Технические науки/ 1. Металлургия

Исагулов А.З., Куликов В.Ю., Твердохлебов Н.И., Щербакова Е.П., Ковалёва Т.В.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан, г. Караганда

Исследование структурно-механических свойств

кварцевых песков

Одним из прогрессивных способов получения качественных литых заготовок является литьё по газифицируемым моделям. В качестве наполнителя смеси был использован песок Карасовского карьера. Формовочный песок постоянно находится в многократном обороте и его потери в среднем составляют 3-5% на одну заливку, отсутствие в нём связующего позволяет восстановить его для повторного использования без большого количества технологического оборудования и, соответственно, площадей. Выбивка отливки также не представляет трудности, т.к. сухой несвязанный формовочный песок легко высыпается из контейнерной формы, а очистка отливки не требует трудоёмких операций как при литье в песчано-глинистые формы, не говоря уже о ХТС, ЖСС или по выплавляемым моделям.

На ТОО «КМЗ им. Пархоменко» были проведены ряды исследований по изучению песка Карасовского карьера. Такие как: изменение объемной плотности песка в зависимости от времени уплотнения, изменение пористости песка в зависимости от объёмной плотности, виброуплотняемость песка, изменение газопроницаемости песка в зависимости от объёмной плотности. (см. рис 1-4).

Песок Карасовского карьера представляет собой сыпучее несвязной тело. Уплотнение его можно достичь статическим и динамическим способами. При статическом прессовании закон уплотнения в теории механики грунтом выражается уравнением:

ε₁ – ε₂ = α (Р₂ – Р₁), (1)

где ε₁ , ε₂ – коэффициенты пористости соответственно при давлении Р₂ и Р₁;

α – коэффициент уплотнения (является величиной переменной и определяется тангенсом угла наклона компрессионной кривой). В соответствие с уравнением в случае применения не уплотненных форм при ЛГМ под действием фильтрационных сил газового потока и гидростатического напора металла на границе металл – зазор – форма произойдет деформация песчаной стенки. При этом коэффициент бокового давления будет равен единице и, следовательно, давление песчаной стенки в направлении зазора δ и металла резко возрастет, что приведет к необратимой деформации формы на границе зазор – металл – форма и к браку отливки. Предотвратить деформацию формы можно только в том случае, если форма будет предельно уплотнена, то есть если приращение ε₁ – ε₂ = 0. Однако применение пенополистирола исключает статические методы уплотнения формы, так как это приведет к деформации модели.

Единственным способом уплотнения литейной формы из сыпучих материалов при ЛГМ является динамическое уплотнение вибрацией или встряхиванием. Виброуплотнение сыпучих материалов зависит от массы материала и ускорения частиц при вибрации, которое определяют инерционные силы. Исследования показали, что уплотняемость песка не зависит от направления вектора колебания и при постоянной частоте зависит только от амплитуды. Дифференциальное уравнение виброуплотнения сыпучих материалов имеет вид:

dε/dn = β(ε - ε_∞ ), (2)

где n – отношение ускорения колебаний к ускорению силы тяжести;

ε_∞ - пористость при предельном уплотнении грунта;

β – коэффициент виброуплотняемости песка.

При статическом уплотнении максимальный и минимальный коэффициенты пористости для используемого песка равны: ε₀ = 0,82; ε_∞ = 0,64.

На рисунке 1 приведены зависимости виброуплотняемости песка от отношения ускорения вибрации α к ускорению силы тяжести g. Ускорение вибрации α определяется по формуле:

α= Аω² = А (πn/30)², (3)

где А – амплитуда;

ω – угловая частота колебаний;

n – число оборотов в минуту.

В таблице 1 приведены значения, полученные опытным путем при исследовании виброуплотняемости песка Карасовского карьера при ТОО «КМЗ им. Пархоменко». Исследование проводилось с помощью оборудования предоставленным нам ТОО «КМЗ им. Пархоменко» совместно с руководителем Н.И. Твердохлебовым. Все значения построены на графике виброуплотняемости песка Карасовского карьера на рисунке 1.

Таблица 1 - Исследование виброуплотняемости песка Карасовского карьера

Коэффициент пористости, Е	Число оборотов, n=a/g
0,83	0
0,78	1
0,73	1,75
0,67	2,5
0,64	3,26
0,59	4,5
0,55	7,32
0,54	10

Рисунок 1 - График виброуплотняемости песка

На графике показана экспериментальная линия регрессии (кривая 1).

Расчётная линия регрессии (кривая 2) построена по уравнению y=0,0024x² – 0,0652x + 0,8973 с коэффициентом достоверности R² = 0,9956.

На рисунке 1 виброуплотняемости следует важный вывод: максимальное уплотнение формы из песка вибрацией достигается при соотношении между ускорением вибрации и силой тяжести, равном 6 и более. Это дает возможность по формуле:

n = 6 = А ω²/ g, (4)

подбирать необходимую частоту и амплитуду вибрации для получения максимальной плотности формы из песка при ЛГМ. При частоте колебаний 50 Гц оптимальная амплитуда составляет 0,6мм.

На рисунке 2 представлена зависимость пористости песка используемой марки от объемной плотности. Все полученные результаты занесены в таблицу 2.

График зависимости пористости песка от обьемной плотности.

Рисунок 2 - График зависимости пористости песка от обьёмной плотности

На графике показана экспериментальная линия регрессии (кривая 1).

Расчётная линия регрессии (кривая 2) построена по уравнению y=0,2286x² – 3,1714x + 48,46 с коэффициентом достоверности R² = 0,997.

Из этого следует, что песок имеет минимальную пористость в виду увеличенного содержания глинистой составляющей.

Таблица 2 - Зависимость пористости песка используемой марки от объемной плотности

Пористость, П, %	Объемная плотность, γ, г/см^3
45,5	1,45
43,5	1,51
41,2	1,58
38,4	1,66
36,2	1,72

Газопроницаемость песка в зависимости от плотности представлено на рисунке 3. Все значения приведены в таблице 3. Песок с большей пористостью имеет и большую газопроницаемость.

Таблица 3 - Газопроницаемость песка в зависимости от плотности

Газопроницаемость песка К, см^4/(г*с)	Объемная плотность γ, г/см^3
756	1,454
650	1,508
548	1,567
442	1,623
331	1,676
257	1,718

График зависимости газопроницаемости от плотности песка.

Рисунок 3 - График зависимости газопроницаемости от плотности песка

На графике показана экспериментальная линия регрессии (кривая 1).

Расчётная линия регрессии (кривая 2) построена по уравнению y=2,2143x² – 117,16x + 873,8 с коэффициентом достоверности R² = 0,9987.

Изменение плотности песка в зависимости от времени вибрации на рисунке 4, где видно, что песок хорошо уплотняется вибрацией и уже через 19 секунд достигает его максимальная плотность. Значения приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Изменение плотности песка в зависимости от времени вибрации

Объемная плотность γ, г/см^3	Время уплотнения t, мин
1,47	0
1,52	0,19
1,64	0,38
1,74	0,6

График изменения плотности песка в зависимости от времени вибрации.

Рисунок 4 - График изменения плотности песка в зависимости от времени вибрации

На графике показана экспериментальная линия регрессии (кривая 1).

Расчётная линия регрессии (кривая 2) построена по уравнению y=0,0125x² – 0,0305x + 1,4225 с коэффициентом достоверности R² = 0,9909.

Структурно – механические свойства песка зависят от минералогического состава, размера и формы зерен влажности. Глинистая составляющая уменьшает газопроницаемость песка, влага увеличивает напряжение сдвига, так как появляются силы сцепления. Влажные глинистые пески плохо уплотняются вибрацией и имеют низкую газопроницаемость. Поэтому для литейной формы при ЛГМ на ТОО «КМЗ им. Пархоменко» применяются малоглинистые (менее 2 % глины) пески Карасовского карьера. Структурно – механические и технологические свойства таких песков зависят главным образом от гранулометрического состава и формы зерна.

Литература

1. Специальные способы литья: Справочник / В.А. Ефимов, Г.А. Анисович, В.Н. Бабич и др.; Под общ. Ред. В.А. Ефимова. – М.: Машиностроение, 1991. – 496 с.