Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЯ НА СТРУКТУРУ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Гильманшина Т.Р. 1 Ковалева А.А. 1 Борисюк В.А. 1
1 Сибирский федеральный университет
В работе исследовано влияние качества графита на свойства водного противопригарного покрытия и структуру отливок из алюминиевых сплавов. Для исследований выбран скрытокристаллический графит месторождений Красноярского края. Показано, что замена природного графита (марка ГЛС-2) на активированный в планетарно-центробежной мельнице (марки ГЛС-2А) улучшает свойства противопригарного покрытия (а именно, седиментационную устойчивость и приведенную прочность), увеличивает плотность и вязкость покрытия, что влечет за собой уменьшение расхода твердых компонентов. Получаемые в структуре отливок, изготовленных в песчано-глинистых формах с покрытием на основе ГЛС-2, дендриты имеют направленное строение, а при использовании в составе покрытия активированного графита дендритная структура одинакова во всех направлениях. Противопригарные покрытия с активированным графитом можно рекомендовать для применения.
графит
противопригарные покрытия
активированный графит
структура
1. Влияние механических воздействий на физико-химические процессы в твердых телах : монография [Текст] / В.А. Полубояров, О.В. Андрюшкова, И.А. Паули, З.А. Коротаева. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. – 604 с. (Серия «Монография НГТУ»).
2. Высококонцентрированные водно-глинистые суспензии [Текст] / В.П. Бычков, Н.А. Осипова, Н.А. Кидалов, Н.Б. Зубкова // Литейное производство. – 2000. – № 4. – С. 20–21.
3. Гильманшина Т.Р. Разработка способов повышения качества литейного графита отдельными и комплексными методами активации [Текст] / Т.Р. Гильманшина // автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Южно-Уральский государственный университет. – Красноярск, 2004.
4. Илларионов И.Е. Жидкостекольные смеси, отверждаемые продувкой углекислым газом [Текст] / И.Е. Илларионов, Н.В. Петрова // Тр. Нижегород. гос. техн. ун-та им. Р. Е. Алексеева. – 2011. – № 2(87). – С. 208–213.
5. Кавицкий М.А. Ногинское месторождение гра­фита: отчет [Текст] / М.А. Кавицкий, А.В. Поспелов. – Красноярск, 1971–1977. – 50 с.
6. Крушенко Г.Г. Противопригарные покрытия литейных форм и стержней, содержащие нанопорошки тугоплавких химических соединений [Текст] / Г.Г. Крушенко, В.В. Москвичев, А.Е. Буров // Тяжелое машиностроение. – 2007. – № 6. – С. 31–33.
7. Кукуй Д.М. Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси [Текст] / Д.М. Кукуй, Н.В. Андриянов. – Минск: БНТУ, 2005. – 390 с.
8. Леушин И.О. Разработка эффективных противопригарных покрытий литейных форм на основе алюмошлаковых наполнителей [Текст] / И.О. Леушин, А.Н. Грачев // Литейное производство. – 2002. – № 4. – С. 13–14.
9. Литейные формовочные материалы: справочник [Текст] / А.Н. Болдин, Н.И. Давыдов, С.С. Жуковский [и др.]. – М.: Машиностроение, 2006. – 507 с.
10. Лыткина С.И. Разработка и исследование противопригарных покрытий для чугунного литья на основе химически и механохимически активированных графитов / Лыткина С.И. диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Сибирский федеральный университет. – Красноярск, 2013.
11. Мельников И.И. Состояние и перспектива развития сырьевой базы графита СССР [Текст] / И.И. Мельников, В.С. Веселовский. – М.: ВНИИМС, 1967. – Вып. 9.
12. Наноструктурированные графитсодержащие изделия: монография [Текст] / Л.И. Мамина, В.Н. Баранов, Т.Р. Гильманшина [и др.]. – Красноярск, 2013.
13. О возможности применения окисленных и расширенных кристаллических графитов в литейном производстве [Текст] / Т.Р. Гильманшина, Л.И. Мамина, Г.А. Королева, А.И. Безруких // Металлургия машиностроения. – 2007. – № 6. – С. 22.
14. Противопригарное покрытие для литейных форм и стержней // Мамина Л.И., Баранов В.Н., Гильманшина Т.Р., [и др.]. Патент на изобретение RUS 2368450 29.12.2007.
15. Разработка водных и быстросохнущих противопригарных покрытий [Текст] / Т.Р. Гильманшина, В.Г. Бабкин, В.Н. Баранов [и др.] // Литейное производство. – 2015. – № 6. – С. 15–17.
16. Разработка технологии получения новых марок литейного скрытокристаллического графита [Текст] / Гильманшина Т.Р., Безруких А.И., Мамина Л.И. [и др.] // Литейщик России. – 2007. – № 11. – С. 43–47.
17. Способы повышения качества литейного графита отдельными и комплексными методами активации [Текст] / Л.И. Мамина, Т.Р. Гильманшина, В.И. Новожонов [и др.] // Сибирский федеральный университет, Институт цветных металлов и материаловедения. – Красноярск, 2011.
18. Структура и свойства алюминиевых сплавов [Текст] / Мондольфо Л.Ф. Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1979. – 640 с.
19. Томилин В.Н. Графиты и угли Туруханского края [Текст] / В.Н. Томилин // Горный журнал. – 1992. – № 6–9. – С. 274–294.
20. Уббелоде А. Р. Графит и его кристаллические соединения [Текст] / А.Р. Уббелоде, Ф.А. Льюис. – М.: Мир, 1965. – С. 256.
21. Химико-механическая подготовка скрытокристаллического графита к дальнейшей переработке [Текст] / Т.Р. Гильманшина, С.И. Лыткина, В.П. Жереб, Г.А. Королева // Обогащение руд. – 2016. – № 2 (362). – С. 14–19.
22. Focus Graphite Inc. – Lac Knife Project, Project #1868 Technical Report NI 43-101 – October 30, 2012 (http://www.infomine.com/index/pr/pb268588.pdf).
23. Gao, Wei Engineered Graphite Oxide Materials for Application in Water Purification / Wei Gao, Mainak Majumder, Lawrence B. Alemany, Tharangattu N. Narayanan, Miguel A. Ibarra, Bhabendra K. Pradhan, and Pulickel M. Ajayan // ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 1821–1826 (http://www.ludiserv.com/zenos/docu/Engineered %20Graphite %20Oxide %20Materials %20for %20Application %20in %20Water %20Purification.pdf).
24. Gurin I.V. High-puritycarboncompositematerials / I.V. Gurin, V.A. Gurin, Yu. A. Gribanovandetc. // PASТ. – 2014. – № 1(89). – Р. 16–20.
25. Vasumathi N. Single Reagent for Graphite Flotation / N. Vasumathi, T.V. Vijaya Kumar, S. Ratchambigaiand etc. // Proceedings of the ХIII International Seminar on Mineral Processing Technology (MPT-2013). – 2013. – Р. 145–153.

В настоящее время в России и за рубежом разработано достаточно большое количество составов противопригарных покрытий, многие из которых имеют ограниченную область применения [2–8, 12].

Основным наполнителем противопригарных покрытий для чугуна и цветного литья является скрытокристаллический графит, запасы которого в России практически все сосредоточены в Сибири (Красноярский край). Совокупные запасы этого графита, расположенные в трех зарегистрированных месторождениях Тунгусского бассейна (Ногинское, Курейское, Фатьяниховское) и в отдельных графитопроявлениях, оцениваются в сотни миллионов тонн.

В одной из первых публикаций [19] показано, что графит Курейского месторождения является аморфным, представляющим собой измененные угли и встречающимся как рассеянный в осадочных породах, так и в сплошных массах. Содержание минералов-примесей может достигать 60 %, однако в среднем составляет 7–25 %. Содержание минералов кальцита и кварца в графите колеблется в пределах от 5 до 50 %. Растворимая в серной кислоте форма железа для Курейского – 3,62 % [1, 5, 11, 22–25].

К числу наиболее перспективных способов подготовки графитов можно отнести химическую активацию, в ходе которой изменяются фазовый и элементы состава графита, параметры кристаллической решетки [16, 17, 21].

Поэтому целью данной работы было исследовать возможность применения химически активированного графита в составах противопригарных покрытий, позволяющих получать отливки геометрической точности с надлежащей чистотой поверхности.

Для исследований выбрано водное графито-бентонитовое покрытие, состав которого описан в работах [14, 15].

В качестве наполнителя в покрытиях использовали природный скрытокристаллический марки ГЛС-2 и химически активированные графиты марок ГЛС-2О графиты Курейского месторождения и ГЛ-1О Завальевского месторождения. Технология химической активации графита описана в работе [13].

Для графитов, активированных химическим способом, характерно небольшое увеличение межплоскостного расстояния: с 3,344 до 3,364 A для скрытокристаллического графита и с 3,13858 до 3,34906 A для кристаллического графита из-за внедрения соединений серы; тип сингонии при этом не изменяется.

При нагреве графита в области высоких температур наблюдаются два экзотермических эффекта (рис. 1–4), связанных с окислением графита. При этом в ходе исследования структурных параметров было выявлено, что в графите присутствует только одна модификация. Первый эффект объясняется горением «свободного» графита, т.е. тех частиц, которые не связаны с примесными фазами. Появление второго эффекта объясняется тем, что в процессе высокотемпературного обжига часть примесей разлагается (пирит окисляется до оксида железа (III) в области 450–500 °С, кальцит разлагается до оксида кальция в области 800–1 000 °С и т.д.), тем самым разрушая сростки и высвобождая частицы графита для дальнейшего его окисления.

gilm1.tif

Рис. 1. Кривые ДСК графита ГЛС-2

gilm2.tif

Рис. 2. Кривая ДСК графита ГЛС-2О

gilm3.tif

Рис. 3. Кривая ДСК графита ГЛ-1

gilm4.tif

Рис. 4. Кривая ДСК графита ГЛ-1О

При нагреве химически активированного графита происходит существенное сближение первого и второго экзотермических эффектов. Это связано с тем, что серная кислота, проникает в слои графита, реагируя с примесными фазами [10].

При исследовании кристаллического природного и химически активированного графитов видно, что при температуре 50–100 °С наблюдается экзотермический пик, характерный для удаления воды из графита.

Основной пик, связанный с процессом окисления графита, наблюдается при температуре 1 000 °С, основной пик химически активированного графита – 940 °С.

Анализ фазового состава показал, что соединения пирита (или сульфит железа), характерные для природного графита, в химически активированном графите не обнаружены. Взамен них в графите присутствует комплексное соединение углерода, водорода, серы.

Плотность контролировали ареометрическим методом, седиментационную устойчивость и приведенную прочность оценивали по ГОСТ 17022–78. Вязкость покрытий контролировали по вискозиметру ВЗ-4, ГОСТ 8470–74.

Результаты исследований представлены в таблице.

gilm5a.tif

gilm5b.tif

gilm5c.tif

а

б

в

Рис. 5. Структура алюминиевого сплава, полученного при применении покрытия различного качества: а – без покрытия; б – покрытие на основе ГЛС-2О; в – покрытие на основе ГЛ-1О

Замена природного графита на химически активированный существенно улучшает свойства противопригарного покрытия. Так, расход воды увеличивается с 60 до 100–140 %, вязкость – с 7 до 15–18 с, седиментационная устойчивость (через 3 ч) – с 75 до 96–98 %, приведенная прочность – с 75 до 750–2500 и более г песка/мм покрытия. При этом седиментационная устойчивость покрытий на графите ГЛ-1О ниже, чем на графите ГЛС-2О, т.к. частицы графита ГЛ-1О имеют больший размер, чем графита ГЛС-2О, что и приводит к их более быстрому осаждению.

Свойства покрытия на графитах различного качества (плотность 1400 кг/м3)

Свойства

Наполнитель

ГЛС-2

ГЛС-2О

ГЛ-1О

Расход воды (сверх 100 %), %

60

100

140

Вязкость, с

7

15

18

Седиментационная устойчивость, % через ч:

     

0,5

98

98

98

1

85

98

96

3

75

98

96

24

65

94

91

Приведенная прочность, г песка/мм покрытия

340

5 000

750

Предлагаемое покрытие покровное: толщина покровного слоя составляет – 2,0–2,2 мм, проникающего 0,3–0,5 мм.

Покрытия на графитах ГЛС-2 и ГЛС-2О ложатся ровно, без отеков. Нанесение покрытия ГЛ-1О связано с некоторыми трудностями из-за больших размеров частиц графита.

Исследование термостойкости показывает, что оценить термостойкость покрытий при помощи полусфер не представляется возможным. Термостойкость покрытий на графите ГЛС-2 удовлетворительная. После прокалки покрытие на основе ГЛС-2О имеет небольшие поры и трещины, появление которых связано с тем, что в процессе прокалки частицы графита начинают расширяться. Коэффициент вспучивания скрытокристаллического графита незначителен и, как правило, не превышает 1,3–1,5, что и приводит к появлению трещин на поверхности полусфер. Образование пор на поверхности покрытия связано с удалением инородных атомов или групп типа -ОН, -О, -О-, которые вступают во взаимодействие с краевыми дефектами структуры, а также удаляются газообразные соединения (SO3и SO2), которыми насыщается графит во время окисления.

Таким образом, замена природного графита на химически активированный способствует повышению свойств покрытий.

Опытно-промышленные испытания предложенных покрытий были проведены на ОАО «РМЗ «Енисей»». Для исследований были выбраны отливки из алюминиево-магниевого сплава. Вес отливки составляет 80 кг. Формы изготавливали из жидкостекольных смесей, покрытие наносилось при помощи пульверизатора.

При использовании графитового покрытия в структуре отливок наблюдается слой дендритов, вытянутых в одном направлении. Это, вероятно, связано с увеличением теплоотвода от отливки, полученной в форме, окрашенной предлагаемым покрытием на химически активированном графите, по сравнению с отливкой, полученной в форму с покрытием на основе ГЛС-2. Поскольку слой покрытия небольшой, то и толщина слоя кристаллов, растущих в одном направлении перпендикулярном стенкам отливки, составляет 200–250 мкм.

Нельзя исключать и возможность образования и эвтектических соединений типа Al + C4Al3, которые по своему составу близки к чистому алюминию, а температура плавления таких соединений практически совпадает с температурой плавления алюминия [18], однако вероятность их образования очень мала из-за большой скорости кристаллизации. Данные соединения, а также частицы графита могут выступать и в качестве центров кристаллизации.

При использовании в составе покрытия графита ГЛС-2О и ГЛ-1О (рис. 5) структура алюминия выглядит одинаково во всех направлениях. Можно предположить, что на поверхности частиц графита, а также между базисными плоскостями находятся атомы окислителя, препятствующие кристаллизации алюминия на частицах графита. Частицы окисленного графита не являются центрами кристаллизации и создают изотропную структуру отливки.

Различия в размерах отдельных включений можно объяснить различными теплофизическими свойствами кристаллического (ГЛ-1) и скрытокристаллического (ГЛС-2) графитов. Известно, что кристаллический графит обладает меньшей тепловодностью и, вероятно, покрытие на его основе будет также обладать меньшей теплопроводностью по сравнению с покрытием на основе скрытокристаллического графита [20].

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что покрытия на химически активированных графитах могут быть рекомендованы для дальнейших исследований.


Библиографическая ссылка

Гильманшина Т.Р., Ковалева А.А., Борисюк В.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЯ НА СТРУКТУРУ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2017. – № 2. – С. 17-22;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36578 (дата обращения: 19.05.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674