Введение
Пригар на отливках является одним из самых распространенных дефектов, значительно увеличивающим трудоемкость обрубных и очистных работ.
На протяжении многих лет литейщики изучают механизм образования пригара и разрабатывают методы борьбы с ним. Однако до сих пор еще не найдены способы полного устранения пригара во всех случаях практики. Такое положение объясняется чрезвычайной сложностью процессов, происходящих на поверхности раздела металл-форма и приводящих к образованию пригара.
Пригаром обычно называют неметаллическую корку, прочно удерживаемую на поверхности отливки и состоящую из зерен формовочного материала и цементирующего вещества.
Разделение пригара на разные виды, является условным, и в реальных отливках можно обнаружить одновременное существование всех или, по крайней мере, двух видов пригаров. Следовательно, пригар на отливках всегда бывает комбинированным. В условиях формы заливаемый металл в большей или меньшей степени покрыт окислами, резко меняющими характер проникновения металла в поры формовочной смеси. Установлено, что струйки металла, проникающие в поры формы, покрыты пленкой окислов железа. Следовательно, механическому пригару сопутствует и способствует химический пригар.
Однако не всякий пригар вызывает необходимость борьбы с ним. Часто образовавшаяся пригарная корка легко отделяется от отливки при последующем охлаждении. Это так называемый легкоотделимый пригар. Иногда борьба с пригаром сводится не к предупреждению образования пригара, а к получению легкоотделимого пригара вместо трудноотделимого.
Встречающиеся на практике такие дефекты отливок, как «просечка» и «металлизация» представляют собой разновидности химического, термического и механического пригаров. Поэтому способы предотвращения указанных дефектов являются общими со способами предотвращения пригара на отливках.
Образование пригара определяется многими факторами, зависящими от свойств металла, от свойств формовочных смесей и технологических условий заливки. На образование пригара, с одной стороны, влияют химический состав металла, его вязкость и жидкотекучесть, степень раскисленности металла, его капиллярные свойства (поверхностное натяжение и способность смачивать стенки формы) и т. д. С другой стороны, возникновение или отсутствие пригара определяется огнеупорностью, химическим и зерновым составом формовочных материалов, смесей, пористостью и теплоаккумулирующей способностью формы, активностью окислов формовочных материалов к окислам металла и т. д.
Кроме того, такие факторы, как металлостатическое давление, атмосфера в форме во время заливки, длительность заливки, соотношение коэффициентов расширения и сжатия металла и формовочных материалов и др., существенно влияют на образование пригара и на прочность сцепления его с отливкой.
Из изложенного выше следует, что при изучении взаимодействия металла и формы приходится сталкиваться с очень большим числом переменных во времени факторов, определяющих величину и характер пригара. Учесть влияние каждого из них не всегда представляется возможным. Поэтому трудно представить такую методику, которая позволила бы дать универсальную оценку противопригарных свойств формовочных смесей. Противопригарные свойства смесей есть комплекс многих свойств металла и формовочных материалов, а также условий заливки металла в форму. Нельзя говорить о противопригарных свойствах данной смеси вообще без учета свойств металла. Известно, что смеси, позволяющие получать чистые от пригара отливки из одного сплава, оказываются непригодными для отливок из других сплавов.
Сложность процессов взаимодействия металла и формы вынуждает литейщиков идти по двум путям оценки противопригарных свойств. Первый путь заключается в том, чтобы раздельно изучать один или небольшую группу факторов, преимущественно влияющих на какой-либо вид пригара. Он дает более общие решения, позволяет строить теоретические основы процессов взаимодействия металла и формы, а также оценивать интересующие нас свойства смеси в физических единицах измерения.
Второй путь состоит в применении различных технологических проб. Образование пригара изучают в условиях, близких к практическим, т. е. изучают комплексный пригар с преобладанием того или иного вида пригара. Оценку противопригарных свойств смеси производят либо качественно, либо по какому-нибудь условному количественному критерию.
Целью данной работы является анализ методов, сокращения пригара, на основании литературных данных.
Классификация видов пригара
Термический пригар
Возникает вследствие оплавления материала формы под влиянием теплоты залитого металла. Он появляется всякий раз при использовании для приготовления формовочных смесей песков и глин с недостаточной огнеупорностью. Такой пригар большей частью легко отстает от поверхности отливок в виде толстой «шубы», но отливка имеет неровную серую поверхность с точечными включениями нерасплавившегося кварца. Оплавление формовочного материала сопровождается газовыделением и образованием поверхностных газовых раковин.
Механический пригар
Образуется вследствие проникновения расплавленного металла в поры формы. Для того чтобы возник механический пригар, металл должен внедриться в поры формы на глубину не меньше диаметра зерна формовочной смеси. При этом на поверхности отливки возникает сетка из металла и зерен формовочной смеси, удалить которую можно только вырубкой совместно с поверхностным слоем отливки. Механизм образования механического пригара можно представить следующим образом. Поступая в форму, жидкий металл соприкасается с еще холодными ее стенками и охлаждается с поверхности, в результате на поверхности отливки образуется затвердевшая корка. Толщина этой корки зависит от температуры заливаемого металла, температуры и теплоаккумулирующей способности формы и других факторов. Если отливка сравнительно тонкостенная, то теплоты, выделяющейся при последующей кристаллизации всей массы отливки, оказывается недостаточно для того, чтобы вновь расплавить первоначально образовавшуюся корку и снова обеспечить уже более длительный контакт жидкого металла со стенками формы. В этих условиях механический пригар образоваться не может.
Если же в равных условиях заливают крупную толстостенную отливку, то образовавшаяся вначале корка вновь расплавится под действием теплоты затвердевающей отливки и жидкий металл войдет в контакт со стенками формы. Однако внедрение его в поры формы начинается не сразу, поскольку формовочные материалы подбирают так, чтобы они не смачивались жидким металлом.
В этих условиях, как известно, возникает капиллярное противодавление p k, противодействующее внедрению жидкости в капилляры. Кроме того, проникновению металла будет препятствовать сравнительно низкая температура формы. По мере прогревания стенок формы из формовочной смеси выделяются водяные пары и газы, создающие в порах газовое противодавление рr, которое также препятствует проникновению металла.
Когда же прилежащие к отливке слои формы нагреваются до температуры ликвидуса заливаемого сплава, проникновение неокисленного металла становится возможным. Для начала проникновения металла необходимо создать металлостатическое давление р м, которое должно быть равно или превосходить по величине сумму капиллярного и газового противодавления, т. е. для образования механического пригара необходимо выполнить условие:
p м = p к + р r.
Металлостатическое давление, при котором начинается проникновение расплава, называют критическим.
В холодной форме, если давление металла на стенку формы равно критическому, металл проникнет в поры формы на глубину не более половины диаметра зерна, т. е. на доли миллиметра. При прогревании поверхности формы металл, находясь под критическим давлением, будет проникать в глубь формы по мере распространения изотермы, соответствующей температуре плавления металла.
Если формовочная смесь смачивается жидким металлом, то последний проникает (всасывается) в поры формы без приложения к жидкому металлу внешнего давления. Проникновению способствует неизбежное окисление металла при выплавке и заливке, поскольку окислы смачивают формовочный материал.
Механизм образования
В общем виде механизм образования пригара может быть описан формулой Пуазейля, если рассматривать форму как пористое тело, состоящее из пучка капилляров диаметром 2 r и длиной l (1):
где τ – продолжительность процесса;
η- вязкость промежуточного соединения;
p- давление, под которым это соединение проникает в поры формы;
Q- количество проникающего в капилляры смеси промежуточного соединения.
За время
прирост объема жидкости dQ в капилляре может быть выражен в виде
Тогда после постановки значения для dQ
Отсюда
или
Следовательно, за время τ промежуточное соединение вязкостью η проникает в капилляры диаметром 2r под давлением р на глубину l:
(1)
где
Пригар образуется, если промежуточное соединение проникает в форму на глубину l, превышающую радиус зерна r.
Поэтому необходимым, но еще не достаточным условием для устранения механического пригара является выраженное в критериальном виде условие
Приведем формулу (1) к такому же критериальному виду
Для уточнения формулы следует рассмотреть входящие в нее величины р, τ и η при условии, что свойства формы не изменяются во времени.
Приведение выражения к критериальному виду подчеркивает необходимость определения не глубины проникновения промежуточного пригарного слоя, а условий, обеспечивающих полное отсутствие механического пригара.
Давление р складывается из трех составляющих.
1. р1- статического давления жидкого металла на поверхности формы. Если высота слоя жидкого металла Н см, а плотность γ г/см³, то давление этого слоя составит
г/см² = 
кГ/см²
2. р2- противодавление газов в форме. Оно может быть положительными отрицательным; обычно принимается положительным как результат выделения газов формой при ее нагреве. Но противодавление может быть и отрицательным, если применять искусственный отсос газов из формы, например, при изготовлении крупных отливок; отсос должен применяться только после образования на поверхности отливки достаточно прочной корки затвердевшего металла. Непосредственные измерения показали, что давление р 2 может дойти до 0,1 кГ/см2; при изготовлении низких отливок нельзя пренебрегать давлением газов.
3. p s-капиллярного давления:
При полном смачивании cos φ = 1 и радиусе зерна 0,1 мм это давление
может дойти до 0,2 кГ/см2, т. е. до величины, сопоставимой с металлостатическим давлением.
Таким образом, полное давление
или, в развернутом виде,
Существует еще давление от усадки металла на стенки формы, которое возникает после затвердевания отливки. Однако учесть это давление в настоящее время не представляется возможным. Между тем, оно имеет очень большое практическое значение.
Величина τ, характеризующая продолжительность процесса образования механического пригара, зависит от продолжительности пребывания металла в жидком состоянии, которая может быть связана с приведенной толщиной отливки R:
откуда
Для усредненных расчетов можно принять m=0,1. Продолжительность пребывания поверхности металла в жидком состоянии заведомо и значительно меньше продолжительности полного затвердевания отливки. Поэтому следует принять
Необходимо подчеркнуть, что в данном случае разбираются условия образования механического пригара. Химический пригар может образоваться значительно позднее, после полного затвердевания отливки.
Входящую в формулу (1) вязкость можно определить по упрощенной формуле в зависимости от температуры Т:
где η н и η т - вязкости при начальной и искомой температурах.. После подстановки полученных значений формула (1) приобретает вид
(2)
где Сз - эмпирически определяемый коэффициент.
Приведенная к критериальному виду формула может быть выражена в виде неравенства
(2)
Глубина проникновения пригарного соединения имеет подчиненное значение по сравнению с требованием создания условий, при которых это соединение не проникает на глубину, превышающую радиус зерна.
Из неравенства (1) следует:
1. На пригар оказывает очень большое влияние величина отливки, от которой зависит металлостатический напор и продолжительность образования корки на поверхности отливки. Поэтому целесообразно противопригарные мероприятия проводить с учетом размера отливок.
2. В слагаемом - 
формулы (1) поверхностное натяжение жидкого металла изменяется от 0,6 до максимум 1,5 г/см, cos φ от +1 до -1, радиус зерна-десятикратно. В целом это слагаемое заслуживает значительного внимания.
3. Слагаемое р 2 изучено недостаточно. Можно полагать, что изменение р 2 существенно влияет на процессы, происходящие в форме, в частности на пригар.
4. Вязкость пригарного соединения изменяется не более чем в 2 раза и оказывает подчиненное влияние.
5. Продолжительность пребывания поверхности металла отливки при температурах возможного взаимодействия с поверхностью формы зависит от толщины отливки, коэффициента затвердевания, от температуры заливки.
Химический пригар
Возникает в отливках из сплавов с высокой температурой плавления в результате сложных реакций между металлом отливки, его окислами и материалом формы. В отличие от механического пригара зерна песка в пригоревшем слое связываются главным образом продуктами химических реакций, протекающих при высоких температурах, преимущественно силикатами.
На поверхность раздела металл - форма окислы компонентов сплава поступают двумя путями: в небольшом количестве - в виде окислов, растворенных в расплаве и образующихся во время выплавки и заполнения формы, а главным образом вследствие окисления раскаленной затвердевающей поверхности отливки. Массивная отливка из стали дольше находится в раскаленном состоянии, и поэтому на ее поверхности образуется больше окислов.
Считают, что пригар не образуется в двух случаях: когда поверхность отливки не окислена или окислена очень сильно. На неокисленной поверхности металла пригар образоваться не может, так как во взаимодействие с кремнеземом формы вступают только окислы металла; взаимодействие неокисленного металла с кремнеземом маловероятно.
Например, в мелких быстроостывающих отливках, где на поверхности металла образуется слой окислов незначительной толщины, для предотвращения пригара достаточно применить огнеупорные припыл или тонкий слой краски, чтобы предотвратить непосредственный контакт окислов металла с кремнеземом формы. Гораздо труднее избежать пригара на отливках среднего развеса, где окислы на поверхности отливок образуются в больших количествах, чем на мелких, но все же недостаточных для получения слоя окислов оптимальной толщины, обеспечивающих получение легкоотделяемого пригара.
На толстостенных отливках, полученных в жидкостекольных формах без применения покрытий, образуется легкоотделяемый пригар, поскольку сталь легко окисляется и дает большое количество окислов в пригарной корке.
Образующаяся на поверхности отливок закись железа FeO имеет температуру плавления 1380° С, поэтому на поверхности даже закристаллизовавшейся стальной отливки она может находиться в жидком состоянии довольно долгое время. Окислы железа хорошо смачивают кварцевый песок и под действием капиллярного давления легко проникают в поры литейной формы, вступая в реакцию с кремнеземом:
2FeO + 2SiO 
2FeO 
SiO .
В сплавах с высоким содержанием марганца образованию пригара способствует также аналогичная реакция между закисью марганца и кремнеземом
2MnO + 2SiO 2MnO 
SiO .
Образующиеся в результате этих реакций легкоплавкие силикаты фаялит (2FeO SiO ) и тефроит (2MnO SiO ) после затвердевания цементируют зерна песка в слои пригара.
Механизм образования
Образование химического пригара представляется следующим образом. После заливки формы поверхность отливки 1 покрывается слоем 2 окислов и силикатов железа (рис. 1, а: 3 - зерна кварца, 4 - пленка крепителя). Скорость окисления стали в первый момент после затвердевания отливки 5 (рис. 1, б) при наличии в порах формы большого количества свободного кислорода велика, образующийся окисный расплав накапливается в граничной поверхности, увеличивая относительную площадь контакта отливки и формы. Часть расплава проникает в глубь формы между зернами песка, образуя и связывая корку пригара с отливкой (см. рис. 1, б). В дальнейшем окисление поверхности отливки резко замедляется вследствие уменьшения окислительной способности газов в форме и снижения температуры металла, скорость образования нового окисного расплава на граничной поверхности становится меньше скорости его миграции в глубь формовочной смеси, и между отливкой и формой возникает зазор (см. рис. 1, в). При этом относительная площадь контакта металла с формой уменьшается.
Влияние огнеупорности
В настоящее время можно считать установленным ряд закономерностей, связанных с влиянием огнеупорности на пригар [2,3]:
1. Наибольший пригар обнаруживается при использовании смесей со средней огнеупорностью.
2. Пригар может уменьшиться при использовании смесей, как с большой, так и с малой огнеупорностью.
В качестве примеров можно привести снижение пригара при заливке стали (высокая температура заливки) в жидкостекольные формы.
Пригар увеличивался при повышении содержания полевых шпатов, до 20%, при дальнейшем повышении их содержания наблюдалось снижение пригара. Удавалось получать отливки с малым пригаром в смесях на основе ваграночного шлака.
Для оценки огнеупорности материалов, применяемых в литейном производстве, особое значение приобретает скорость появления тех свойств, которые характеризуют «огнеупорность», т. е. размягчение, плавление, спекание.
Отсюда ряд следствий:
1. Химический состав не может характеризовать огнеупорность, так как при неизменном валовом химическом составе может наблюдаться разное распределение элементов между зернами. Между тем процессы оплавления, размягчения и спекания начинаются с поверхности зерен. Поэтому эти процессы разовьются тем скорее, чем мельче зерна и чем равномернее они между собой перемешаны. По этой же причине огнеупорность силиката всегда ниже огнеупорности смеси разных зерен, но того же валового химического состава.
2. Еще меньшее значение может иметь огнеупорность отдельных составляющих смеси, так, например, от добавления огнеупорной глины в большом количестве смесь может оказаться менее «огнеупорной», чем при добавлении менее огнеупорной глины, но в меньшем количестве.
Таблица 1
Влияние давления металла на образование механического пригара (сталь 30Л) [9]
| давление в кГ/см² | Характеристика пригара | Смеси | |||
| Хромомагнезитовая с жидким стеклом | Хромомагнезитовая с сульфитной бардой | Песчано- глинистая с жидким стеклом | Песчано-маршалитовая | ||
| 0,6 | Проникновение в мм | 0, 08 | 0, 10 | 0, 17 | 0, 08 |
| 1, 2 | Качественная оценка | Пригара нет | |||
| 1, 8 | Качественная оценка | Нет | Следы | Следы | Нет |
| 2, 5 | Проникновение в мм | 0,12 | 0, 18 | 0, 20 | 0,12 |
Таблица 2
Влияние давления металла на образование механического пригара (сталь 20ГСЛ) [9]
| давление в кГ/см² | Характеристика пригара | Смеси | |||
| Хромомагнезитовая с жидким стеклом | Хромомагнезитовая с сульфитной бардой | Песчано - глинистая с жидким стеклом | Песчано-маршалитовая | ||
| 0,6 | Проникновение в мм | 0, 13 | 0, 16 | 0, 27 | 0, 11 |
| 1, 2 | Качественная оценка | Нет | Незначительный пригар | Нет | |
| 1,8 | Качественная оценка | Нет | Незначительный пригар | Нет | |
| 2,5 | Проникновение в мм | 0,14 | 0, 32 | 0, 36 | 0,12 |
Таблица 3
Влияние давления металла на образование механического пригара (сталь 20Х1 3 НЛ )[9]
| смеси. | Смеси | Давление в кГ/см² | Величина критического давления в кГ/см2 | |||
| 0,6 | 1, 2 | 1, 8 | 2, 5 | |||
| 1 | Хромомагнезитовая с жидким стеклом и NaOH | 0, 10 | 0, 17 | 0, 17 | 0, 16 | >2, 5 |
| 2 | Хромомагнезитовая с сульфитной бардой | 0, 13 | 0, 21 | 0, 24 | 0, 57 | <0, б |
| 3 | Песчано-глинистая с жидким стеклом и NaOH | 0, 40 | 0, 79 | 0, 80 | 0, 82 | <0, 6 |
| 4 | Песчано-маршалитовая | 0, 09 | 0, 12 | 0, 20 | 0, 28 | 1, 5 |
| 5 | Хромистый железняк с жидким стеклом и NaOH | 0, 16 | - | - | 0, 19 | >2, 5 |
| 6 | Хромистый железняк (валунчатый) с сульфитной бардой | 0, 21 | - | - | 0, 60 | <0, 6 |
| 7 | Магнезит с жидким стеклом и NaOH | 0, 32 | - | - | 0, 47 | 0, 6 |
На образцах из углеродистой стали 30Л и малолегированной стали 20ГСЛ при использовании смесей I, II, III, IV резкой разницы в величине механического пригара при изменении давления металла в пределах 0,6 - 2,5 кГ/см² обнаружено не было.
Более тщательный анализ данных табл.2 и 3 показывает, что при прочих равных условиях наилучшие результаты были получены на песчано-маршалитовой смеси и хромомагнезитовой смеси с жидким стеклом. Надо учесть, что песчано-маршалитовая смесь содержала 45% маршалита и требовала длительной сушки. Хромомагнезитовая смесь с жидким стеклом высушивалась по режиму, в 6—9 раз более короткому.
Для отливок из углеродистой и малолегированной стали с целью предотвращения образования механического пригара при малых и средних величинах давления металла могут использоваться все четыре состава смеси. Предпочтение тому или иному составу смеси может быть отдано в зависимости от ряда технологических факторов (сырьевых ресурсов, длительности высушивания, легкости выбивания и т. д.).
При высоких давлениях металла (порядка 2, 5 кГ/см2) относительно лучшие результаты по чистоте поверхности отливок, а также по существенному сокращению цикла высушивания дают хромомагнезитовые смеси с жидким стеклом.
Особенно целесообразно применение хромомагнезитовых смесей, например, при изготовлении отливок из нержавеющей стали (табл.3). Чем выше давление металла, тем больший эффект дает применение хромомагнезитовых смесей. Довольно близкие результаты, однако уступающие хромомагнезиту, получают при использовании валунчатого хромистого железняка (смесь 5, табл. 3)
В табл. 4 дано сопоставление условий образования механического пригара на образцах из различных марок стали при высоком давлении металла (2,5 кГ/см²).
Таблица 4
Таблица 7
Влияние продолжительности выдержки на глубину проникновения пригарного слоя в форму [2]
Газ
Таблица 8
Смачиваемость
Образование механического пригара предотвращается если Ркап увеличивается, если уменьшается радиус пор, величина которых тем меньше, чем тоньше структура наполнителя. Ркап уменьшается при уменьшении величины поверхностного натяжения металла и снижении краевого угла смачивания. При стальном литье увеличение температуры стали приводит к увеличению поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение стали существенно снижается при увеличении содержания в ней углерода, фосфора, серы, кислорода, азота. Поэтому увеличение содержания этих компонентов в стали может приводить к увеличению механического пригара.
Величина краевого угла смачивания зависит от ряда факторов: типа сплава, степени его окисленности, продолжительности контакта жидкой и твердой фаз, размера зерен формовочных смесей и др.
Из результатов экспериментальных исследований, проведенных И. В. Валисовским [4,2,13], отметим установленную зависимость степени смачивания от химического состава поверхностных слоев жидкого металла и формы. Чем больше химический потенциал реакций, протекающих на поверхности раздела металл-форма, тем меньше краевой угол смачивания.
Поэтому увеличение степени окисленности стали резко уменьшает краевой угол смачивания при изготовлении форм из кварцевого песка (рис.5) и значительно в меньшей мере при изготовлении форм из хромомагнезита или хромистого железняка (рис.5)[2].
Влияние размера зерен песка на условия смачивания зависит от контакта металла с поверхностью зерен и с газом, находящимся в порах смеси. Установлено, что при отрицательном смачивании (cos θ<0) независимо от газовой среды увеличение размера зерен приводит к значительному увеличению смачивания. При положительном смачивании (cos θ > 0) изменение размера зерен не влечет за собой изменения краевого угла смачивания.
Повышение температуры металла в пределах до 100°С над ликвидусом не изменяет величины краевого угла смачивания.
Эти и другие примеры свидетельствуют о том, что создание в форме нейтральной и восстановительной среды является благоприятным в ряде случаев стальных отливок, если поверхностные покрытия формы не науглероживают поверхности стальных отливок.
И. В. Валисовский, И. Б. Куманин и А. М. Лясс [9,4] изучали влияние различных крепителей на значение краевого угла смачивания формовочной смеси армко-железом. Опыты показали, что в условиях слабо окислительной атмосферы, т. е. в условиях близких к реальным, крепители ведут себя по-разному (табл.9). В смесях с крепителями органического происхождения, например с льняным маслом, образуется малый краевой угол смачивания (50°). Это объясняется науглероживанием металла, приводящим к возрастанию его жидкотекучести. При использовании смеси кварцевого песка с 6% жидкого стекла получается высокое значение краевого угла (106°), что объясняется малой пористостью этой смеси. Последнее является одной из причин, препятствующих проникновению металла в поры формовочной смеси.
На смачиваемость формовочных материалов расплавленным металлом и связанное с этим механическое проникновение металла в стенки формы оказывает влияние и характер газовой атмосферы в литейной форме. В условиях окислительной атмосферы, создаваемой углекислым газом, наименьший угол смачивания (52°) наблюдается на кислом материале (кварцевый песок), наибольший (90°)-на основном материале (магнезит) (табл.9).
В слабо окислительной атмосфере все формовочные смеси на кварцевой основе смачивались металлом, а основные формовочные материалы не смачивались (табл.9), причем по сравнению с окислительной атмосферой значения краевых углов возросли.
В нейтральной и восстановительной атмосферах отсутствует взаимодействие между жидким железом и формовочным материалом. Поэтому краевой угол армко-железа на формовочных смесях резко возрастает, и смачивание становится отрицательным. Данные но смачиваемости различных формовочных материалов в нейтральной атмосфере приведены в табл.9.
При переходе от слабо окислительной атмосферы к нейтральной несколько возрастает смачиваемость хромистого железняка армко-железом. Это объясняется восстановлением окиси железа, входящей в состав хромистого железняка, железом с образованием закиси железа. Образующаяся закись железа растворяется в жидком металле, и сродство жидкого металла с хромистым железняком увеличивается. Образование и растворение закиси железа в жидком металле при применении хромистого железняка подтверждается фактом повышенного содержания кислорода в металле после проведения опыта.
Так, при применении кварцевого песка армко-железо после проведения опыта содержало 0, 0128% кислорода, при применении хромистого железняка содержание кислорода в металле возрастало почти в 4 раза (0, 042%). Процесс растворения закиси железа в металле, хотя и в несколько более слабой степени, протекает и при смачивании армко-железом хромомагнезита.
Из данных работы И. В. Валиссовского и др.[13,4] вытекает, что для уменьшения смачиваемости формы жидким металлом и предотвращения механического проникновения металла в поры песчаной формовочной смеси следует создавать в литейной форме условия, исключающие окисление жидкого металла. Практически это может быть достигнуто введением в формовочную смесь углеродистых противопригарных добавок (каменноугольной пыли, мазута, сланцевой смолы, древесных опилок и т. д.).
Таблица9
Смачиваемость формовочных материалов металлом
Смесь
Состав,
Смачиваемость в момент расплавления
В окислительной атмосфере
При применении формовочных смесей на основе хромомагнезита, хромистого железняка и магнезита отпадает необходимость создания восстановительной атмосферы в форме, так как в этом случае краевой угол смачивания в условиях окислительной атмосферы практически не меняется.
Рис.5 Влияние содержания кислорода в железе на краевой угол.
Таким образом, применять хромомагнезит и хромистый железняк особенно эффективно при наличии в форме окислительной среды.
В случае нейтральной или восстановительной среды вполне удовлетворительные результаты дает использование кварцевых песков.
Сокращение пористости
Для уменьшения проникновения металла в форму необходимо сократить размер пор на ее поверхности. Для этого применяются следующие методы: уменьшается размер зерновых составляющих, увеличивается уплотняемость формовочных материалов, на поверхность формы наносятся краски и применяют спекающиеся формовочные смеси. На основание этих данных проанализируем их.
3.3.1. Уменьшение размеров зерна
Зерновые составляющие изменяют сопротивление проходу пригарного вещества в глубь формы. Чтобы снизить механический пригар, прежде всего надо сократить размер пор в поверхностном слое формы. Для этого применяют более мелкие пески или в крупные и среднезернистые пески вводят мелкие фракции, в том числе пылевидный кварц[2,3,6,9,10,13].
Средняя величина зерна определяется главным образом требованиями газопроницаемости. Уменьшение газопроницаемости может быть достигнуто применением более мелкого песка и добавлением более мелких зерен к более крупным. Во втором случае можно опасаться увеличения скорости образования промежуточных пригарных соединений, что увеличивает пригар. При одинаковой газопроницаемости пригар будет меньше у смеси однородных, но более мелких зерен, по сравнению со смесью из более крупных и мелких зерен. Однако при однородном песке увеличивается опасность образования ужимин.
По влиянию количества добавляемых мелких зерен на относительный пригар можно различать три области (рис.11)[3]: I- количество добавляемых мелких зерен недостаточно и их влияние неэффективно; II-достигается наибольшая эффективность при определенном соотношении между крупными и мелкими зернами; III-ухудшаются технологические свойства главным образом за счет изменения физико-химических свойств смеси.
Наибольшая эффективность достигается при добавлении в смесь до 25% кварцевой муки, размер зерен которой не должен превосходить 40% диаметра крупных зерен. Оптимальное количество добавки мелких зерен и минимальный пригар зависят от минералогического и химического состава зерен. Наиболее распространены мелкие зерна кварца (кварцевая мука). Особую осторожность надо соблюдать при добавлении кварцевой муки к не кварцевым зернам вследствие увеличения пригара.
Влияние зернового состава на физико-химические свойства формы связано с изменением величины зерна и их минералогического и химического состава.
Уменьшение размера зерна может быть достигнуто также добавлением кварцевой муки[2,13]. Результаты опытов по влиянию кварцевой муки на глубину проникновения пригарного слоя приведены на рис.12
Приведенная на этом рисунке рекомендованная область добавки кварцевой муки должна рассматриваться как условная, зависящая от зернового строения смеси и степени дисперсности муки.
В работе изучалось влияние размера зерен песка на глубину проникновения металла в поры формовочной смеси.
Смесь с песком № 2 являлась стандартной, с результатами испытания которой сравнивались результаты испытаний других смесей. На Рис.13 видно, что в форму из смеси с мелкозернистым песком № 1 при различном металлостатическом давлении сталь не проникает. В форму из смеси с песком № 2 обнаруживается проникновение при давлении металла 450-650 мм, с песком № 3- при 400-650 мм, а с песком № 4 - уже при давлении 200 мм и выше. Этот опыт показал, что с повышением размера зерен песка, в связи с увеличением размера пор, уменьшается давление начала проникновения металла в поры смеси.
На Рис.14 показано влияние добавок кварцевой муки к смеси стандартного состава. Опыты показали, что при добавке кварцевой муки в количестве 20% происходит незначительное повышение минимального давления проникновения металла, глубина же проникновения при этом уменьшается.
 |
Представляют большой практический интерес опыты, проведенные со смесями приблизительно одинаковой газопроницаемости (около 100 единиц), но содержащими песок с различной степенью однородности. С этой целью в однородный песок различной крупности добавлялось определенное количество кварцевой муки. Результаты этих опытов (рис.15) (показывают, что для уменьшения пригара предпочтительнее применять мелкий песок с однородными зернами. Добавки цирконовой муки, вместо кварцевой, как показывает рис.15, не уменьшают пригара.
Влияние размера зерен песка на образование механического пригара изучалось и в работе[13] . Смеси составлялись из 90% песка, 10% огнеупорной глины и 3% (сверх 100) сульфитного щелока. Зерновая часть смесей готовилась из двух песков (крупного марки К04Б и мелкого марки К016А), вводимых в смесь в различной пропорции.
Таблица 10
Влияние зернового состава песка на глубину проникновения жидкой стали в поры формовочной смеси
| Состав песка в смеси, % | Газопроницаемость форм, ед. | Средняя глубина проникновения стали, мм | |
| крупный | мелкий | ||
| 100 90 80 70 60 50 40 30 20 0 | 0 10 20 30 40 50 60 70 80 100 | 287 193 167 151 138 122 102 93 88 75 | 0, 5 0, 4 0, 3 0, 25 - 0, 18 0, 15 0, 12 0, 09 0, 07 |
Форма заливалась сталью 35Л при температуре 1620°С. Результаты опытов представленные в табл.10, показывают закономерное уменьшение глубины проникновения стали в форму по мере уменьшения крупности зерен песка.
Приведенные данные еще раз показывают, что одним из эффективных и доступных средств уменьшения механического пригара является применение мелкозернистого песка. Чем мельче применяемый песок, тем меньше размер пор формовочной смеси и тем выше, следовательно, капиллярные силы, противодействующие проникновению жидкого металла.
В табл.11 указана величина механического пригара на отливках из стали высоколегированных хромоникелевых толщиной 50 мм в зависимости от размеров зерен материалов; связующим материалом во всех смесях было жидкое стекло[5].
Таблица 11
Песок крупный К063Б (0,31)
Песок мелкий К016А (0,08)
Из рассмотрения результатов опытов можно сделать выводы:
1. Глубина проникновения пригарного слоя не пропорциональна увеличению количества ударов бабы копра.
2. Не наблюдается четкой закономерности между глубиной проникновения и поверхностной твердостью формы.
Такая же малая зависимость глубины проникновения от поверхности твердости в границах 25-75 наблюдалась при весе отливки до 15 кг. При весе отливки 500 кг наблюдалось уменьшение пригара только при увеличении поверхностной твердости свыше 65 единиц. Из табл. 4 видно, что для смесей типа К063Б и К016А «критическая твердость» наступает при превышении приблизительно 80 единиц.
В работе[13] изучали влияние уплотнения смеси на глубину проникновения стали, используя песок марки 016А и пылевидный кварц. Температура заливки стали составляла 1560°. Полученные данные (Рис.18) показывают, что средняя величина выступов Нср уменьшается с повышением уплотнения формовочной смеси. Более заметно это проявляется при уплотнении смеси до 10 кг/см2. Дальнейшее повышение давления не оказывает заметного влияния на изменение глубины проникновения стали.
Таблица 13
Влияние степени уплотнения смесей на глубину проникновения жидкой стали
| Песок для форм | Степень уплотнения, единиц, по твердомеру | Газопроницаемость, единиц | Средняя глубина проникновения, мм. |
| Крупный марки К04Б | 50 65 80 85 91 | 710 460 340 285 200 | 0, 8 0, 5 0, 3 0, 2 0, 2 |
| Мелкий марки К016А | 45 57 70 85 91 | 138 120 102 30 19 | 0, 2 0, 1 0, 09 0, 08 0, 07 |
Д. И. Лоськовым и Г. Л. Хазаном[13] изучалось влияние степени уплотнения смесей на проникновение в форму жидкого металла. Степень уплотнения менялась от 50 до 90 единиц по твердомеру. Проба заливалась сталью 35Л при температуре 1620°С. Результаты опытов представлены в табл.13.
Говоря о влиянии уплотнения смесей на глубину проникновения металла в форму, следует особо подчеркнуть влияние другого связанного с этим фактора-теплопроводности формы. Чем сильнее уплотнена смесь в форме, тем больше ее теплопроводность и тем меньше глубина проникновения.
Приведенные данные показывают, что глубина проникновения стали в поры формовочной смеси при данной температуре металла зависит от зернового состава смеси и степени ее уплотнения. Чем крупнее песок и чем меньше уплотнение смеси, тем больше глубина проникновения. Влияние степени уплотнения особенно заметно при применении крупного песка. Объясняется это тем, что с увеличением размера зерен песка возрастает его уплотняемость. При применении мелкозернистого песка поры в формовочной смеси получаются настолько малыми, что высокая степень уплотнения практически не оказывает заметного влияния на глубину проникновения металла в стенки формы.
Однако повышение степени уплотнения смеси увеличивает ее термическое расширение, с которым связано образование другого дефекта поверхности отливок-ужимин.
Спекающиеся смеси
 |
Очевидно, что противопригарные свойства материалов определяются не только их металлофобностью. Хромомагнезит смачивается хромоникелевой сталью значительно лучше, чем кремнезем: краевые углы смачивания 110 и 120° соответственно, а пригар на отливках практически одинаков. Для выяснения причин этого несоответствия проверяли отношение некоторых материалов к нагреву. На рис.19, а приведены результаты дилатометрических испытаний жидкостекольных смесей из кварцевого песка 1 хромомагнезита 2 и хромистого железняка 3; на рис.19, б - корунда 1, дунита 2 и шамота 3[5]. Вначале у всех смесей дается довольно резкое расширение, а затем усадка, связанная, по-видимому, с расплавлением жидкого стекла; после этого у кварцевого песка (группа 1) вновь начинается значительное расширение, у корунда и дунита (II) заметное изменение объема не наблюдается, а у хромистого железняка, шамота и в меньшей степени у хромомагнезита (III) при повышении температуры продолжается усадка за счет протекание процессов спекания. Ко второй группе материалов относятся также циркон, магнезит и оливин, а к третьей - рутил.
Естественно, что спекание уменьшает пористость формовочной смеси, и проникновение металла в поры формы, что было установлено прямым экспериментом (табл.14)[10,5].
Таблица 14
Таблица 15
Величина пригара на отливках из стали Х15Н25В5ТЮ2 при использовании смесей с одинаковым зерновым составом наполнителей и содержанием жидкого стекла.
| Наполнители смеси | Группа смеси | Глубина проникновения стали (в мм) в смеси при давлении в кГ/см² | |
| 1, 2 | 3, 8 | ||
| Кварцевый песок Магнезит Хромомагнезит Хромистый железняк Шлак дробленый | Расширяющаяся Нерасширяющаяся Слабо спекающаяся Сильно спекающаяся Спекающаяся в монолит | 1, 0 0, 9 0, 9 1, 3 0, 6 | 2, 0 1 ,5 1, 0 1,0 0, 1 |
Как видно, величина пригара изменяется при увеличении металлостатического давления различно в зависимости от наполнителя. Так, если при увеличении давления с 1, 2 до 3, 8 кГ/см2 глубина проникновения стали в кварцевую смесь возросла вдвое, то в магнезитовую - на 67%, в хромомагнезитовую - не изменялась, в хромитовую - заметно уменьшилась, а в шлаковую - уменьшилась в 6 раз. Приведенные данные хорошо согласуются с некоторыми прежними исследованиями.
Спекание смесей является свойством не только огнеупорного материала, но общим свойством системы огнеупорный материал - связующее. Использование хромомагнезитовых или хромитовых материалов в смеси не с жидким стеклом, а с другими связующими, например, с органическими крепителями, может либо не привести к спеканию, либо вызвать его в незначительной степени. Естественно, что мелкодисперсные частицы способствуют спеканию огнеупорных наполнителей, и в хромомагнезитовых и хромитовых пастах и красках противопригарное покрытие спекается при любом связующем. Покрытия из сильно спекающихся материалов (хромистый железняк, шамот) необходимо наносить сравнительно более толстым слоем, чем покрытия из неспекающихся материалов.
Результаты опытов позволяют сделать вывод, что при производстве отливок из высоколегированных хромоникелевых сталей предотвратить механический пригар можно, лишь используя мелкодисперсные формовочные материалы. Противопригарные свойства материалов характеризуются либо их металлофобностью, либо склонностью к спеканию при высоких температурах; теплофизические свойства формы имеют второстепенное значение и в большинстве случаев не могут являться критерием при выборе противопригарных материалов. Исходя из этого, в качестве противопригарных материалов в производстве отливок из хромоникелевой стали, могут быть рекомендованы рутил, корунд и шамот.
Крупный песок типа К063Б
Мелкий песок типа К016А
Из рассмотрения таблицы можно сделать вывод критическая температура для крупного песка составляет 1580° С, а для мелкого песка-1620° С. При превышении ее глубина проникновения окислов сразу увеличивается от 0,05 до 0,30 мм. Четкой закономерности изменения состава окислов обнаружить не удается.
Из практики производства отливок в обычных песчано-глинистых формах хорошо известно, что с повышением температуры заливки пригар увеличивается. Изучению влияния этого фактора на образование механического пригара посвящен ряд исследований.
Так, в работе [13] показано, что с повышением температуры заливки возрастает глубина проникновения стали в стенки формы (Рис.20). При температуре заливки до 1620° глубина проникновения в формовочную смесь с крупнозернистым песком больше, чем с мелкозернистым. Однако при температуре заливки выше 1620° указанная закономерность нарушается: в смеси с мелкозернистым песком глубина проникновения стали становится больше, чем с крупнозернистым. Это явление авторы объясняют тем, что при температуре выше 1600° происходит сплавление мелких зерен и образование новых полостей, имеющих значительно большие размеры, чем естественные поры между зернами мелкого песка. Крупные же зерна не сплавляются или сплавляются в гораздо меньшей степени.
На Рис.21 представлены результаты опытов Б. Б. Гуляева и Ю. Ф. Боровского[10] по изучению влияния температуры заливки на глубину проникновения жидкого металла в стенки формы. Кривая 1 относится к смеси, изготовленной из кварцевого песка марки К016А, кривая 2 к смеси из молотого хромомагнезита, кривая 3 к смеси из хромистого железняка с зерновым составом, примерно соответствующим кварцевому песку. На Рис.21 видно, что глубина проникновения стали особенно резко возрастает с по 
вышением температуры заливки при применении песчаной формы. Причем в области высоких температур заливки глубина проникновения стали значительно превышает радиус зерен формовочной смеси. Различие в характере кривых объясняется различной теплопроводностью применяемых формовочных материалов. При применении формовочных материалов с высокой теплопроводностью (хромомагнезит, хромистый железняк), вследствие интенсивного охлаждения заливаемого металла, проникновение его в поры формовочной смеси не получает значительного развития.
Э. Книпп отмечает, что для каждой смеси существует критическая температура, свыше которой происходит образование пригара. Эта критическая температура зависит от теплопроводности смеси. Чем выше теплопроводность формовочной смеси, тем быстрее на поверхности формы образуется затвердевший слой, препятствующий проникновению металла.
Если же температура заливки превышает критическую, то затвердевший слой расплавляется, а металл проникает в поры формовочной смеси.
В статье [8]приводится зависимость глубины проникновения жидкой стали в поры песчано-глинистой формовочной смеси от температуры заливки и размера зерен песка рис.22. При очень высокой температуре заливки (1640°) металл проникает даже в смесь с мелкозернистым песком. При этом кривая проникновения стали идет параллельно кривой газопроницаемости смеси. При снижении температуры заливки до 1620°С замена мелкозернистого песка крупнозернистым устраняет пригар. Пригар обнаруживается в этом случае только в смесях с 50% мелкого и 50% крупного песка. С уменьшением размера зерен песка пригар вновь уменьшается. При температуре 1600°С применение мелкозернистого песка увеличивает глубину проникновения. Несоответствие найденных зависимостей приведенным выше объясняется, по-видимому, различной плотностью смесей, оказывающей влияние на величину пригара.
Таким образом, с целью уменьшения пригара желательно снижать температуру заливки, если это возможно осуществить, не вызывая других пороков отливок.
Для предотвращения металлизированного пригара необходимо соблюдать следующее условие Тп < Ткр (где Тп - температура на поверхности затвердевающей отливки, Ткр - критическая температура, при которой металл начина-
ет проникать в поры литейной формы и образовывать пригар).
Исследовали влияние интервала затвердевания стали на предотвращение пригара в тепловых углах отливки[12]. Экспериментально исследовали кинетику изменения температуры поверхности плоских и крестообразных отливок с толщиной стенок 40, 80 и 200 мм из сталей 10Л, 30Л, 50Л и 100Л, заливаемых в формы из песчано-глинистой (ПГС), хромомагнезитовой (ХМС), хромитовой (ХС) и хромомагнезитовой с 50% дроби ДСЛ-05к (ХМДС) смесей. Отношение радиуса галтели r в углу крестообразной отливки к толщине ее стенки 2R составляло 0; 0,2; 0,4; 0,6 и 1 при 2R =40 мм и 0; 0,4 и 1 при 2 R =80 и 200 мм.
Для предотвращения металлизированного пригара на стальных отливках по условию Тп < Ткр необходимо знать Ткр. Анализ экспериментально определенного значения температуры прекращения проникновения стали в поры формы показал, что Ткр - это температура, при которой прекращается фильтрация металла через поры затвердевающей корки на поверхности охлаждающейся отливки Значение ее может быть определено по формуле:
Ткр= (Тлик- s²)ΔТз,
где Тлик - температура ликвидуса стали;
s - доля твердой фазы, при которой прекращается фильтрация металла;
ΔТз - интервал кристаллизации сталей.
По данным А. И. Вейника, прекращение фильтрации металла в осевой зоне отливки наступает при выпадении твердой фазы s= 0,8- 0,9. Поэтому можно предположить, что прекращение фильтрации на поверхности отливки наступает при выпадении в ее пограничной зоне такого же количества твердой фазы Исследования показали, что для плоских отливок металлизированный пригар не образуется и при s= 0,3- 0,4. Это объясняется тем, что при наличии больших градиентов температуры в форме глубина проникновения металла настолько мала, что его прожилки неспособны, захватить даже находящиеся с ним в контакте зерна смеси
Для определения условий предотвращения металлизированного пригара на плоских стенках стальных отливок и во входящих узлах проведено 200 вариантов расчета на ЭВМ. При этом учитывали следующие факторы 2R, тепловую активность смеси bф, марку стали (интервал температур ее затвердевания ΔТз), перегрев ΔТпер заливаемого металла над Тлик, радиус галтели во входящем углу. Анализ результатов исследования показал, что для получения отливок без
металлизированного пригара по условию Тп < Ткр решающими технологическими факторами являются ΔТз и bф[12].
Значение максимально допустимого перегрева ΔТз при заливке стали, определяли по результатам расчетов на ЭВМ исходя из условия, что максимальная температура поверхности отливки равна Ткр. На основании полученных данных построена номограмма (рис.23 А) для определения ΔТпер при заливке плоских отливок с толщиной стенок до 200 мм сталями с различным интервалом кристаллизации (кривые 1- 4- соответственно 25, 50, 85 и 120°С) в формы из ПГС, ХМС, ХС и ХМДС (соответственно I-IV).
Результаты анализа показали, что значение ΔТпер заливаемых сталей быстро
повышается с уменьшением 2R отливки и повышением bф смеси. Экспериментально показано, что при увеличении интервала затвердевания металла допустимый его перегрев при заливке уменьшается, но его влияние на получение поверхности плоской стальной отливки без пригара невелико по сравнению с 2R и bф.
Так, разность по значению ΔТпер при заливке сталями 30Л и 100Л плоской отливки толщиной 40 мм в формы из ПГС не превышала 10°С.
При изучении кинетики изменения температуры поверхности фасонных отливок следует отметить, что наибольший металлизированный пригар в них можно ожидать во входящих (теплых) углах Тп в этих местах сначала резко возрастает, а затем в течение длительного промежутка времени значительно превышает Тп стенки отливки вдали от угла. Скругления в углу отливки уменьшают максимальную температуру ее поверхности и поэтому позволяют уменьшить опасность образования пригара, особенно на тонкостенных отливках и на отливках из сталей с небольшим интервалом кристаллизации (до 50-80°С).
На рис.23 Б представлена номограмма для определения условий предотвращения пригара по условию Тп < Ткр в углах фасонных отливок из стали 30Л с толщиной стенки 40, 80 и 200 мм (соответственно кривые с одним, двумя и тремя штрихами), заливаемых в формы из различных смесей с перегревом 40, 80 и 120°С (кривые 1-3 соответственно) С увеличением интервала затвердевания заливаемых сталей минимальный радиус галтели r o внутреннего угла отливки увеличивается тем больше, чем толще отливка и выше температура заливки (рис.23 В: кривые 1-3-2R соответственно 40, 80 и 120 мм; кривые с одним, двумя и тремя штрихами - соответственно для ΔТкр=10, 60, 80°С). Последовательность определения rо в углу крестообразной отливки из стали с ΔТкр=40°С и 2R=80 мм при заливке ее в форму из ХМС с перегревом 60°С показана стрелками. На плоских стальных отливках можно предотвратить пригар, регулируя продолжительность заливки формы.
В связи с тем, что скорость понижения температуры поверхности угла очень низкая (для крестообразных отливок с относительным значением радиуса галтели в углу r/(2R) = 0,4 она в 4 раза ниже, чем для плоской стенки такой же толщины), предотвратить проникновение металла, увеличивая только длительность заливки, на таких отливках затруднительно. Этого можно достичь сочетанием ряда мер: применением смесей с повышенной тепловой активностью и критическим противодавлением, применением внутренних и наружных холодильников, понижением перегрева металла, а также выбором оптимального радиуса галтели в углу.
Проверка экспериментальных данных показала, что при соблюдении определенных по номограммам параметров пригар на отливках отсутствует.
Таблица 17
Таблица 18
Таблица 19
Таблица 20
Химические составы связующих материалов и глинистых составляющих песков, %
| Материал | SiO2 | Fe2O3 | FeO | Al2O3 | CaO | MgO | Na2O + К2O |
| Нижнеувельская огнеупорная глина Биклянскин бентонит Огланлинский бентонит Каолин Глинистая составляющая кичигинского песка То же, нижнеувельского песка То же, басьяновского песка | 53,60 54,60 69,71 46,46 50,19 63,62 49,22 | 2,23 6,25 1,17 0,78 2,38 2,45 11,95 | 0,21 0,53 0,21 - 0,32 0,25 0,56 | 27,94 20,08 11,58 38,80 27,07 23,29 15,84 | 0,34 1,20 1,86 0,56 0,45 0,77 1,84 | 0,64 2.15 2,12 - 0,60 0,62 1,70 | 0,80 2,18 2,86 - 1,69 1,88 3,13 |
Анализ приведенных в таблице данных показывает, что химический состав материалов изменяется в довольно широких пределах. Содержание Fe2Oз и окислов щелочных металлов в биклянском бентоните и глинистой составляющей басьяновского песка высокое, что способствует образованию легкоплавких силикатов. Учитывая их более высокую окислительную способность и благоприятные условия образования легкоплавких составляющих, применение этих материалов наиболее целесообразно.
Полученные данные показывают, что применение песчано-бентонитовых смесей несколько улучшает чистоту поверхности стальных отливок, по сравнению с цеховой смесью, однако пригар полностью не устраняется. Производственные испытания свидетельствуют, что введение в формовочную смесь (песчано-глинистую или песчано-бентонитовую) окислительных добавок определенного состава заметно улучшает чистоту поверхности стальных отливок. Лучшие результаты показали смеси со следующими окислительными добавками: 1% Fe2(SO4)3; 0,8-0,9% Аl(SO4)з; 0,8-1% FeSO4; 2% МnO2+0,66% Na2SO4; 0,25% VOSO4; 0,7% Na2B4O7+0,35% Fe2O3, 1% Na2SO4+0,35% Fе2Оз. Однако стабильно хорошие результаты показали облицовочные смеси с 1% сульфата натрия и 0,3% гематита (табл.19). Указанные окислительные добавки вводились в смеси на басьяновском, кичигинском и нижнеувельском песках с применением различных связующих: бентонитов, огнеупорной глины и каолина. Опыты показали, что добавки 1% сульфата натрия и 0,35% гематита обеспечивают образование легкоотделимото пригара как при использовании в смесях мелкого К016, так и крупного К0315 песков. Это дает основание считать, что при введении в смесь окислительных добавок определенного состава расширяются возможности применения песков различных марок. Таково немаловажное преимущество смесей с окислительными добавками, позволяющими использовать местные пески с безусловным экономическим эффектом. Однако применение мелких песков, способствующих уменьшению глубины и толщины прожилок металла, создает условия для более быстрого их окисления и поэтому более целесообразно, с точки зрения снижения пригара.
Кроме того, опыты показали, что вид связующего при использовании эффективных окислительных добавок не является главным фактором, определяющим чистоту поверхности отливок. Чистые отливки были получены как при использовании в качестве связующего бентонитов, так глины и каолина. Вместе с тем уменьшение количества связующего в смеси само по себе способствует образованию более качественной поверхности. Поэтому бентонитам, безусловно, необходимо отдать предпочтение.
Необходимо отметить, что в случае попадания в облицовочную смесь с окислительными добавками углеродистых материалов (например, не удален с поверхности графит) наблюдалось сильное увеличение пригара. Этот факт свидетельствует о недопустимости загрязнения окислительной смеси мазутом, графитом, смолой и т. д. На основании проведенной работы в цехе Челябинского механического завода был отработан и рекомендован для широкого опробования следующий состав облицовочной смеси:
1. Песок КО 16 - 100%
2. Биклянский бентонит - 10%
(или огнеупорная глина) - 18%
3. Водный раствор сульфата натрия (в пересчете на сухой материал) - 1 %
4. Гематит -0,35%
Промышленные испытания на Челябинском тракторном заводе им. В. И. Ленина
Испытания подтвердили ранее проведенные исследования о значительном улучшении чистоты поверхности стальных отливок, изготовленных в формовочных смесях с окислительными добавками. Вместо химически чистого гематита опробовали гематитовую руду. В опытах применялся химически чистый сульфат натрия.
После выбивки, ломки прибылей и литниковой системы беспригарная площадь в %:
1. Верхняя часть отливок, - 40-50
опытные нижняя часть отливок - 20-40
2. Верхняя часть отливок, - 10-20
рядовые нижняя часть отливок - 0-10
На опытных отливках пригарная корка во время обрубки легко отделялась. После дробеочистки ступица была на 85-95% чистой от пригара, тогда как у рядовых отливок на 85-100% покрыта трудноотделимым слоем пригара.
Положительные результаты опытов дали возможность перейти к более широким испытаниям новой облицовочной смеси с окислительными добавками технического сульфата натрия, с содержанием Na2SО4 = 98,8% и молотой гематитовой рудой следующего химического состава: Fе2Оз = 86,7%, SiО2 =5,48%, р== 0,025%.
Наряду с этим были проведены лабораторные опыты для определения возможности уменьшения количества сульфата натрия в облицовочной смеси. Опыты на отливках из стали 20-35Л показали, что снижение содержания сульфата натрия до 0,5-0,7% положительно сказывается на чистоте поверхности стальных отливок. Дальнейшее уменьшение количества Na2SО4 заметно увеличивает пригар, что объясняется повышением температуры плавления силиката, увеличением вязкости и снижением его реакционной способности.
Полученные результаты позволили рекомендовать для длительного опробования в условиях конвейерного производства стальных отливок следующий состав облицовочной смеси в %
1. Песок кичигинский К0315- 100 (или соотношение песков К0315 : К01 =2:1)
2. Нижнеувельская огнеупорная глина - 18-20
3. Сульфат натрия технический - 0,5-0,7 ГОСТ 1363-47 (в растворе)
4. Гематитовая руда молотая - 0,4-0,5 ТУ АК-477
Таким образом, при вводе в формовочную смесь окислительных добавок происходит окисление проникших прожилок металла и за счет этого образуются рыхлые окислы позволяющие получить легкоотделимый пригар. При этом происходит прямая потеря металла за счет его окисления. Следовательно, окислительные добавки будут эффективны для крупных стальных отливок.
Сокращения пригара.
В литейном производстве при изготовлении разовых форм большое распространение получили песчано-глинистые смеси. Объясняется это сравнительной доступностью, распространенностью и дешевизной песка и огнеупорной глины. В связи с недостатками в последние годы стали уделять большое внимание изучению возможности замены главной составляющей формовочных смесей - кварцевого песка другими минералами. К таким минералам относится циркон, оливин, хромистый железняк, магнезит и другие.
НИИПТмашем определены критические противодавления (табл.21), при которых начинается проникновение стали в поры формы из различных материалов.
Таблица 21
Критические противодавления проникновения стали в поры формы
| Наполнитель | Зернистость * | Плотность, кг/м³ | Тепловая активность,
Ккал/ м2 ч  С
| Противодавление, кгс/см2 |
| Кварц Циркон Силлиманит Хромит Хромомагнезит Оливин | К016 010Б 010Б 27* 37* 20* | 1300 2500 1750 2050 1860 1920 | 23,8 27,1 28,4 24,6 24,6 25,4 | 0,33 0,77 0,70 0,50 0,42 0,32 |
*Количество (%) материала, прошедшего через сито 016)
Исследования[11,10,1] показали, что смеси на основе циркона, силлиманита, хромита и хромомагнезита обеспечивают получение стальных отливок с чистой поверхностью в тепловых узлах. Например, хромитовая смесь позволяет получать отливки толщиной до 300 мм с чистой поверхностью.
Высокоогнеупорные материалы применяют в виде паст и наносят на поверхность формы слоем до 3-6 мм, или из них изготовляют полностью формы. Поскольку высокоогнеупорные материалы дороже кварцевого песка, более целесообразно применять их только для приготовления облицовочных смесей, а в ряде случаев выполнять ими только отдельные участки формы, особо подверженные пригару. В последнем случае расход огнеупорного материала существенно сокращается и обычно не превышает 10-15 кг на 1 т литья.
Из высокоогнеупорных материалов наибольшее применение получил хромистый железняк (хромит) как наиболее дешевый[10,11].
Дистен-силлиманит. Внедрение облицовочных стержневых смесей с добавкой дистен-силлиманита марки ДСК-П на жидком стекле или СДБ в сочетании со сланцевой смолой позволило получить отливки без пригара из сложнолегированных сталей.
Циркон. Циркон и другие высокоогнеупорные материалы особенно незаменимы при производстве отливок из высоколегированных сталей. Применение цирконового песка особенно экономически выгодно при регенерации отработанных смесей. Чистота поверхности и размерная точность отливок, полученных в на основе цирконового песка, значительно выше, чем отливок, полученных в таких же формах из кварцевого песка. Это объясняется большей по сравнению с кварцем, теплопроводностью и в три раза меньшим коэффициентом термического расширения. Охлаждающее действие цирконового песка значительно выше, чем кварцевого, что позволяет использовать его в качестве материала холодильников при изготовлении форм для отливок сложной конструкции. Кроме того, цирконовый песок химически инертен по отношению к окислам железа при высокой температуре. Положительным свойством этого песка является также его мелкозернистость. При применении смесей и красок, на цирконовой основе достигается особо чистая поверхность отливок.
Применение цирконовых смесей наиболее оправдано при изготовлении крупных стальных отливок, на поверхности которых обычно образуется особенно сильный пригар. Смеси на цирконовой основе отличаются малой газопроницаемостью, поэтому изготовленные из них формы должны иметь хорошую и надежную вентиляцию. Тонко измельченный цирконовый песок применяется для изготовления красок.
Таким образом, применение цирконовых смесей дает возможность получать отливки с весьма чистой поверхностью. Однако, принимая во внимание дефицитность, дороговизну и сложность технологического процесса обогащения цирконового песка, смеси на цирконовой основе могут быть рекомендованы при изготовлении массивных и сложных по конструкции стальных отливок ответственного назначения, к качеству поверхности которых предъявляются повышенные требования. Эти смеси могут быть использованы также для изготовления тех участков формы, где требуется ускорить охлаждение отливки, т. е. в качестве своеобразных холодильников.
Оливин. Отливки, получаемые с применением оливиновых формовочных смесей, имеют более чистую поверхность и менее склонны к поверхностным дефектам, чем отливки с использованием кварцевых песков. Это объясняется большей теплопроводностью, меньшим коэффициентом термического расширения (0,034%) и большей огнеупорностью оливинита (1870° С) и дунита (1863° С) ,высокая температура плавления, химическая инертность по отношению окислам железа и марганца. Оливиновые пески нельзя смешивать с кварцевыми, так как их смесь образует, легкоплавкие эвтектики и усиливает пригар.
Дуниты менее пригодны для изготовления формовочных смесей, поскольку при заливке стали происходит выделение кристаллизационной воды из серпентина. Все это приводит к повышенной газотворности дунитовых форм. Формовочная смесь из оливинового песка с угловатыми зернами имеет более высокую прочность в сыром состоянии, но менее текуча.
Оливин химически не реагирует с окислами марганца, поэтому отливки из марганцовой стали получаются без пригара и менее трудоемки при очистке и механической обработке. Установлено также, что отливки из углеродистой стали, полученные литьем в формы из оливиновой смеси, имеют более чистую поверхность, чем полученные литьем в обычные формы. В настоящее время оливиновые смеси при производстве отливок из углеродистой стали применяют только для облицовки отдельных участков формы, где при использовании обычных смесей образуется пригар.
Главными недостатками оливина являются высокая стоимость и затрудненная уплотняемость из-за остроугольной формы зерен.
Загрязнение оливиновых смесей глиной, известняком или кварцем приводит к снижению их температуры плавления и появлению пригара. В качестве связующего материала при изготовлении формовочных смесей на оливиновой основе применяется, как правило, бентонит. Введение глины в смесь не допускается
Формовочные смеси на оливиновой основе могут быть рекомендованы к применению в условиях единичного производства при изготовлении массивных отливок из углеродистых и специальных, в том числе, марганцовых, сталей.
Хромистый железняк. Хромовые руды (хромистый железняк) давно привлекают внимание литейщиков. Главными преимуществами их являются высокая огнеупорность (до 1900°), химическая инертность по отношению к окислам железа, способность противостоять проникновению жидкой стали в поры формы и высокая теплопроводность (в 5-7 раз больше, чем песчано-глинистых смесей), а также способностью его спекаться при высоких температурах и намного меньше, чем кварц, разупрочняться. Уже первые опыты показали, что хромистый железняк является прекрасным противопригарным средством при изготовлении стальных отливок. В настоящее время его с успехом применяют для изготовления формовочных смесей, а также красок с различными связующими материалами.
Формы, облицованные хромистым железняком, обладают высокими противопригарными свойствами, однако их изготовление, кроме большого расхода хромистого железняка, связано с рядом неудобств. В частности, при съеме формы с модели происходит отслаивание облицовочной смеси, при формовке в почве и на встряхивающих машинах облицовочная смесь часто перемешивается с наполнительной. В то же время известно, что для получения стальных отливок с чистой поверхностью в зависимости от толщины стенок и веса их достаточно иметь слой хромистого железняка толщиной 1,5-4 мм. Такой слой можно получить нанесением на поверхность форм пасты повышенной вязкости, которая не требует сильного измельчения хромистого железняка и хорошо удерживается даже на вертикальных поверхностях. Лучшими связующими для пасты, являются патока и декстрин. Формы для отливок весом 1,5-2,0 т следует покрывать слоем пасты толщиной 1, 5 мм, а формы для отливок весом 30 т и более слоем толщиной 2-4 мм.
Применение пасты позволяет значительно повысить качество поверхности стальных отливок и более чем в 3 раза снизить затраты труда на очистку. Особенно высока экономическая эффективность применения указанной пасты при производстве крупных стальных отливок.
При изготовлении отливок из высокомарганцовых сталей, особенно склонных к образованию пригара, лучшим средством его устранения является хромистый железняк.
Хромомагнезит. Хромомагнезит представляет собой огнеупорный материал, содержащий 15-20% Сг2Оз и не менее 42% MgO. Его огнеупорность превышает 2000°. Формовочные смеси на хромомагнезитовой основе изготовляются из отходов хромомагнезитового кирпича.
Опытами установлено, что применение хромомагнезитовых смесей на крупных отливках из нержавеющей стали обеспечивает получение чистой поверхности. Образующаяся плотная корка пригара легко отделяется от отливки.
При проведении опытов обнаружилось значительное влияние зернового состава хромомагнезитового порошка на качество отливок. Применение крупного хромомагнезита вызывает механический пригар, а очень мелкого - поверхностные раковины. При изготовлении мелких и средних отливок рекомендуется более мелкий помол хромомагнезита (остаток на двух нижних ситах и тазике 35-40%), чем при изготовлении крупных отливок (остаток на тех же ситах и тазике 30-35%). Практически рекомендуется наносить облицовочный слой небольшой толщины (15-20 мм), использовать подслой с высокой газопроницаемостью и применять частые наколы, обеспечивающие хорошую вентиляцию формы. Применение быстросохнущих хромомагнезитовых смесей, наряду с повышением чистоты поверхности отливок, снижает трудоемкость изготовления форм по сравнению с обычной технологией на 35%.
Таким образом, использование формовочных смесей на основе хромомагнезита позволяет существенно улучшить качество поверхности отливок. Такие смеси могут с успехом применяться там, где имеются в достаточном количестве отходы хромомагнезитового кирпича. Хромомагнезитовые смеси особенно рационально применять при получении отливок из коррозионно-стойкой стали.
Магнезит. Огнеупорностью не менее 2000°. К недостаткам магнезита относятся высокий удельный вес и малая термическая стойкость.
В качестве связующих были испытаны декстрин, огнеупорная глина, силикон, цемент, жидкое стекло, вода, соляная кислота, хлористый магний, сорель-цемент, хлорид железа, бура. Лучшим связующим оказался сорель-цемент (45% MgO, 12% MgCl2 и 43% H2O), вводимый в смесь в количестве 15%.
Проведенные опыты показали, что оптимальными являются формовочные смеси со средней величиной зерна основного материала 0,2 мм.
Формовочная смесь пригодна для получения отливок из высоколегированных, в особенности аустенитных сталей, трудно поддающихся механической обработке.
В настоящее время магнезит еще не нашел себе широкого применения ввиду его дороговизны и дефицитности. Однако его можно рекомендовать при производстве отливок из специальных сталей и сплавов, обладающих высокой температурой плавления и большой химической активностью по отношению к обычным формовочным материалам. Магнезит рекомендуется применять при получении отливок из марганцевых и других специальных сталей.
Шамот. Представляет собой обожженную огнеупорную глину; содержит муллит 3Аl2О3-2SiO2 (40% А12Оз, остальное SiO2); его огнеупорность 1670-1750° С.
Шамот в виде порошка применяют в качестве наполнителя формовочных смесей при производстве крупного стального литья, в том числе и для изготовления форм многократного использования.
Шамотные смеси позволяют получать отливки с более чистой поверхностью, чем кварцевые смеси, что объясняется меньшим взаимодействием шамота с окислами железа и отсутствием в нем структурных превращений при контакте с металлом вызывающих резкое изменение объема
Основными из них являются следующие: химическое взаимодействие окислов металла и формы; недостаточная огнеупорность, особенно при использовании в смесях кварцевого песка, загрязненного посторонними окислами; высокий коэффициент термического расширения, приводящий к образованию поверхностных дефектов и снижающий точность размеров отливок; способность взаимодействовать с окислами железа; большое образование пыли и плохие санитарно-гигиенические условия в цехе.
Рекомендации по выбору противопригарных
Выводы
На основании проведенного анализа можно рекомендовать следующие технологические мероприятия для устранения или уменьшения пригара:
- уменьшить размеры зерен огнеупорного наполнителя
- производить заливку при оптимальной температуре жидкого металла, избегая ее превышения;
- проектировать технологический процесс формовки и заливки таким образом, чтобы уменьшить металлостатическое давление;
- использовать противопригарные покрытия на основе высокоогнеупорных и химически инертных к жидкому металлу и его оксидов материалов типа (цирконового концентрата, электрокорунда, маршалита и др.)
- при изготовлении крупных отливок ответственного назначения применять формовочные смеси с высокой теплоак-кумулирующей способностью;
(циркона, хромистого железняка и т. д.);
- обеспечивать высокое уплотнение формовочной смеси при изготовлении форм для крупных отливок и при применении крупнозернистого песка;
- вводить в песчано-глинистую смесь газотворные добавки, создающие в порах формы избыточное газовое давление, препятствующее, наряду с капиллярными силами, проникновению жидкого металла в поры формы.
- добавлять окислительные добавки для получения легкоотделимого пригара.
Список использованной литературы
1. Арсов Я.Б. Стальные отливки. - М.: Машиностроение,1977.- 176с.
2. Берг. П. П. Формовочные материалы. - М.: Машгиз ,1963.- 408с.
3. Берг. П. П. Качество литейной формы. - М.: Машиностроение ,1971.- 286с.
4. Валисовский И.В. Пригар на отливках. - М.: Машиностроение,1983.-192с.
5. Валисовский И.В., Багров А.А. Образование механического пригара на отливках из высоколегированных сталей // Литейное производство.-1966.-№3.-с.23-25
6. Васин Ю.П.,Иткис З.Ю. Окислительные смеси в конвейерном производстве
стального литья. - Челябинск: Южно-Уральское кн. изд., 1973. - 153с.
7. Гайсин. Б. М. Изучение образования пригара на технологической пробе // Литейное производство.-1964.-№6.-с. 38-39
8. Гайсин Б. М. Проба на пригар // Литейное производство.-1976.-№11.-с. 20-21
9. Лясс А.М. Быстротвердеющие формовочные смеси. - М.: Машиностроение, 1965. – 332с.
10. Получение отливок без пригара в песчаных формах/ С.П. Дорошенко, В.Н. Дробязко, К.И. Ващенко и др. - М.: Машиностроение, 1978.- 206с.
11. Сварика А.А. Покрытия литейных форм. - М.: Машиностроение,1977.- 216с.
12. Святов С.В., Денисов В.А. Предотвращение металлизированного пригара на стальных отливках // Литейное производство. – 1986.-№1.-с.16-17
13. Черногоров П.В., Васин Ю.П. Получение отливок с чистой поверхностью. - Москва- Свердловск : Машгиз , 1961.- 143с.
14. Черногоров П. В., Никифоров А. П. , Ким Г. П. Образование и устранение пригара на отливках из углеродистой стали // Литейное производство. – 1966. -№11.-с.24-26
Введение
Пригар на отливках является одним из самых распространенных дефектов, значительно увеличивающим трудоемкость обрубных и очистных работ.
На протяжении многих лет литейщики изучают механизм образования пригара и разрабатывают методы борьбы с ним. Однако до сих пор еще не найдены способы полного устранения пригара во всех случаях практики. Такое положение объясняется чрезвычайной сложностью процессов, происходящих на поверхности раздела металл-форма и приводящих к образованию пригара.
Пригаром обычно называют неметаллическую корку, прочно удерживаемую на поверхности отливки и состоящую из зерен формовочного материала и цементирующего вещества.
Разделение пригара на разные виды, является условным, и в реальных отливках можно обнаружить одновременное существование всех или, по крайней мере, двух видов пригаров. Следовательно, пригар на отливках всегда бывает комбинированным. В условиях формы заливаемый металл в большей или меньшей степени покрыт окислами, резко меняющими характер проникновения металла в поры формовочной смеси. Установлено, что струйки металла, проникающие в поры формы, покрыты пленкой окислов железа. Следовательно, механическому пригару сопутствует и способствует химический пригар.
Однако не всякий пригар вызывает необходимость борьбы с ним. Часто образовавшаяся пригарная корка легко отделяется от отливки при последующем охлаждении. Это так называемый легкоотделимый пригар. Иногда борьба с пригаром сводится не к предупреждению образования пригара, а к получению легкоотделимого пригара вместо трудноотделимого.
Встречающиеся на практике такие дефекты отливок, как «просечка» и «металлизация» представляют собой разновидности химического, термического и механического пригаров. Поэтому способы предотвращения указанных дефектов являются общими со способами предотвращения пригара на отливках.
Образование пригара определяется многими факторами, зависящими от свойств металла, от свойств формовочных смесей и технологических условий заливки. На образование пригара, с одной стороны, влияют химический состав металла, его вязкость и жидкотекучесть, степень раскисленности металла, его капиллярные свойства (поверхностное натяжение и способность смачивать стенки формы) и т. д. С другой стороны, возникновение или отсутствие пригара определяется огнеупорностью, химическим и зерновым составом формовочных материалов, смесей, пористостью и теплоаккумулирующей способностью формы, активностью окислов формовочных материалов к окислам металла и т. д.
Кроме того, такие факторы, как металлостатическое давление, атмосфера в форме во время заливки, длительность заливки, соотношение коэффициентов расширения и сжатия металла и формовочных материалов и др., существенно влияют на образование пригара и на прочность сцепления его с отливкой.
Из изложенного выше следует, что при изучении взаимодействия металла и формы приходится сталкиваться с очень большим числом переменных во времени факторов, определяющих величину и характер пригара. Учесть влияние каждого из них не всегда представляется возможным. Поэтому трудно представить такую методику, которая позволила бы дать универсальную оценку противопригарных свойств формовочных смесей. Противопригарные свойства смесей есть комплекс многих свойств металла и формовочных материалов, а также условий заливки металла в форму. Нельзя говорить о противопригарных свойствах данной смеси вообще без учета свойств металла. Известно, что смеси, позволяющие получать чистые от пригара отливки из одного сплава, оказываются непригодными для отливок из других сплавов.
Сложность процессов взаимодействия металла и формы вынуждает литейщиков идти по двум путям оценки противопригарных свойств. Первый путь заключается в том, чтобы раздельно изучать один или небольшую группу факторов, преимущественно влияющих на какой-либо вид пригара. Он дает более общие решения, позволяет строить теоретические основы процессов взаимодействия металла и формы, а также оценивать интересующие нас свойства смеси в физических единицах измерения.
Второй путь состоит в применении различных технологических проб. Образование пригара изучают в условиях, близких к практическим, т. е. изучают комплексный пригар с преобладанием того или иного вида пригара. Оценку противопригарных свойств смеси производят либо качественно, либо по какому-нибудь условному количественному критерию.
Целью данной работы является анализ методов, сокращения пригара, на основании литературных данных.
Классификация видов пригара
Термический пригар
Возникает вследствие оплавления материала формы под влиянием теплоты залитого металла. Он появляется всякий раз при использовании для приготовления формовочных смесей песков и глин с недостаточной огнеупорностью. Такой пригар большей частью легко отстает от поверхности отливок в виде толстой «шубы», но отливка имеет неровную серую поверхность с точечными включениями нерасплавившегося кварца. Оплавление формовочного материала сопровождается газовыделением и образованием поверхностных газовых раковин.
Механический пригар
Образуется вследствие проникновения расплавленного металла в поры формы. Для того чтобы возник механический пригар, металл должен внедриться в поры формы на глубину не меньше диаметра зерна формовочной смеси. При этом на поверхности отливки возникает сетка из металла и зерен формовочной смеси, удалить которую можно только вырубкой совместно с поверхностным слоем отливки. Механизм образования механического пригара можно представить следующим образом. Поступая в форму, жидкий металл соприкасается с еще холодными ее стенками и охлаждается с поверхности, в результате на поверхности отливки образуется затвердевшая корка. Толщина этой корки зависит от температуры заливаемого металла, температуры и теплоаккумулирующей способности формы и других факторов. Если отливка сравнительно тонкостенная, то теплоты, выделяющейся при последующей кристаллизации всей массы отливки, оказывается недостаточно для того, чтобы вновь расплавить первоначально образовавшуюся корку и снова обеспечить уже более длительный контакт жидкого металла со стенками формы. В этих условиях механический пригар образоваться не может.
Если же в равных условиях заливают крупную толстостенную отливку, то образовавшаяся вначале корка вновь расплавится под действием теплоты затвердевающей отливки и жидкий металл войдет в контакт со стенками формы. Однако внедрение его в поры формы начинается не сразу, поскольку формовочные материалы подбирают так, чтобы они не смачивались жидким металлом.
В этих условиях, как известно, возникает капиллярное противодавление p k, противодействующее внедрению жидкости в капилляры. Кроме того, проникновению металла будет препятствовать сравнительно низкая температура формы. По мере прогревания стенок формы из формовочной смеси выделяются водяные пары и газы, создающие в порах газовое противодавление рr, которое также препятствует проникновению металла.
Когда же прилежащие к отливке слои формы нагреваются до температуры ликвидуса заливаемого сплава, проникновение неокисленного металла становится возможным. Для начала проникновения металла необходимо создать металлостатическое давление р м, которое должно быть равно или превосходить по величине сумму капиллярного и газового противодавления, т. е. для образования механического пригара необходимо выполнить условие:
p м = p к + р r.
Металлостатическое давление, при котором начинается проникновение расплава, называют критическим.
В холодной форме, если давление металла на стенку формы равно критическому, металл проникнет в поры формы на глубину не более половины диаметра зерна, т. е. на доли миллиметра. При прогревании поверхности формы металл, находясь под критическим давлением, будет проникать в глубь формы по мере распространения изотермы, соответствующей температуре плавления металла.
Если формовочная смесь смачивается жидким металлом, то последний проникает (всасывается) в поры формы без приложения к жидкому металлу внешнего давления. Проникновению способствует неизбежное окисление металла при выплавке и заливке, поскольку окислы смачивают формовочный материал.
Механизм образования
В общем виде механизм образования пригара может быть описан формулой Пуазейля, если рассматривать форму как пористое тело, состоящее из пучка капилляров диаметром 2 r и длиной l (1):
где τ – продолжительность процесса;
η- вязкость промежуточного соединения;
p- давление, под которым это соединение проникает в поры формы;
Q- количество проникающего в капилляры смеси промежуточного соединения.
За время
прирост объема жидкости dQ в капилляре может быть выражен в виде
Тогда после постановки значения для dQ
Отсюда
или
Следовательно, за время τ промежуточное соединение вязкостью η проникает в капилляры диаметром 2r под давлением р на глубину l:
(1)
где
Пригар образуется, если промежуточное соединение проникает в форму на глубину l, превышающую радиус зерна r.
Поэтому необходимым, но еще не достаточным условием для устранения механического пригара является выраженное в критериальном виде условие
Приведем формулу (1) к такому же критериальному виду
Для уточнения формулы следует рассмотреть входящие в нее величины р, τ и η при условии, что свойства формы не изменяются во времени.
Приведение выражения к критериальному виду подчеркивает необходимость определения не глубины проникновения промежуточного пригарного слоя, а условий, обеспечивающих полное отсутствие механического пригара.
Давление р складывается из трех составляющих.
1. р1- статического давления жидкого металла на поверхности формы. Если высота слоя жидкого металла Н см, а плотность γ г/см³, то давление этого слоя составит
г/см² = кГ/см²
2. р2- противодавление газов в форме. Оно может быть положительными отрицательным; обычно принимается положительным как результат выделения газов формой при ее нагреве. Но противодавление может быть и отрицательным, если применять искусственный отсос газов из формы, например, при изготовлении крупных отливок; отсос должен применяться только после образования на поверхности отливки достаточно прочной корки затвердевшего металла. Непосредственные измерения показали, что давление р 2 может дойти до 0,1 кГ/см2; при изготовлении низких отливок нельзя пренебрегать давлением газов.
3. p s-капиллярного давления:
При полном смачивании cos φ = 1 и радиусе зерна 0,1 мм это давление
может дойти до 0,2 кГ/см2, т. е. до величины, сопоставимой с металлостатическим давлением.
Таким образом, полное давление
или, в развернутом виде,
Существует еще давление от усадки металла на стенки формы, которое возникает после затвердевания отливки. Однако учесть это давление в настоящее время не представляется возможным. Между тем, оно имеет очень большое практическое значение.
Величина τ, характеризующая продолжительность процесса образования механического пригара, зависит от продолжительности пребывания металла в жидком состоянии, которая может быть связана с приведенной толщиной отливки R:
откуда
Для усредненных расчетов можно принять m=0,1. Продолжительность пребывания поверхности металла в жидком состоянии заведомо и значительно меньше продолжительности полного затвердевания отливки. Поэтому следует принять
Необходимо подчеркнуть, что в данном случае разбираются условия образования механического пригара. Химический пригар может образоваться значительно позднее, после полного затвердевания отливки.
Входящую в формулу (1) вязкость можно определить по упрощенной формуле в зависимости от температуры Т:
где η н и η т - вязкости при начальной и искомой температурах.. После подстановки полученных значений формула (1) приобретает вид
(2)
где Сз - эмпирически определяемый коэффициент.
Приведенная к критериальному виду формула может быть выражена в виде неравенства
(2)
Глубина проникновения пригарного соединения имеет подчиненное значение по сравнению с требованием создания условий, при которых это соединение не проникает на глубину, превышающую радиус зерна.
Из неравенства (1) следует:
1. На пригар оказывает очень большое влияние величина отливки, от которой зависит металлостатический напор и продолжительность образования корки на поверхности отливки. Поэтому целесообразно противопригарные мероприятия проводить с учетом размера отливок.
2. В слагаемом - формулы (1) поверхностное натяжение жидкого металла изменяется от 0,6 до максимум 1,5 г/см, cos φ от +1 до -1, радиус зерна-десятикратно. В целом это слагаемое заслуживает значительного внимания.
3. Слагаемое р 2 изучено недостаточно. Можно полагать, что изменение р 2 существенно влияет на процессы, происходящие в форме, в частности на пригар.
4. Вязкость пригарного соединения изменяется не более чем в 2 раза и оказывает подчиненное влияние.
5. Продолжительность пребывания поверхности металла отливки при температурах возможного взаимодействия с поверхностью формы зависит от толщины отливки, коэффициента затвердевания, от температуры заливки.
Химический пригар
Возникает в отливках из сплавов с высокой температурой плавления в результате сложных реакций между металлом отливки, его окислами и материалом формы. В отличие от механического пригара зерна песка в пригоревшем слое связываются главным образом продуктами химических реакций, протекающих при высоких температурах, преимущественно силикатами.
На поверхность раздела металл - форма окислы компонентов сплава поступают двумя путями: в небольшом количестве - в виде окислов, растворенных в расплаве и образующихся во время выплавки и заполнения формы, а главным образом вследствие окисления раскаленной затвердевающей поверхности отливки. Массивная отливка из стали дольше находится в раскаленном состоянии, и поэтому на ее поверхности образуется больше окислов.
Считают, что пригар не образуется в двух случаях: когда поверхность отливки не окислена или окислена очень сильно. На неокисленной поверхности металла пригар образоваться не может, так как во взаимодействие с кремнеземом формы вступают только окислы металла; взаимодействие неокисленного металла с кремнеземом маловероятно.
Например, в мелких быстроостывающих отливках, где на поверхности металла образуется слой окислов незначительной толщины, для предотвращения пригара достаточно применить огнеупорные припыл или тонкий слой краски, чтобы предотвратить непосредственный контакт окислов металла с кремнеземом формы. Гораздо труднее избежать пригара на отливках среднего развеса, где окислы на поверхности отливок образуются в больших количествах, чем на мелких, но все же недостаточных для получения слоя окислов оптимальной толщины, обеспечивающих получение легкоотделяемого пригара.
На толстостенных отливках, полученных в жидкостекольных формах без применения покрытий, образуется легкоотделяемый пригар, поскольку сталь легко окисляется и дает большое количество окислов в пригарной корке.
Образующаяся на поверхности отливок закись железа FeO имеет температуру плавления 1380° С, поэтому на поверхности даже закристаллизовавшейся стальной отливки она может находиться в жидком состоянии довольно долгое время. Окислы железа хорошо смачивают кварцевый песок и под действием капиллярного давления легко проникают в поры литейной формы, вступая в реакцию с кремнеземом:
2FeO + 2SiO 2FeO SiO .
В сплавах с высоким содержанием марганца образованию пригара способствует также аналогичная реакция между закисью марганца и кремнеземом
2MnO + 2SiO 2MnO SiO .
Образующиеся в результате этих реакций легкоплавкие силикаты фаялит (2FeO SiO ) и тефроит (2MnO SiO ) после затвердевания цементируют зерна песка в слои пригара.
Механизм образования
Образование химического пригара представляется следующим образом. После заливки формы поверхность отливки 1 покрывается слоем 2 окислов и силикатов железа (рис. 1, а: 3 - зерна кварца, 4 - пленка крепителя). Скорость окисления стали в первый момент после затвердевания отливки 5 (рис. 1, б) при наличии в порах формы большого количества свободного кислорода велика, образующийся окисный расплав накапливается в граничной поверхности, увеличивая относительную площадь контакта отливки и формы. Часть расплава проникает в глубь формы между зернами песка, образуя и связывая корку пригара с отливкой (см. рис. 1, б). В дальнейшем окисление поверхности отливки резко замедляется вследствие уменьшения окислительной способности газов в форме и снижения температуры металла, скорость образования нового окисного расплава на граничной поверхности становится меньше скорости его миграции в глубь формовочной смеси, и между отливкой и формой возникает зазор (см. рис. 1, в). При этом относительная площадь контакта металла с формой уменьшается.
Влияние технологических факторов на пригар
Влияние огнеупорности
В настоящее время можно считать установленным ряд закономерностей, связанных с влиянием огнеупорности на пригар [2,3]:
1. Наибольший пригар обнаруживается при использовании смесей со средней огнеупорностью.
2. Пригар может уменьшиться при использовании смесей, как с большой, так и с малой огнеупорностью.
В качестве примеров можно привести снижение пригара при заливке стали (высокая температура заливки) в жидкостекольные формы.
Пригар увеличивался при повышении содержания полевых шпатов, до 20%, при дальнейшем повышении их содержания наблюдалось снижение пригара. Удавалось получать отливки с малым пригаром в смесях на основе ваграночного шлака.
Для оценки огнеупорности материалов, применяемых в литейном производстве, особое значение приобретает скорость появления тех свойств, которые характеризуют «огнеупорность», т. е. размягчение, плавление, спекание.
Отсюда ряд следствий:
1. Химический состав не может характеризовать огнеупорность, так как при неизменном валовом химическом составе может наблюдаться разное распределение элементов между зернами. Между тем процессы оплавления, размягчения и спекания начинаются с поверхности зерен. Поэтому эти процессы разовьются тем скорее, чем мельче зерна и чем равномернее они между собой перемешаны. По этой же причине огнеупорность силиката всегда ниже огнеупорности смеси разных зерен, но того же валового химического состава.
2. Еще меньшее значение может иметь огнеупорность отдельных составляющих смеси, так, например, от добавления огнеупорной глины в большом количестве смесь может оказаться менее «огнеупорной», чем при добавлении менее огнеупорной глины, но в меньшем количестве.
Дата: 2019-05-29, просмотров: 193.
