Технические науки/ 1. Металлургия

Исагулов А.З., Куликов В.Ю., Щербакова Е.П.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан,         г. Караганда

Прочность и плотность песчано-смоляных смесей при одновременном статическом и термическом воздействии

Настоящая публикация осуществлена в рамках Подпроекта "Создание Международного центра материаловедения", финансируемого в рамках Проекта "Коммерциализация технологий", поддерживаемого Всемирным Банком и Правительством Республики Казахстан. Заявления могут не отражать официальной позиции Всемирного банка и Правительства Республики Казахстан".

Прочность песчано-смоляной смеси зависит от её компонентного состава, физико-механических, реологических и технологических свойств. Компонентный состав – зерновая основа и связующее в свою очередь зависят от минералогических свойств, способов подготовки и дисперсности частиц.

Прочность песчано-смоляных материалов определяется физическими, физико-химическими, химическими силами взаимодействия между дисперсной средой и дисперсной фазой. Физическими (силы Ван-дер-Ваальса) являются силы межмолекулярного взаимодействия, химическими – валентные связи между атомами, физико-химические – силы, возникающие на основе водородных связей. Энергия, затрачиваемая на разрыв химических связей на 2-3 порядка больше физико-химических и физических.

Прочность между отдельными частицами наполнителя зависит от сил когезии и адгезии. Адгезия – связь двух соприкасающихся разнородных фаз, когезия – связь внутри плёнки связующего. Когезия зависит только от поверхностного натяжения жидкости на границе с газовой фазой. Связующий материал при отверждении подвержен процессам поликонденсации. Образовавшийся в процессе отверждения полимер постепенно приобретает трёхмерную пространственную структуру сначала в отдельных (активных) центрах, а потом переходит в сплошной скелет.

Поликонденсация – это химический процесс, при котором химические силы начинают проявлять себя при сближении атомов на расстоянии (1…2)10-10 м [1]. Поэтому образование пространственной структуры сопровождается уменьшением межатомного расстояния. Механическое давление, оказываемое плитой, способствует этому, повышает прочность, но до некоторого предела, поскольку полимер образуется между зёрнами наполнителя, практически неподверженного усадке и в плёнке связующего возникают внутренние напряжения. Под действием внутренних напряжений, достигающих предела прочности плёнок, в полимере развивается механическая деструкция, что ведёт к возникновению микротрещин. Плавление смолы при тепловом воздействии способствует релаксации внутренних напряжений. Но по мере твердения связующего, давление, оказываемое на дисперсную смесь, начинает играть негативную роль для прочности смеси.

В общем виде прочность смесей σ выражается следующей формулой  [1]:

 

                                                σ=k·nк·δп,                                                    (1)

 

где k – коэффициент пропорциональности;

      nк – число контактов между зёрнами дисперсной фазы;

      δп – прочность одного контакта.

Ясно, что число контактов между зёрнами зависит от уплотнения дисперсных материалов. Прочность одного контакта определяется химической природой дисперсной фазы и дисперсной среды.

Плотность смеси в начальный момент можно представить как сумму плотностей составляющих её компонентов. Определяющими здесь будут плотность кварцевого песка, плотность связующего (смолы) и  плотность (объём) воздуха, находящегося в порах, то есть

 

                                     ρсмеси=ρпеска+ρсмолы+ρвнутр. возд.,                                      (2)

 

но так, как необходимо учесть содержание того или иного компонента в смеси, тогда

                                     ρсмеси=a·ρпеска+b·ρсмолы +c·ρвнутр. возд.,                            (3)

 

где a, b, c – коэффициенты содержания компонента в дисперсной смеси.

Изменение плотности смеси из-за внутрипорового воздуха происходит вследствие его удаления и переупаковки сухих зёрен песка и смолы, изменение плотности смолы происходит вследствие заполнения пор и вытеснения воздуха и в дальнейшем выделения летучих, то есть выгорания смолы. Плотность песка остаётся во времени постоянной. Таким образом, можно записать

 

                                     .                   (4)

 

Очевидно, что коэффициент b будет зависеть от скорости выгорания смолы (то есть влияние на него также будет оказывать величина и время температуры термического воздействия на смесь). Коэффициент c зависит от  величины прилагаемого статического давления (от этого зависит скорость удаления внутрипорового воздуха и переупаковки песка). Таким образом, содержание смолы и воздуха в дисперсной смеси будет меняться в процессе её твердения. Коэффициент а будет зависеть от пористости смеси, то есть удаления воздуха, а, значит, от приложенной нагрузки. Тогда можно записать

 

                ρсмеси=(a+s·τ)·ρпеска+(b+dс·τ)·ρсмолы+(c+e·τ)·ρвнутр. возд.,               (5)

 

где dс – скорость изменения содержания смолы в смеси,

 

                                                       d=bк-bo/τ;                                                   (6)

 

      e – скорость изменения содержания воздуха в смеси,

 

                                                      е=ск-со/τ;                                                     (7)

 

      s – скорость изменения процентного содержания песка в смеси,

 

                                                      s=aк-ан/τ;                                                     (8)

 

     ак, ан, bo, bк, со, ск – начальное и конечное содержание песка, смолы и воздуха в смеси соответственно;

      τ – время твердения смеси.

Очевидно, что коэффициенты могут иметь отрицательное значение. В общем случае изменение плотности смеси за счет изменения плотности смолы во время твердения дисперсной смеси, можно определить, введя коэффициенты изменения плотности легкоплавкого связующего во времени. Окончательно будем иметь:

 

                ρсмеси=(a+s·τ)·ρпеска+(b+dс·τ)·/ρн.смолы+ к·τ /+(c+e·τ)·ρвнутр. возд.,       (9)

 

где ρн. смолы  – начальная плотность связующего (смолы);

      к – коэффициент изменения плотности смолы во времени, определяемый как

 

                                        к=ρк. смолы -ρн. смолы /τ,                                              (10)

 

где ρк. смолы, – конечные значения плотности смолы,

      τ– время, в течение которого происходили изменения плотности.

Сравнение практических данных с теоретическим расчётами приведены на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Сравнение практических и теоретических данных

изменения плотности смеси во время твердения

При теоретических расчётах не учитывалось изменение плотности смолы в процессе плавления. При расчётах использовались следующие данные: ρпеска=1580 кг/м3; ρсмолы=350 кг/м3; ρвоздуха=1,3 кг/м3; а=0,8; b=0,05; c=0,15; s=0,005; d=0,0003; e=0,004 (коэффициенты определены для давления Р=0,1 МПа, время нагрева смеси τ – 30 с). Сравнение теоретических и экспериментальных данных даёт вполне приемлемые результаты.

Экспериментально доказано, что приложение нагрузки             (0,18…0,22 МПа) в процессе твердения песчано-смоляной смеси значительно повышает чистоту внутренней поверхности формы, повышает её механические свойства (прочность) и плотность, снижает количество пригара на отливках.

 

Список использованных источников

1. Гуляев Б.Б., Корнюшкин О.А., Кузин А.В. Формовочные процессы. – Л.: Машиностроение, 1987, 264 с.