СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации АНАЛИТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ КЕРАМИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ КЕРАМИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

© Мартынов К. В., Емельянов В. О., Бречко А.А.

Санкт-Петербургский Институт Машиностроения

Контакт с авторами: martunov@inbox.ru

Метод литья по выплавляемым моделям является одним из основных способов для получения сложных по конфигурации отливок с высокой размерной точностью. На формирование геометрической и размерной точности отливки значительное влияние оказывает керамическая оболочка.

Керамическая форма представляет собой слоистую оболочку с последовательно наращиваемыми слоями, которые также являются слоистыми (суспензионный и суспензионно-обсыпочный участки слоя). Очередной слой оболочки образуется окунанием модели в суспензию и последующей обсыпкой огнеупорным материалом. Затем следует сложная, с точки зрения физико-химических процессов, операция сушки, во время которой начинается формирование структуры керамической формы. Завершается структурообразование оболочки в процессе ее прокаливания.

Формирование структуры керамической формы происходит под действием разнообразных и взаимосвязанных физико-химических процессов, протекающих одновременно. Основные из этих процессов – это:

-испарение растворителя (органического или воды) со свободной поверхности формируемого слоя в атмосферу;

-фильтрация растворителя в капиллярно-пористый отвержденный предыдущий слой под действием капиллярных сил;

-диффузия растворителя в зоны меньшей концентрации, уменьшающейся за счет испарения в атмосферу и фильтрации в предыдущий слой;

-коагуляция мицелл и образование пространственной структуры геля кремниевой кислоты;

-поликонденсация силанольных групп с образованием полисилоксанов и выделением свободной (или конденсационной) воды;

-фильтрация растворителя сразу же после обсыпки в образовавшиеся ее твердыми частицами капилляры;

-фильтрация растворителя в капилляры, образующиеся по всей толщине слоя, по мере образования пространственной структуры геля диоксида кремния;

-оседание непрокоагулировавших мицелл и частиц обсыпки под действием силы тяжести.

После окунания модели с отвержденным предыдущим слоем в суспензию начинается испарение растворителя со свободной поверхности формируемого слоя и отфильтровывание его под действием капиллярных сил в пористую структуру предыдущего слоя. Скорость впитывания и количество впитавшейся жидкости зависят от пористости и толщины этого слоя. При впитывании жидкой составляющей суспензии частично разрушается структура предыдущего слоя (хрупкий гель SiO2). После отверждения последующего слоя, и образования в нем пространственной структуры геля SiO2, этот слой становится передатчиком жидкости из предыдущего слоя в атмосферу. В предыдущем слое вместо разрушенной структуры образуется новая.

Площадь свободной поверхности жидкости, с которой происходит испарение, не остается неизменной. После окунания модели в суспензию эта площадь равна площади свободной поверхности формируемого слоя. Сразу после произведения обсыпки площадь испарения уменьшается за счет образования капилляров твердыми частицами обсыпки. Далее, по мере образования скоплений связующего и пространственной структуры геля SiO2, площадь свободной поверхности, с которой происходит испарение, продолжает уменьшаться. Когда структура сформирована, остаток влаги находится только в капиллярах, и площадь испарения не превышает площади, занимаемой капиллярами в общей площади поверхности формируемого слоя. Кроме того, интенсивность испарения связана с температурой кипения и для различных растворителей увеличивается в такой последовательности: вода, изопропиловый спирт, этиловый спирт, ацетон.

Сразу после обсыпки суспензионного слоя зернистым огнеупорным материалом, жидкая составляющая суспензии устремляется в образовавшиеся частицами обсыпки капилляры. То есть, происходит фильтрация растворителя в суспензионно-обсыпочном участке формируемого слоя. Толщина этого участка определяется глубиной внедрения обсыпочного материала в суспензионный слой. Глубина внедрения зерен обсыпки зависит от вязкости суспензии, размера, формы и удельной массы частиц обсыпочного материала, а также от способа обсыпки (“дождевой” способ, создание “кипящего слоя”).

Суспензия на основе Сиалит-20С и кристаллического кварца представляет собой коллоидный раствор SiO2 в воде. То есть, дисперсионная среда, как сплошная или непрерывная фаза, представлена в данном случае водой. Дисперсная фаза, раздробленная и распределенная в дисперсионной среде, представлена мицеллами кремнезема. Каждая мицелла SiO2 окружена двойным электрическим слоем (так называемой сольватной оболочкой) из отрицательных и положительных ионов на ее поверхности. Это происходит потому, что молекулы SiO2, которые находятся на поверхности коллоидных частиц, вступают в химическую реакцию с водой (дисперсионной средой). Продуктом этой реакции является кремнекислота H4SiO4, которая ионизируется на (SiO44 –) и (4H+). При образовании геля мицеллы SiO2 под действием ван-дер-ваальсовых сил коагулируют, образуя крупные коллоидные частицы, создающие пространственные структуры.

Процесс образования геля сопровождается реакциями поликонденсации. Сиалит-20С представляет собой золь SiO2, стабилизированный гидроокисями щелочных металлов и содержащий силанольные группы (Si – OH). Эти группы поликонденсируются с образованием прочных силоксановых связей ( Si – О – Si ). При этом выделяется свободная (или конденсационная) вода.

Для придания ЭТС связующих свойств его необходимо перевести в коллоидное состояние с последующим превращением в золь. Это осуществляется гидролизом, при котором этоксильные группы замещаются гидроксильными группами. Одновременно с реакцией гидролиза в растворе протекают реакции поликонденсации. Молекулы гидролизованного моноэфира частично укрупняются, и при этом выделяется вода. Получившийся в результате диэфир гидролизуется выделившейся при конденсации водой. Он может конденсироваться дальше с образованием триэфира и т.д. Таким образом возникают полисилоксаны. Конденсация полисилоксанов может протекать по концевым связям с образованием циклических молекул и по внутренним связям. В результате образуется сшитая разветвленная или сетчатая пространственная структура.

Превращение в формируемом слое эластичного золя SiO2 в хрупкий гель SiO2 сопровождается образованием капиллярно-пористой структуры. Если внутри пористого тела, заполненного жидкостью, происходит ее испарение, то начинается движение жидкости в зону испарения. В образующиеся капилляры начинается фильтрация жидкой составляющей суспензии.

Впитывание растворителя предыдущим слоем и испарение его со свободной поверхности отверждаемого слоя приводит к уменьшению концентрации жидкой составляющей суспензии на обеих границах отверждаемого слоя. А так как система стремится к равновесному распределению концентраций, отверждение керамической формы сопровождается диффузионными процессами.

Под действием силы тяжести в формируемом слое происходит оседание мицелл SiO2, находящихся во взвешенном состоянии и не участвующих в образовании структуры геля SiO2. Скорость оседания мицелл зависит от нескольких факторов: толщины слоя, вязкости суспензии, размера, формы и удельного веса самих мицелл (частиц пылевидной фракции), времени отверждения формируемого слоя, наличия в составе суспензии специальных добавок.

Также под действием силы тяжести оседают более крупные и, следовательно, более тяжелые частицы обсыпки. Характер и скорость оседания их, кроме вышеперечисленных факторов, зависят от ориентации формируемого слоя относительно силы тяжести (горизонтально вверх, горизонтально вниз и вертикально расположенные участки слоя).

С помощью математической физики, которая представляет собой математический аппарат изучения физических полей, удается наиболее полно описать различные физические явления. В курсе математической физики при описании диффузии (или массопроводности) объектом изучения является распределение концентрации ключевого вещества в некоторой среде.

В данном случае ключевым веществом является растворитель суспензии. Среда, в которой распространяется ключевое вещество – это формируемый капиллярно-пористый слой керамической формы. Очевидно, что сразу после нанесения слоя суспензии и обсыпки, ключевое вещество (растворитель) распределено по всему объему слоя. По мере образования геля ключевое вещество постепенно выводится из процесса. То есть, жидкая фаза устремляется к свободной поверхности слоя, где происходит испарение, и к поверхности предыдущего слоя, где происходит фильтрация. За счет этого концентрация жидкой фазы у обеих поверхностей формируемого слоя все время уменьшается. При полном отверждении формируемого слоя ключевое вещество полностью выводится из процесса, и он (процесс диффузии) прекращается.

При математическом моделировании процесса диффузии, который описывается дифференциальными уравнениями параболического типа, будем рассматривать одномерную модель данного процесса. Одномерная модель предполагает равномерное распределение всех параметров процесса по поперечному сечению объекта. Изменяются параметры в пространстве только вдоль одной пространственной координаты (например, вдоль оси x). То есть, все оси, параллельные x, эквивалентны, а вдоль осей, перпендикулярных к x, ничего не происходит.

В этом случае классическое дифференциальное уравнение диффузии будет иметь вид:

(1)

где коэффициент потенциалопроводности при диффузионном переносе жидкости, термоградиентный коэффициент удельного содержания вещества, градиент влажности, температурный градиент.

Формируемый слой можно представить в виде неограниченной пластины. Причем массообмен с окружающей средой происходит с двух противоположных поверхностей пластины: с одной стороны – испарение, с другой стороны – фильтрация в капилляры. В этом случае краевые условия можно написать так:

а) начальные условия при = 0:

= = const, (2)

где – удельное массосодержание тела. Массосодержание тела – это количество вещества, содержащееся в данном теле. Соответственно, удельное массосодержание тела – это количество вещества, содержащееся в единице массы данного тела. В нашем случае это отношение массы растворителя (жидкой фазы суспензии) в формируемом слое к массе отвержденого слоя.

б) граничные условия:

(3)

где плотность абсолютно сухого тела, интенсивность испарения.

При сушке небольших образцов даже через небольшой промежуток времени (от 5 до 10 мин.) критерий Фурье (F0) достигает больших значений. Стационарное температурное состояние, при котором температура тела во всех точках постоянна, наступает довольно быстро. В этом случае дифференциальное уравнение диффузии будет иметь вид:

(4)

где коэффициент потенциалопроводности при диффузионном переносе жидкости, – градиент удельного массосодержания тела.

Фильтрацию растворителя, при впитывании его предыдущим слоем и при движении его в результате испарения по капиллярам отверждаемого слоя, математически можно описать с помощью основного уравнения капиллярного движения жидкости (6):

(5)

или

(6)

где плотность жидкости, – радиус капилляра, количество капилляров, приходящихся на единицу площади сечения тела, – коэффициент капиллярной проводимости жидкости (зависящий от ее удельного массосодержания, вязкости и пористости тела), – градиент избыточного капиллярного потенциала в направлении движения жидкости, – количество жидкости, проходящей в единицу времени через единицу площади сечения капилляра на расстоянии х.

При впитывании растворителя предыдущим слоем капиллярный потенциал цилиндрического капилляра равен:

(7)

где – высота капиллярного поднятия, – средняя кривизна мениска ().

При капиллярном движении жидкости, вызванном испарением, можно считать, что при испарении более узкие капилляры впитывают жидкость из широких капилляров аналогично перемещению жидкости из широкого капилляра в узкий. В этом случае капиллярный потенциал для отдельного капилляра или соединенных капилляров определяется по формуле:

(8)

где и – радиусы менисков конического капилляра.

Для капиллярно-пористого тела капиллярный потенциал значительно больше потенциала тяготения, поэтому действием силы тяжести на жидкость в капилляре можно пренебречь. В этом случае уравнение (6) принимает следующий вид:

(9)

где – плотность потока жидкости, – плотность абсолютно сухого тела, – градиент удельного массосодержания тела, коэффициент потенциалопроводности.

(10)

где – коэффициент динамической вязкости жидкости, – краевой угол смачивания, – коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Изучение “механизма” структурообразования и создание математических моделей процессов, протекающих при формировании оболочки, является перспективным направлением для научных исследований в ЛВМ.

Литература:

  1. Васильев В.А. Физико-химические основы литейного производства. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994.
  2. Лакеев А.С. Формообразование в точном литье. Киев: Наукова думка, 1986.
  3. Литье по выплавляемым моделям. / Под общ. ред. Шкленника Я.И.и Озерова В.А. – М.:Машиностроение, 1984.
  4. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. – М.: ГИТТЛ, 1954.
  5. Серебро В. С. Основы теории газовых процессов в литейной форме. М.: Машиностроение, 1991.
Дата публикации: 27 февраля 2005
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.