Анализ методов улучшения жидкостекольных смесей (стр. 4 из 14)

Была проверена возможность регулирования степени прогрева стержней с помощью материалов с различными теплофизическими свойствами. Однако введение в смеси с жидким стеклом 20% чугунной стружки

, 10% окалины , применение в качестве наполнителя хромомагнезита и других высокотеплопроводных материалов, введение в смеси

Рис.4. Влияние толщины стенки отливки на условия нагрева стержней из смесей с жидким стеклом:

1— хромомагнезитовой; 2 — кварцевого песка и 10% асбеста;

3 — кварцевого песка и 20% чугунной стружки.

материалов (асбеста), тормозящих отвод тепла

, не позволило существенно изменить температуру в центре стержней (рис. 4).

Для решения второй задачи необходимо было установить причины, определяющие зависимость работы, затрачиваемой на выбивку стержней, от температуры их предварительного нагрева.

Существенное различие работы, затраченной на выбивку высушенных образцов (рис. 3) в области первого максимума (исходное состояние), объясняется различием природы пленок, связывающих зерна кварцевого песка. Небольшое увеличение прочности образцов, продутых углекислым газом и нагретых до 200° C, закономерно и объясняется краткой продолжительностью (45 сек) продувки образцов углекислым газом.

При последующем нагреве образцов до температур 400–600° C наблюдается значительное уменьшение работы, затрачиваемой на выбивку образцов.

Важно отметить, что величина работы в этом интервале температур является минимальной и практически одинаковой как для образцов, предварительно высушенных, так и для образцов продутых CO

. Пленка жидкого стекла обладает чрезвычайно высокой адгезией к кварцевым зернам. Это особенно сильно проявляется в условиях высоких температур, когда происходит химическое взаимодействие между щелочным силикатом натрия и поверхностью кварцевых зерен.

Учитывая когезионный тип разрушения смесей с жидким стеклом, изменение прочностных свойств смесей в условиях их нагрева и последующего охлаждения можно объяснить изменениями, происходящими в пленке жидкого стекла.

Вследствие различных температурных коэффициентов объемного и линейного расширения стекловидного силиката натрия и кварцевого песка при повторном нагреве и охлаждении высушенных образцов в пленке, склеившей зерна наполнителя, возникают напряжения, приводящие к образованию трещин, нарушающих её сплошность и снижающих прочность образцов на удар.

При нагреве образцов до 600° C и последующем охлаждении к напряжениям, возникающим вследствие различия температурных коэффициентов расширения пленки и зерна, добавляются напряжения, возникающие в результате модификации изменений кварца (переход α-кварца в β-кварц при 575° С).

Снижение величины A и образование первого минимума объясняется также полной потерей влаги гелем кремневой кислоты и дисиликатом натрия в интервале температур примерно до 350–400° С.

Эти данные подтверждаются термограммами высушенных при: 200° C и продутых углекислым газом смесей, содержащих 6% жидкого стекла.

Здесь, однако, имеется в виду влияние не собственно потери влаги, а воздействия этого процесса на возникновение в пленке, связывающей зерна кварца, напряжении, приводящих к образованию в ней трещин, резко снижающих общую прочность смеси.

Наконец, следует учесть, что напряжения в пленках будут тем выше, чем больше будет перепад между температурой нагрева и температурой последующего охлаждения. Влияние этих факторов на условия выбивки стержней и подтверждение превалирующего значения напряжений, возникающих в пленках и приводящих к падению величины A, находим экспериментально. Полученные данные (рис. 5) ясно показывают, что при повторном нагреве и охлаждении прочность образцов резко падает.

Очевидно, что стекловидная пленка, содержащая в основном гидратированный дисиликат натрия, будет значительно более хрупкой, чем пленка, состоящая в основном из геля кремневой кислоты. Последняя, особенно в начальных условиях, будет обладать эластичностью и способностью частично релаксировать возникающие напряжения. Поэтому прочность предварительно высушенных образцов при повторном нагреве и охлаждении падает гораздо более резко, чем у образцов, предварительно продутых углекислым газом.

Таким образом, в случае высушенных и в случае продутых CO

образцов при их нагреве до 400–600° C и последующем охлаждении в результате возникающих напряжений, приводящих к образованию в пленках трещин, работа, затрачиваемая на выбивку, оказывается минимальной.

Переходя к рассмотрению одного из главных вопросов – причин образования второго максимума, прежде всего следует отметить чрезвычайно быстрое увеличение работы, затрачиваемой на выбивку образцов, предварительно нагретых до 800° С. Столь резкое возрастание прочности при нагреве образцов до 800° С свидетельствует о том, что примерно при этой температуре происходит коренное изменение условий склеивания кварцевых зёрен наполнителя.

Причина образования второго максимума становится очевидной из рассмотрения двойной диаграммы состояния Na

O – SiO (рис.6)

При нагреве жидкого стекла, обычно применяемых модулей, жидкая фаза начинает появляться при температуре 795° C, а при нагреве до 850° C (для модуля, равного 2,5) образуется полностью жидкий расплав.

Образовавшаяся жидкая фаза силикатного расплава обволакивает зерна кварцевого песка, «залечивает» появившиеся ранее трещины и при последующем охлаждении сообщает смеси высокую прочность, что приводит к значительному увеличению работы, затрачиваемой на выбивку смесей. Этот процесс происходит как в высушенных, так и продутых CO

образцах. Однако, если в высушенных смесях происходит простое расплавление уже ранее образовавшегося силиката натрия, то в смесях продутых CO образуется расплав из самостоятельно существующих компонентов — главным образом NaHCO и SiO , получившихся в результате разложения жидкого стекла при продувании смеси углекислым газом. Это, по-видимому, является причиной меньшей величины второго максимума в образцах, продутых CO , так как условия образования расплава из отдельных составляющих в тонкой пленке связующего не могут считаться благоприятными. Подтверждением такого предположения являются опыты (рис. 7), проведенные при заливке стержней сталью 30Л. Они подтвердили общую

Рис. 6. Диаграмма состояния системы Na

O – SiO

.

закономерность — ярко выраженный максимум работы, затраченной на выбивку стержней, прогретых до температуры примерно 800°С.

Рис. 7.Работа, затраченная на выбивку из отливок стержней: 1—высушенных при 200° C; 2 — продутых CO

.

Вследствие значительного воздействия на стержень тепла залитого металла, малой теплопроводности смеси и очень медленного охлаждения стержней процессы образования жидкой фазы в пленках связующего материала в данном случае протекают более полно, чем при испытаниях образцов. Поэтому в смесях, продутых CO

, при этом полностью осуществляется процесс образования жидкой фазы, вследствие чего наблюдается почти одинаковый ход кривых, характеризующих работу, затраченную на выбивку стержней, высушенных и продутых CO .

Таким образом, при нагреве смесей до 800°C образуется жидкий расплав, который энергично взаимодействует с кварцевым песком, растворяя последний, в результате чего четко выраженная граница раздела пленки и зерна стирается и образуется сплошной монолит, обладающий большой прочностью. В этих условиях появляется «второй максимум», резко затрудняющий выбивку стержней из отливок.

Рассмотрим причины снижения величины A при нагреве смесей до более высоких температур и условия образования «второго минимума».

При нагреве смесей до температур, превышающих 800° C, взаимодействие силикатного расплава с кремнеземом песка усиливается. Как известно, скорость диффузии возрастает по мере повышения температуры и уменьшения вязкости среды. Поэтому при высоких температурах диффузия SiO

от поверхности растворения в расплав значительно возрастает и в целом процесс растворения кремнезема в силикатном расплаве ускоряется. В результате растворения содержание SiO в расплаве непрерывно увеличивается вплоть до предела растворимости при данной температуре согласно диаграмме состояния Na O–SiO . После достижения предела растворимости этот процесс прекращается.