кислотою та гідроксидом алюмінію, вивчені і проаналізовані хімічні процеси у системі, пояснені експериментальні дані та відпрацьована технологія приготування сумішей.