Формирование поверхности отливки при литье по выплавляемым моделям в первую очередь зависит от структуры и свойств формообразующей поверхности. При литье в разовые керамические формы это неоднородная пористая среда. Литейная керамика структурируется из хаотического состояния огнеупорной суспензии. На первом слое граничные условия с одной стороны определяет выплавляемая модель, с другой – внедряющийся с усилием в слой суспензии обсыпочный материал. Масса суспензии, остающаяся на форме, определяется тиксотропными свойствами связующего и количеством введенного наполнителя. Качественная контактная поверхность формируется исключительно суспензией. Усилие сдвига в слоях суспензии должно предотвращать капиллярное поднятие в поры, образованные обсыпочным материалом. Если это условие выполнено, то чистота поверхности отливки определяется процессом гелеобразования связующего. Выпадающая твердая фаза представляет собой фрагменты кварцевого стекла. Процесс сопровождается сегрегацией компонентов суспензии и деградацией вещества в виде изменения агрегатного состояния растворителя из жидкой фазы в пар. Потеря массы приводит к возникновению динамических структур в виде циклического движения растворителя. Каверны, остающиеся после скопления растворителя, формируют микроскопическую пористость контактной поверхности (рис. 1).
Динамические структуры в виде кругового движения жидкой фазы впервые среди литейщиков наблюдал профессор Бречко Аркадий Анатольевич в начале 80-х годов прошлого века. Исследования касались процесса формирования геля натриевых силикатов в жидкостекольных смесях. Явление не было задокументировано и не упоминалось в его трудах. Динамические структуры в силикатных системах были изучены в начале двухтысячных на кафедре «Машины и технология литейного производства» Санкт-Петербургского института машиностроения, которую возглавлял в то время профессор Бречко А. А.
Явление изучали в огнеупорной суспензии на основе гидролизованного ЭТС. Динамические структуры отслеживали по движению частиц наполнителя (рис. 2). Стационарное состояние возникало с момента начала массообмена объема суспензии с окружающей средой. Цикличность имеет период порядка 1-й–2-х секунд. Время существования – от 30 секунд до 5 минут. Понятие существования стационарного состояния условно, т. к. связано со скоростью гелеобразования и в данном случае определяется интенсивностью потери влаги.
Наличие массообмена – необходимое и достаточное условие возникновения динамической структуры. Согласно источнику [1], понижение энтропии, т. е. усложнение структуры, возможно только в замкнутых системах, имеющих возможность обмена с внешней средой, энергией и массой. Литейная керамика представляет собой именно тот случай замкнутой системы, активно обменивающейся массой с внешней средой. Причем существенная особенность процесса – деградация вещества на границе форма – атмосфера. Растворитель связующего, испаряясь с поверхности, резко повышает свою хаотичность Sжидк. = 70 Дж/моль К, Sпара = 188Дж/моль К. Как ответная реакция – возникновение короткоживущих объектов с высокой степенью организации.
Влияние диссипативных структур на свойства керамических форм весьма негативно. Снижение прочности и рыхлый контактный слой – как результат локального понижения энтропии. Диссипативную структуру можно рассматривать как замкнутую систему, керамическую форму представлять внешней средой. Учитывая, что суммарный поток энтропии всегда равен нулю:
Таким образом, хаотичность керамической формы возрастает в процессе гелеобразования силикатной системы при наличии стационарного состояния.
Динамические структуры существуют при определенном соотношении обобщенной силы сродства реакции гелеобразования и обобщенной силы массопереноса [2]. Параметры, влияющие на устойчивость стационарного состояния, – это прежде всего вязкость среды и скорость массообмена с атмосферой. Методом интенсификации процесса сушки удалось получить приемлемую прочность керамики на водных растворах кремнезоля. Вопрос контактной поверхности на водном связующем в значительной мере решается повышением вязкости за счет введения наполнителя в суспензию и ускоренной сушки.
Причем для первого слоя не используется обсыпка, только облив суспензией. В силу особенности геля, полученного из водного раствора, он не подвержен растрескиванию, покрытие получается плотное с минимальным количеством дефектов, показанных на рис. 1.
Вопрос контактной поверхности на водном связующем в значительной мере решается повышением вязкости за счет введения наполнителя в суспензию и ускоренной сушкой. Методом интенсификации процесса сушки удалось получать приемлемую прочность керамики на водных растворах кремнезоля.
Литература:
1. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. – М. – 2001.
2. Бречко А. А., Емельянов В. О., Мартынов К. В. Особенности формирования структуры и поверхности контактного слоя керамических форм на основе ЭТС-40 и Сиалит-20С // Литейщик России. – 2006. – № 2.
