Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами

Изучены физико-механические и эксплуатационные свойства алюмосиликатных противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированным бемитом.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2013
Автори: Кукуй, Д.М., Рудницкий, Ф.И., Николайчик, Ю.А.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2013
Назва видання:Металл и литье Украины
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/132898
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами / Д.М. Кукуй, Ф.И. Рудницкий, Ю.А. Николайчик // Металл и литье Украины. — 2013. — № 4. — С. 17-21. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-132898
record_format dspace
spelling irk-123456789-1328982018-05-15T03:03:19Z Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами Кукуй, Д.М. Рудницкий, Ф.И. Николайчик, Ю.А. Изучены физико-механические и эксплуатационные свойства алюмосиликатных противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированным бемитом. Вивчено фізико-механічні та експлуатаційні властивості алюмосилікатних протипригарних покриттів, модифікованих наноструктурованим бемітом. The physical-mechanical and performance properties of aluminosilicate refractory coatings, modified nanostructured boehmite are investigated. 2013 Article Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами / Д.М. Кукуй, Ф.И. Рудницкий, Ю.А. Николайчик // Металл и литье Украины. — 2013. — № 4. — С. 17-21. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/132898 621.744.079 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Изучены физико-механические и эксплуатационные свойства алюмосиликатных противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированным бемитом.
format Article
author Кукуй, Д.М.
Рудницкий, Ф.И.
Николайчик, Ю.А.
spellingShingle Кукуй, Д.М.
Рудницкий, Ф.И.
Николайчик, Ю.А.
Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами
Металл и литье Украины
author_facet Кукуй, Д.М.
Рудницкий, Ф.И.
Николайчик, Ю.А.
author_sort Кукуй, Д.М.
title Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами
title_short Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами
title_full Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами
title_fullStr Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами
title_full_unstemmed Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами
title_sort исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами
publisher Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate 2013
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/132898
citation_txt Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами / Д.М. Кукуй, Ф.И. Рудницкий, Ю.А. Николайчик // Металл и литье Украины. — 2013. — № 4. — С. 17-21. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series Металл и литье Украины
work_keys_str_mv AT kukujdm issledovaniefizikomehaničeskihiékspluatacionnyhsvojstvprotivoprigarnyhpokrytijmodificirovannyhnanostrukturirovannymimaterialami
AT rudnickijfi issledovaniefizikomehaničeskihiékspluatacionnyhsvojstvprotivoprigarnyhpokrytijmodificirovannyhnanostrukturirovannymimaterialami
AT nikolajčikûa issledovaniefizikomehaničeskihiékspluatacionnyhsvojstvprotivoprigarnyhpokrytijmodificirovannyhnanostrukturirovannymimaterialami
first_indexed 2025-07-09T18:13:11Z
last_indexed 2025-07-09T18:13:11Z
_version_ 1837194067739410432
fulltext 1� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’20131� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 УДК 621.744.079 Д. М. Кукуй, Ф. И. Рудницкий, Ю. А. Николайчик Белорусский национальный технический университет, Минск (Республика Беларусь) Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств противопригарных покрытий, модифицированных наноструктурированными материалами Изучены физико-механические и эксплуатационные свойства алюмосиликатных противопригарных покры- тий, модифицированных наноструктурированным бемитом. Ключевые слова: отливка, пригар, покрытие, наноструктура, модификатор, бемит И зготовление высококачественных отливок с низ- кой себестоимостью – главная задача литей- щиков�� Ее решение возможно прежде всего при условии получения поверхности отливок надле- жащей чистоты и без литейных дефектов�� Несмотря на достаточно богатую научную базу, накопленную учеными-литейщиками по изучению природы обра- зования дефектов поверхности отливок и разносто- ронние подходы к их профилактике, большинство исследователей сходятся во мнении, что при прочих равных условиях для обеспечения высокого качест- ва поверхности отливок (практически при любом тех- нологическом способе их изготовления) применение противопригарных покрытий – одно из самых эффек- тивных средств [1-3]�� Сегодня насчитывают более 400 различных со- ставов противопригарных покрытий, которые приме- няют в практике литейных цехов�� Однако, в опреде- ленных случаях, даже при высокой цене поставки, они не всегда обеспечивают требуемый противопри- гарный эффект�� С целью совершенствования технологии получе- ния и применения эффективных противопригарных покрытий в настоящей работе проведены исследо- вания физико-механических (технологических) и экс- плуатационных (высокотемпературных) свойств про- тивопригарных покрытий при их модифицировании наноструктурированными материалами�� В составе таких покрытий использованы следующие компо- ненты: базовый наполнитель – высокоогнеупорный алюмосиликат (Al2O3∙SiO2), фракции 30-50 мкм; свя- зующее – поливинилацетатная дисперсия (ПВАД); дисперсионная среда – водный раствор алифати- ческого изопропилового спирта (АИПС)�� В качестве модификатора использован тонкодисперсный мате- риал – наноструктурированный бемит (AlOOH), полу- чаемый путем гидротермального синтеза�� Результаты исследований образцов нанострукту- рированного бемита, которые получены с использо- ванием атомно-силовой и трансмиссионной микро- скопии материала, дали возможность установить, что он представляет собой ультрадисперсный порошок волокнистого строения, состоящий из микроагломе- ратов размером от 1 до 3 мкм (рис�� 1, а)�� Структура волокон представлена очень тонкими разупорядо- ченными пластинчатыми частицами средним разме- ром 50-150 нм (рис�� 1, б), кристаллическая структура которых неоднородна и представлена как изолиро- ванными монокристаллами, так и агрегатами с силь- но аморфизированной кристаллической решеткой�� Эти исследования дали возможность предполо- жить, что такое тонкое строение материла (нано- структурированного бемита) должно сказаться на физико-механических и эксплуатационных свой- ствах противопригарных покрытий�� В результате экспериментов по исследованию технологических свойств, которые проведены по ме- тодике согласно ГОСТ 10772-78, а также аппрокси- Рис. 1. Топография поверхности (а) и наноструктура (б) бемита а б 1� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’20131� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 мации численных значений результатов эксперимен- тов полиномами установили зависимости 1��1-1��5, описывающие свойства покрытия при изменении концентрации наноструктурированного бемита: δ = 0,0203x3 – 0,1268x2 + 0,2563x + 0,5762; (1��1) h = – 0,0031x3 + 0,0212x2 – 0,0723x + 0,5312; (1��2) η = 0,2444x3 – 1,5369x2 + 3,1853x + 21,252; (1��3) σ = – 0,162x2 + 0,894x + 1,9373; (1��4) C = – 0,0833x2 + 1,15x + 96,008, (1��5) где δ – толщина красочного слоя, мм; h – проника- ющая способность, мм; η – вязкость, с; σ – прочность слоя покрытия к истиранию, кг/мм; С – седимента- ционная устойчивость покрытия, %; х – концентрация наноструктурированного модификатора, %�� Рассчитанные значения коэффициентов детер- минации для уравнений 1��1-1��5 (таблица) свидетель- ствуют о том, что установленные закономерности достаточно точно описывают изменение свойств противопригарного покрытия в зависимости от со- держания наноструктурированного бемита�� Анализ результатов экспериментов подтвержда- ет, что увеличение концентрации наномодификато- ра приводит к более интенсивному росту вязкости�� Такие изменения связаны с тем, что наномодифи- катор частично адсорбирует воду, входящую в со- став растворителя, а также требует повышенного расхода жидких составляющих покрытия, идущих на смачивание его высокой удельной поверхности�� При увеличении концентрации наноструктурированного модификатора от 1 до 5 % вязкость покрытия при- нимает значения от 20,56 до 23,85 с, что в свою оче- редь определяет изменение толщины слоя покрытия (от 0,73 до 1,22 мм) и проникающей способности от (0,45 до 0,31 мм)�� Установлено, что при введении в состав композиции наноструктурированного беми- та, обладающего высокой удельной поверхностью, происходит повышение вязкости противопригарно- го покрытия и формирование структурированного коллоидного раствора, в котором созданы условия, препятствующие оседанию наполнителя�� При кон- центрации наноструктурированного бемита 5 % се- диментационная устойчивость возрастает до 99 %�� Изучение прочности противопригарных покрытий подтверждает, что введение оптимального коли- чества наноструктурированного модификатора дает возможность повысить прочность противопригарных покрытий на истирание до 3,2 кг/мм�� Установлено, что увеличение концентрации наноструктурирован- ного бемита более 5 % снижает прочность покры- тий до недопустимо минимальных значений – 0,4 кг/мм�� Анализ морфологии противопригарных покрытий с использованием метода электронной микроско- пии (рис�� 2) подтвердило, что изменение прочности связано с качественным преобразованием их микро- структуры�� На рис�� 2 видно, что модифицированное нано- структурированным бемитом покрытие, обладающее в жидком состоянии более высокой однородностью, формирует при отверждении пленки с большим чис- лом адгезионных контактов между наполнителем и связующим�� При концентрации наноструктуриро- ванного бемита в пределах до 5 % происходит его усвоение в полимерной матрице связующего, тем самым повышается когезионная прочность манжет связующего�� В итоге, модифицированное покрытие приобретает более высокие проч- ностные характеристики�� Исследование эксплуатацион- ных свойств противопригарного покрытия, модифицированного на- ноструктурированным бемитом, проводили с использованием тех- нологических проб «ступенчатая плита»�� Проба представляет со- бой плиту переменного контура, без внутренних полостей и под- нутрений�� Ступенчатое изменение Достоверность аппроксимации результатов экспериментов физико- механических свойств покрытия математическими зависимостями 1.1-1.5 Свойство покрытия зависимость Коэффициент детерминации R² Толщина красочного слоя, мм 1��1 0,9733 Проникающая способность, мм 1��2 0,9855 Вязкость, с 1��3 0,9846 Прочность к истиранию, кг/мм 1��4 0,9332 Седиментационная устойчивость, % 1��5 0,9891 Рис. 2. Микроструктура противопригарных покрытий: без модификатора, ×500 (а); без модификатора, ×5000 (б); модифицированное, ×500 (в); модифицированное, ×5000 (г) а б в г 1� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’20131� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 вертикального размера стенки дает возможность изучить степень развития процессов контактного взаимодействия расплава и литейной формы, а так- же вероятность образования дефектов поверхности в зависимости от его значения (толщина стенки из- меняется от 10 до 50 мм)�� В результате экспериментов установлено (рис�� 3), что на всех поверхностях «ступенчатой плиты», окрашенной противопригарным покрытием, моди- фицированным наноструктурированным бемитом, пригар отсутствует�� В питателе со стороны окрашенной формы об- разуется усадочная раковина�� На поверхности от- ливок без покрытия при увеличении толщины стен- ки от 10 до 50 мм площадь отливки, пораженная пригаром, увеличивается от 15 до 75 % соответ- ственно, кроме того в отливке, на площадке с тол- щиной стенки 50 мм, со стороны верхней полуфор- мы образуется сосредоточенная усадочная рако- вина�� Компьютерное моделирование процессов, про- исходящих в литейной форме (рис�� 4), проведенное при начальных и граничных условиях, соответству- ющих натурному эксперименту, дало возможность проанализировать причины образования пригара и усадочных дефектов�� Установлено, что в процессе заполнения ли- тейной формы расплавом (который происходит за 3,7 с) изменение температуры в контрольных точ- ках на ступенях пробы с толщиной стенки отливки 10-50 мм носит скачкообразный характер�� В неокра- шенной части литейной формы в контрольных точ- ках на ступенях с различной толщиной стенки тем- пература достигала значений от 1281 °С (толщина стенки 10 мм) до 1298 °С (толщина стенки 50 мм) (рис�� 4, а)�� В части литейной формы, защищенной противопригарным покрытием, модифицированным наноструктурированным бемитом, наблюдали аналогичное скачко- образное увеличение температу- ры, однако ее максимум во всех контрольных точках не превышал 1149 °С (формы заливали СЧ-20, температура заливки 1320 °С)�� Расчет процесса затвердевания расплава показал, что темп за- твердевания отливки, получаемой в неокрашенную форму, более ин- тенсивен – падение температуры до 1000 °С происходит за 285, 495 и 560 с (для участков с толщиной стенки 10, 30, 50 мм соответствен- но), в то же время, в окрашенной форме температура падает до это- го же значения более медленно (350, 580 и 690 с)�� Такой характер изменения температуры приводит к тому, что прилегающие слои не- окрашенной части литейной фор- мы прогреваются до более высо- ких температур и на большую глубину, чем в части литейной формы, окрашенной противопригарным покрытием, модифицированным наноструктурированным бе- митом, при этом граница раздела «отливка – литейная форма» размывается и не имеет четких очертаний [4]�� Температура поверхностных слоев не- окрашенной литейной формы превышает температу- ру солидус расплава (Тсол = 1163,1 °С), что согласно [3-8] дает ему возможность фильтроваться в капил- ляры литейной формы и при полном затвердевании образовывать на поверхности отливки металлизи- Рис. 4. Результаты моделирования: распределение температуры в форме в процессе: заполнения (а), затвердевания (продольное сечение) (б), затвердевания (поперечное се- чение) (в); места вероятного образования усадочных дефектов (г) а б в г Рис. 3. Отливка «ступенчатая плита»: вид снизу (а); вид свер- ху (б); 1 – отливка, полученная в неокрашенную форму; 2 – отлив- ка, полученная в окрашенную форму противопригарным покры- тием, модифицированным наноструктурированным бемитом а б 21 Пригар Усадочная раковина 12 20 21МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’201320 21МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 рованный пригар�� Кроме того, высокие температуры контактной зоны формы определяют возможность интенсивного протекания химических реакций вза- имодействия оксидов расплава с материалом ли- тейной формы, в результате чего образуется хими- ческий пригар�� Анализ микроструктуры приповерх- ностных зон отливок «ступенчатая плита» подтвер- дил (рис�� 5), что в приповерхностной зоне отливки, полученной в неокрашенную форму, присутствуют включения кварцевых песчинок, плакированных си- ликатной фазой (рис�� 5, а, б)�� В исследованных образцах отливок, полученных с применением противопригарного покрытия, моди- фицированного наноструктурированным бемитом, инородных включений не обнаружено (рис�� 5, в, г)�� Таким образом, причинами образования пригара на отливке, полученной в неокрашенную форму, явля- ются высокие температуры контактных слоев ли- тейной формы и связанное с этим интенсивное развитие процессов контактного взаимодействия�� При использовании противопригарного покрытия, модифицированного наноструктурированным беми- том, на пути теплового потока, направленного в ли- тейную форму, создается дополнительное высокое термическое сопротивление, что дает возможность снизить на нее тепловую нагрузку и, как следствие, предотвратить развитие процессов контактного взаимодействия и тем самым защитить отливку от пригара�� Исходя из анализа динамики образования усадочных дефектов (рис�� 4, г) можно сделать вы- вод о том, что разница во времени затвердевания отливок, получаемых в окрашенную и неокрашен- ную части литейной формы, дает возможность расплаву из литниковой системы питать место об- разования сосредоточенной усадочной раковины и тем самым сместить место ее образования из от- ливки в литниковую систему�� Выводы 1�� В результате проведенных исследований изу- чена структура и свойства наноструктурированного бемита – модификатора противопригарных покры- тий�� Установлено, что материал представляет собой Рис. 5. Микроструктура приповерхностных зон отливок «ступенчатая плита»: в неокрашенную форму (а, б); в форму, окрашенную противопригарным покрытием, модифицированным наноструктурированным бемитом (в, г); (а, в), ×330; б, ×2000; г, ×820 а б в г ультрадисперсный порошок волокнистого строения, состоящий из микроагломератов размером от 1 до 3 мкм�� Структура волокон состоит из очень тонких разупорядоченных пластинчатых частиц средних размеров (50-150 нм), кристаллическая структура которых неоднородна и представлена как изолиро- ванными монокристаллами, так и агрегатами с силь- но аморфизированной кристаллической решеткой�� 2�� Изучены физико-механические свойства про- тивопригарного покрытия, модифицированного на- ноструктурированным бемитом, и установлены ма- тематические закономерности их формирования�� Показано, что при оптимальной концентрации (до 5 %) наноструктурированного бемита в составе по- крытия его прочность на истирание повышается до 3,2 кг/мм, что связано с изменением микрострукту- ры покрытий, повышением когезионной прочности манжет связующего и увеличением числа адгезион- ных контактов «связующее – огнеупорный наполни- тель»�� Установлено, что увеличение концентрации наномодификатора приводит к более интенсивно- му росту вязкости�� На основании результатов ис- следований определена предельно максимальная концентрация наноструктурированного бемита, ко- торая составляет 5 %�� Показано, что модифициро- ванное покрытие обладает более высокой седимен- тационной устойчивостью�� 3�� Исследование эксплуатационных свойств (эф- фективности) противопригарного покрытия с ис- пользованием технологической пробы «ступенчатая плита» дало возможность установить, что покры- тие позволяет получать отливки с толщиной стен- ки 10-50 мм с чистой поверхностью и без литейных дефектов�� Установлено, что противопригарное по- крытие, модифицированное наноструктурирован- ным бемитом, создает в контактной зоне «расплав – литейная форма» высокое термическое сопротив- ление, а это снижает тепловую нагрузку на литейную форму и, как следствие, предотвращает процессы капиллярной фильтрации расплава, а также исклю- чает протекание химико-термических реакций взаи- модействия оксидов расплава и материала формы, являющихся первопричинами образования пригара на поверхности отливок�� 20 21МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’201320 21МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 4 (239) ’2013 ЛИТЕРАТУРА 1�� Оболенцев Ф. Д. Качество литых поверхностей�� – М��: Машгиз, 1961�� – 183 с�� 2�� Сварика А. А. Покрытия литейных форм�� – М��: Машиностроение, 1977�� – 216 с�� 3�� Валисовский И. В. Пригар на отливках�� – М��: Машиностроение, 1983�� – 192 с�� 4�� Цибрик А. Н. Физико-химические процессы в контактной зоне металл-форма�� – К��: Наук�� думка, 1977�� – 211 с�� 5�� Валисовский И. В. Исследование некоторых поверхностных явлений на границе раздела жидкий металл – литейная форма // Сб�� науч�� тр�� ЦНИИТМАш�� – 1960�� – № 6�� – С�� 56-57�� 6�� Валисовский И. В., Чеботарев И. Е. Поровая структура формовочных смесей // Литейн�� произв-во�� – 1979�� – № 12�� – С�� 11-13�� 7�� Куманин И. Б. Вопросы теории литейных процессов�� – М��: Машиностроение, 1976�� – 216 с�� 8�� Васильев В. А. Физико-химические основы литейного производства�� – М��: Изд-во МГТУ, 1994�� – 320 с�� Кукуй Д. М., Рудницький Ф. І., Ніколайчик Ю. А. Дослідження фізико-механічних та експлуатаційних властивостей протипригарних покриттів, модифікованих наноструктурованими матеріалами Вивчено фізико-механічні та експлуатаційні властивості алюмосилікатних протипригарних покриттів, модифікова- них наноструктурованим бемітом. Анотація Kukui D. М., Rudnitski F. I., Nikolaichik Yu. А The investigations of physical-mechanical and performance properties оf the refractory coatings modified by nanostructured materials The physical-mechanical and performance properties of aluminosilicate refractory coatings, modified nanostructured boehmite are investigated. Summary cast, burnt-on, coat, nanostructure, modificator, boehmiteKeywords Поступила 28��03��13 відливка, пригар, покриття, наноструктура, модифікатор, бемітКлючові слова ВНИМАНИЮ АВТОРОВ! В редакцию журнала «Металл и литье Украины» принимаются рукописи на русском языке и при наличии номера УДК�� Статьи обязательно должны содержать на 3-х языках (русском, украинском и английском) фамилии, имена, отчества авторов, название статьи, аннотации, ключевые слова