Контрольные вопросы

1. Приведите классификацию газовых дефектов в отливках. Поясните механизм их образования.

2. Предложите меры по устранению газовых дефектов на этапе первичной кристаллизации.

3. Поясните механизм образования газовых раковин эндогенной природы и меры по их устранению.

4. Какие причины образования в отливках газовых раковин экзогенной природы?

5. Приведите уравнение Лейбензона, определяющее давление газов на границе металл-форма и дайте его анализ.

6. Какие меры следует предпринять, чтобы понизить уровень газового давления в системе металл-форма?

7. Что определяет газопроницаемость и как ее можно контролировать?

8. Как можно оценить газотворную способность формовочных и стержневых смесей?

9. Влияет ли фактор растворимости газов в жидком металле на образование газовых дефектов?

10. Поясните, почему пористость в отливках в основном является газоусадочной?

6. Образование дефектов на поверхности отливок

6.1 Классификация пригара по механизму образования

Одним из видов взаимодействия расплава с литейной формой являются физико-химические процессы, протекающие непосредственно на границе раздела сплава и формы. В большинстве случаев стремятся создавать условия, при которых такие процессы в системе металл-форма не происходят. Это позволяет получить отливки хорошего качества .

Физико-химические процессы с участием расплава и материалов формы приводят к образованию на поверхности отливки дефекта в виде пригарной корки или пригара, прочно связанных с металлом. Толщина корки может достигать 30-40 мм. В зависимости от особенностей протекания процесса взаимодействия пригар делят на механический, химический и термический.

Механическим пригаром называют поверхностный дефект, представляющий собой корку из формовочной смеси, сцементированную жидким металлом, проникшим в смесь через поры литейной формы. После затвердевания отливки на ее поверхности образуется металлокерамическая корка, прочность которой достигает 2-2,2 МПа.

Согласно закону Пуазейля глубину проникновения металла в пористую структуру смеси можно определить по формуле

, (6.1)

где г – средний размер пор в структуре смеси, м;

– время, в течение которого металл остается жидким, с;

η – вязкость жидкого металла, Па с;

Н·γ _– металлостатическое давление жидкого металла, Па;

– поверхностное натяжение жидкого металла на границе металл-форма, Н/м;

– краевой угол смачивания зерен песка расплавом;

P_г – давление газов в порах смеси, Па.

Как видно из уравнения (6.1) глубина проникновения жидкого металла зависит от следующих факторов: размера пор (капилляров), уходящих от поверхности отливки в глубь формы;

времени взаимодействия жидкого металла с формой; величины металлостатического давления на рабочую поверхность формы; смачивания расплавом материалов литейной формы от вязкости расплава, заполняющего поры формы.

Влияние металлостатического давления (Н·γ) на толщину пригарного слоя зависит от степени уплотнения формовочной смеси (ее плотности). Пригар усиливается при применении крупнозернистых песков, т.к. при этом увеличивается размер пор (r = 0,154 R при плотной структуре зерен песка и r = 0,41 R при кубической упаковке зерен; R – радиус зерен).

При взаимодействии расплава с формой действуют поверхностные натяжения на границах: форма-газ ( ), форма-металл ( ), металл-газ ( ). От величины и краевого угла смачивания , который может определить по формуле,

, (6.2)

зависит эффект смачивания.

Если > , то расплав хорошо смачивает форму и проникает в капилляры даже при малых значениях Нγ. Если < , то , то расплав слабо смачивает форму и пригар может образоваться только при достаточно больших значениях Нγ.

Поверхностное натяжение зависит от содержания углерода в расплаве и может быть определено по эмпирической формуле

(6.3)

С увеличением содержания углерода уменьшается (θ также уменьшается) и расплав, хорошо смачивая форму, проникает в нее на б льшую глубину.

Сера, фосфор и в меньшей степени кремний способствуют понижению поверхностного натяжения .

Поверхностное натяжение значительно снижается в сталях и чугунах, если они содержат кислород, при этом механический пригар на поверхности отливок сильно выражен.

Механический пригар является трудноудаляемым с отливок, поэтому железоуглеродистые сплавы рекомендуются обязательно раскислять.

При химическом пригаре зерна песка спекаются между собой силикатами переменного состава, образующимися в результате взаимодействия оксидов железа с кварцевым песком.

nFeO+SiO₂=nFeO∙SiO₂ , (6.4)

где n - число молекул оксида FeO.

Значительную часть в составе железосиликатов составляет фаялит 2FeO∙SiO_2. Температура его плавления равна 1178 ºС, что значительно ниже температуры плавления FeO (1380 ºС) и SiO₂ (1713 ºС). Понижению температуры плавления железосиликатов способствуют присутствующие в составе смесей примеси щелочных и щелочноземельных металлов (Na₂O, MgO, CaO и др.). Особенно усиливается пригар на поверхности стальных отливок, если стали содержат повышенное содержание марганца, т.к. образуются марганцовистые силикаты

xMnO+SiO₂= xMnO∙SiO₂ (6.5)

Силикаты, образующиеся по реакциям (6,4) и (6,5), являются легкоплавкими соединениями, имеют высокую жидкотекучесть, легко заполняют капилляры формы. . Они хорошо смачивают форму, поэтому на поверхности стальных отливок образуется пригарный слой, сильно выраженный в отливках из высокомарганцовистых аустенитных сталей. Отливки из высоколегированных хромом и никелем сталей получают с незначительным пригаром, т.к. сплавы не склонны к окислению (к тому же оксиды хрома не взаимодействуют с SiO₂).

Химический пригар подразделяют на легко- и трудноотделимый. Трудноотделимый пригар образуется на тонкостенных отливках, изготовленных по CO₂-процессу.

Термический пригар образуется без прямого участия заливаемого в форму сплава. Зерна песка объединены в монолитную массу легкоплавкими соединениями, которые образуются в результате реакций между компонентами смеси, например, между жидким стеклом и песком в жидкостекольных смесях. Термический пригар слабо связан с поверхностью отливки и легко удаляется. Часто термический пригар образуется на последней стадии затвердевания отливки и поэтому обнаруживается над слоем механического или химического пригара.