Влияние волокнистого талька на эксплуатационные характеристики покрытий для литья по выплавляемым моделям

Аннотация: В ходе испытаний технологических и эксплуатационных характеристик покрытия для литья по выплавляемым моделям исследовано влияние волокнистого волластонита на эти характеристики. Результаты показывают, что волокнистый волластонит способен улучшать технологические свойства покрытия — его суспензируемость, тиксотропность и наносимость — а также повышать стойкость к образованию трещин при сушке, прочность на изгиб при комнатной и повышенной температуре, а также воздухопроницаемость при этих температурах. Литьё по выплавляемым моделям является передовой технологией производства, и технология нанесения покрытия, будучи одной из ключевых, выступает важным фактором, ограничивающим её развитие и широкое внедрение. Огнеупорный порошок является основным компонентом покрытия для литья по выплавляемым моделям, занимая более 50% его массы, и напрямую влияет на технологические и эксплуатационные свойства покрытия. Его физико-химические характеристики в значительной степени определяют эффективность покрытия; поэтому исследование и правильный выбор подходящих огнеупорных порошков являются ключевыми для обеспечения качества отливок. При этом особенно важна форма частиц огнеупорного порошка: волокнистые частицы относятся к неэквиидальным и играют особую роль в составе покрытия. В данной работе проведено предварительное исследование влияния волокнистого волластонита на свойства покрытия для литья по выплавляемым моделям. 1 Экспериментальные материалы и методы 1.1 Экспериментальные материалы Огнеупорный порошок для покрытия, использованный в эксперименте, представляет собой смесь муллита и волластонита, причём доля волластонита составляет 0–30% (по массе) от общей массы огнеупорного порошка. 1.2 Методы испытания свойств покрытия 1.2.1 Методы испытания технологических свойств покрытия Суспензируемость: измеряется методом плунжерного цилиндра. Наносимость: реальная пластиковая модель из пенопласта погружается в покрытие, после чего визуально оценивается состояние покрытия. Стойкость к образованию трещин при сушке: визуально наблюдается состояние трещин на высушенном покрытии. Прочность на изгиб при комнатной температуре: после высыхания покрытия используется самодельное испытательное устройство для определения прочности на изгиб покрытия при пролёте 41 мм. Принцип работы показан на рис. 3. 1. Тарелочный весы 2. Испытываемый образец 3. Опорная точка 4. Кромка ножа 5. Образец покрытия Прочность на изгиб при повышенной температуре: после высыхания покрытия оно помещается в высокотемпературную печь и нагревается при 900 °C в течение 10 минут. После охлаждения применяется испытательное устройство для определения прочности на изгиб. Нетрудно заметить, что фактически здесь проверяется остаточная прочность на изгиб покрытия после воздействия высокой температуры, что лишь в определённой степени отражает тенденцию изменения прочности покрытия при повышенной температуре. Воздухопроницаемость при комнатной температуре: для измерения воздухопроницаемости покрытия при комнатной температуре используется прибор типа STZ. На торцевую поверхность стандартной пробирки, используемой для измерения проницаемости песка, наносится тонкий слой вазелина; покрытие прикладывается к покрытой вазелином поверхности, после чего пробирка устанавливается на испытательное сиденье прибора для измерения проницаемости. Затем на покрытие надавливается крышка с отверстиями (как показано на рис. 4) — и проводится испытание. Сначала снимается показание уровня столба воды, затем по таблице соотношения давления столба воды и проницаемости рассчитывается значение проницаемости. Проницаемость при повышенной температуре: поскольку испытание проницаемости при высокой температуре достаточно сложно и различные методы имеют свои преимущества и недостатки, что снижает их сопоставимость, в данном эксперименте применяется следующий метод: сначала высушенный образец покрытия помещается в высокотемпературную печь при 900 °C на 10 минут, затем охлаждается, и воздухопроницаемость измеряется по методу испытания при комнатной температуре, чтобы оценить относительную проницаемость покрытия при повышенной температуре. Этот метод прост и легко реализуется, обладает хорошей стабильностью и воспроизводимостью данных, а также достаточной сопоставимостью в определённых конкретных условиях, отражая тенденцию изменения проницаемости покрытия при высокой температуре. 2 Результаты эксперимента и их анализ 2.1 Технологические свойства покрытия 2.1.1 Суспензируемость покрытия По мере увеличения содержания волластонита суспензируемость покрытия повышается, улучшаются его суспензионные свойства, что обеспечивает хорошую устойчивость к осаждению во время хранения. Уникальная волокнистая морфология волластонита облегчает формирование сетчатой структуры в суспензии покрытия, препятствуя оседанию частиц порошка. 2.1.2 Показатель тиксотропии покрытия По мере увеличения содержания волластонита возрастает показатель тиксотропии покрытия, улучшаются его тиксотропные свойства. Это можно объяснить тем, что микрочастицы волластонита представляют собой неэквиидальные волокна, которые склонны образовывать переплетённые сетчатые или массивные структуры в водной суспензионной системе. При воздействии внешних сил, таких как сдвиговое усилие, эта структура может разрушаться и формировать новые структуры, например параллельные расположения. Когда внешнее усилие устраняется, частицы перестраиваются и восстанавливают сетчатую или массивную структуру, что свидетельствует о том, что иглообразные и дискообразные частицы проявляют более выраженный тиксотропный эффект, чем сферические. 2.1.3 Наносимость Путём визуального наблюдения за состоянием покрытия после погружения реальной модели из пенопласта видно, что с увеличением содержания волластонита уменьшается количество капающего материала, а толщина покрытия на модели из пенопласта увеличивается. При содержании волластонита ниже 5% наблюдается сильное капание, и покрытие получается очень тонким; при содержании от 10% до 20% покрытие гладкое, блестящее и без скоплений; при содержании свыше 25% капание практически отсутствует, и покрытие становится очень толстым. Волокнистые частицы волластонита обладают большей удельной поверхностью и более высокой поверхностной энергией, чем сферические частицы, что облегчает формирование определённой сетчатой структуры в системе покрытия, позволяя удерживать больше жидкости, уменьшая свободный поток и делая покрытие более плотным. 2.2 Эксплуатационные свойства покрытия 2.2.1 Стойкость к образованию трещин при сушке Прочность на изгиб возрастает с увеличением содержания волластонита в покрытии, при этом прочность на изгиб при повышенной температуре ниже, чем при комнатной температуре. В то же время при измерении прочности на изгиб при комнатной температуре прогиб (или угол стрелки весов), наблюдаемый при разрушении покрытия, может служить индикатором его ударной вязкости; с увеличением содержания волластонита повышается и ударная вязкость покрытия, достигая прогиба в 5 мм при содержании свыше 25%. Добавление волластонита повышает прочность покрытия, поскольку волокнистый волластонит распределяется в матрице покрытия, образуя сетчатую структуру, которая действует как армирующее ребро. Более низкая прочность на изгиб при повышенной температуре по сравнению с комнатной связана с потерей органического связующего при высоких температурах, тогда как огнеупорный порошок ещё не спекся. 2.2.3 Воздухопроницаемость при комнатной и повышенной температуре С увеличением содержания волластонита улучшаются как воздухопроницаемость покрытия при комнатной, так и при повышенной температуре, причём проницаемость при повышенной температуре выше, чем при комнатной. Это объясняется тем, что при содержании волластонита свыше 10% его доля в общем составе покрытия относительно велика, и большое количество волокнистого волластонита легко образует массивную сетчатую структуру в покрытии, создавая больше взаимосвязанных микроскопических пор, что повышает проницаемость. Более высокая проницаемость при повышенной температуре по сравнению с комнатной связана с потерей органического связующего при высоких температурах. Следует отметить, что при содержании волластонита ниже 10% высушенное покрытие имеет трещины, а при более высоком содержании волластонита покрытие обладает повышенной способностью поглощать жидкий пенопласт. 3 Заключение (1) Используемый метод изготовления покрытия обладает хорошей стабильностью, что обеспечивает надёжность последующих измерительных работ. (2) Волокнистые частицы волластонита относятся к неэквиидальным частицам, которые могут улучшать суспензируемость, тиксотропность и наносимость покрытий для литья по выплавляемым моделям, тем самым повышая эксплуатационные характеристики покрытия. (3) При содержании волластонита в покрытии (серия муллит–волластонит) ниже 10% стойкость к образованию трещин при сушке невысока; при содержании свыше 10% с увеличением доли волластонита повышаются прочность на изгиб и проницаемость покрытия.