Физико-химические основы литейных процессов

5.2. Напряжения в поверхностном слое формы

Наиболее опасным дефектом поверхности форм, образующимся при сушке и под воздействием теплоты заливаемого

вформу металла, являются трещины. Как правило, они распространяются в глубь формы на десятки миллиметров, а их ширина достигает нескольких миллиметров, что способствует беспрепятственному проникновению металла в поверхностные слои формы и образованию металлизированного пригара. Причиной появления трещин является возникновение в поверхностном слое нагреваемой формы напряжений, превышающих предел прочности смеси и краски на разрыв. Поскольку сначала нагревается поверхность формы, то трещина и образуется на этой поверхности и развивается вглубь по мере прогрева формы. При прочих равных условиях вероятность образования трещин тем меньше, чем прочнее слой противопригарного покрытия, они будут образовываться тем реже, чем меньше напряжения, возникающие в поверхностном слое формы. Следовательно, вероятность образования трещин связана со свойствами смесей и противопригарных покрытий.

Общепризнанным является положение, что для смесей на основе кварцевого песка особенно опасной, с точки зрения возникновения напряжений, является температура перехода α-кварца

вβ-кварц [7, с. 164], так как при этом происходит увеличение объема смеси на 2,4–5,5 %. Было установлено, что напряжения,

возникающие при заливке форм из смесей на основе хромитовых, хромомагнезитовых и шамотных песков, т.е. смесей,

вкоторых нет модификационных превращений, более чем

в6 раз меньше напряжений, возникающих в формах из пес- чано-глинистых смесей на основе свежего кварцевого песка.

При высоких температурах напряжения в смесях с неорганическими связующими значительно выше, нежели в смесях с выгорающими органическими связующими. Возникающие в поверхностном слое напряжения могут иметь различный характер, но

51

наиболее опасными следует считать напряжения изгиба и разрыва, так как именно они могут вызвать отслоение покрытия или образование трещин.

При изучении стойкости литейных форм против растрескивания при мгновенном нагреве их жидким металлом установлено, что эта характеристика повышается при использовании крупно-зернистого песка и тем выше, чем больше зерновая неоднородность песка. Повышение содержания глины, использование бентонита вместо глины, добавление в смесь каменноугольной пыли, декстрина и других органических материалов также способствует увеличению стойкости форм против растрескивания.

Особенно часто трещины и связанные с ними просечки встречаются при изготовлении чугунных отливок в формах из смесей с синтетическими смолами. Повышение содержания в смеси фурилового спирта увеличивает склонность к образованию просечек. Реже они образуются в пластичных при высоких температурах смесях, например в жидкостекольных. По данным А.М. Петриченко, трещины, как правило, возникают до контакта формы с металлом.

На образование трещин влияют дисперсность наполнителя, толщина слоя краски, скорость и температура сушки и т.п. Применение тонкодисперсного наполнителя увеличивает склонность красок к образованию трещин. Оптимальным размером частиц наполнителя считается 75 мкм. Толщина слоя краски зависит от типа расплава, температуры заливки, толщины отливки и т.д.

Качество поверхностей литья в значительной степени зависит от прочности сцепления противопригарного покрытия с формой, смачивающей способности и глубины проникновения краски в смесь. Меньшая склонность водных красок к растрескиванию связана с более глубоким проникновением ее в поры формы, что обеспечивает и лучшее сцепление со смесью. В то же время, если причиной возникновения напряжений в поверхностном слое формы является деформация краски, необходимо стремиться к уменьшению глубины пропитки.

52

5.3. Окисление поверхности металла

По мнению П.П. Берга, допущение, что с поверхностью формы соприкасается чистый металл, маловероятно. Такое просачивание «чистого» металла в глубь формы может иметь место только при очень грубых просечках. Можно полагать, что в подавляющем большинстве случаев имеет место проникновение в поверхность формы металла с поверхностью, сильно обогащенной окислами. В этом случае происходят сложные физикохимические процессы, связанные с соприкосновением окислов поверхности формы с окислами металла отливки. Поэтому вместо системы металл – форма следует рассматривать систему ме-

талл – окислы металла – окислы формы. Схематично эта сис-

тема приведена на рис. 8.

Рис. 8. Схема образования пригарного слоя

Применительно к этой схеме можно процесс образования пригара разделить на несколько условных этапов:

1)окисление поверхности металла или, что то же, повышение концентрации кислорода на поверхности металла;

2)смачивание поверхности формы окисленной поверхностью металла;

3)образование соединений между окислами металла и окислами формы (образование пригарногослоя).

53

Уменьшение содержания окислов на поверхности металла может быть осуществлено двумя путями:

1)уменьшением абсолютного содержания окислов в металле до попадания его в полость формы;

2)уменьшением окисления металла, попавшего в полость

формы.

Непосредственные опыты подтверждают, что хорошее раскисление металла приводит к значительному уменьшению пригара. В частности, установлено, что высокомарганцовистая сталь типа Г13 пригорает значительно меньше, если плавка доведена под шлаком с пониженным содержанием окислов. Поэтому на некоторых заводах, производящих высокомарганцовистые стали, проверяется содержание марганца в шлаке.

Так, например, содержание окиси марганца в шлаке при плавке в электрических печах не должно превышать 3,5 %, а при плавке в мартеновских печах – 8 %.

Вполне вероятно, что окисление металла увеличивается ипригар увеличивается тоже, если металл заполняет форму сболее развитойповерхностью, например, болееузкойи тонкойструей.

Восстановительная атмосфера создается в форме введением в смесь добавок, поглощающих при сгорании кислород воздуха. Можно полагать, что восстановительная атмосфера формы может препятствовать дальнейшему окислению металла, но не может его восстановить. Задача подбора таких добавок усложняется требованием создания восстановительной атмосферы с момента попадания в форму первых капель металла и сохранением восстановительной атмосферы до окончания возможного процесса взаимодействия между окислами металла и формы.

Эта задача решается подбором добавок с соответствующей реакционной способностью. Применительно к чугунным отливкам можно различать три типовых случая:

1) заливка наиболее мелких отливок в сырые формы. В этом случае противопригарная добавка наносится в виде припылов на поверхность сырой формы;

54

2) заливка отливок средних размеров в сырые формы.

Вэтом случае противопригарная добавка вводится в смесь;

3)заливка крупных отливок в обработанные (высушенные) формы. В этом случае противопригарная добавка наносится в виде краски на поверхность обработанной или обрабатываемой формы.

При обсуждении вопроса окисления поверхности металла необходимо также иметь в виду значительную разницу характеристик смачиваемости литейных сплавов и их окислов при температурах образования пригара. В табл. 9 приведена эта характеристика для различных температурных диапазонов. Окислы расплавляются при более низких температурах нагрева, напри-

мер файялит 2FeO·SiO2 – при температуре 1170 ºС, а поверхностное натяжение их существенно меньше, чем у сплавов.

Таблица 9

Поверхностное натяжение некоторых литейных материалов, сплавов и их окислов

55

5.4. Температура поверхности и глубина прогрева формы

Жидкий металл, залитый в литейную форму, охлаждается. Если в момент контакта формы с металлом температура поверхности раздела металл – форма tп будет равна температуре затвердевания tзат или будет ниже ее и на границе с формой образуется корочка твердого металла, которая сохранится до полного затвердевания отливки, то проникновение металла в поры формы станет невозможным. В случае tп > tзат металл может проникнуть в смесь на глубину прогрева формы по tзат. Температура поверхности формы определяется многими факторами. Она зависит от температуры и продолжительности заливки, толщины и конфигурации отливки, теплофизических свойств формы и металла и многих других факторов. Температура поверхности и глубина прогрева формы не только определяют условия образования металлизированного пригара, но и влияют на процессы окисления и возникновения химического и термического пригара, спекания смеси.

Глубина проникновения пригарного слоя увеличивается:

1)при увеличении продолжительности процесса, следовательно, и при увеличении приведенной толщины отливки;

2)уменьшении вязкости, а следовательно, и при увеличении температуры заливки;

3)увеличении давления, а следовательно, при увеличении высоты отливки;

4)увеличении размеров зерна, а следовательно, при увеличении газопроницаемости смеси.

Особого внимания заслуживает вопрос о продолжительности процесса, зависящей от теплового режима формы. В частности, можно полагать, что продолжительность проникновения пригарного слоя увеличивается при увеличении количества тепла, передаваемого от отливке к форме и при уменьшении ее теплопроводности.

56

Создание резковосстановительной атмосферы может уменьшить количество окислов на поверхности металла, а следовательно, и изменить глубину их проникновения в форму. Приведенные ниже данные о глубине контактной зоны иллюстрируют глубину прогрева формы.

57

6. РАЗРАБОТКА И ПРОМЫШЛЕННОЕ ОСВОЕНИЕ НОВЫХ ПРОТИВОПРИГАРНЫХ СРЕДСТВ

6.1. Классификация и состав красок

До недавнего времени под краской понимался слой, наносимый на поверхность формы или стержня для предохранения их от пригара. Правильнее не включать в определение понятия краски требование предохранения отливки от пригара. Можно рассматривать предохранение от пригара как частный случай,

а в общем виде под красками и припылами следует понимать

слои, наносимые на поверхность формы и стержня, придающие поверхности отливки заданные свойства. При таком определении подчеркивается активность краски, которая должна не только уменьшать пригар, но и придавать отливке также другие поверхностные свойства [8, с. 380], как, например, улучшение качества поверхности, изменение химического состава.

При этом краска отличается от припыла тем, что она наносится в виде суспензии, а припыл в виде порошка. Можно ожидать в ближайшем будущем значительно более широкого использования красок и припылов как метода улучшения качества поверхности.

Краски и припылы можно различать по признаку комплексного воздействия на металл:

1)краскипассивные– неплавящиесяинедиффундирующие;

2)краски активные – плавящиеся;

3)краски активные – диффундирующие. Второстепенными признаками, по которым можно разли-

чать все три типа красок, являются: заливаемый металл (сталь, чугун, цветные сплавы); методика высушивания красок (внешним источником тепла, сжиганием и экзотермическими процессами).

58

Всухом составе красок, так же, как и смесей, можно различать три составные части: зерновую составляющую; связующую добавку; специальную добавку. К этому сухому составу может добавляться разная жидкость и в разном количестве.

6.2.Зерновая составляющая

Всоответствии с предыдущим параграфом можно различать зерновую составляющую: неплавящуюся; плавящуюся; диффундирующую. Неплавящиеся зерновые составляющие могут быть органические и неорганические. Из неорганических находят применение только окислы как наиболее стойкие соединения.

Сочень большой осторожностью могут применяться соли и водные окислы, так как многие из них (например, карбонаты) распадаются при высоких температурах. Окислы обладают разной химической активностью по отношению к заливаемому металлу и его окислам. К наименее активным относятся магнезит, хро-

момагнезит, хромистый железняк, корунд и циркон. Недопус-

тимо смешивание зерен минералов, если они могут вступать между собой в химическое взаимодействие, например кислых и основных – кварца и магнезита.

Из органических огнеупорных добавок применяются почти исключительно углистые. По признаку понижающей химической активности эти добавки могут быть расположены в ряд: древесный уголь (наибольшая химическая активность), каменный уголь, кокс, антрацит и графит. В целях уменьшения пригара и создания в полости формы восстановительной атмосферы с момента попадания в нее первой капли жидкого металла часто и вполне обоснованно в краску вводится небольшое количество наиболее активных углистых добавок – древесного и каменного угля (до 5 %). Избыток каменного угля опасен, так как может привести к ухудшению качества поверхности из-за выделения летучих при нагреве. Соотношение между коксом, антрацитом

59

и графитом определяется главным образом экономическими соображениями и условиями работы формы: чем более напряжена форма, тем менее химически активной должна быть краска, тем больше в ней желателен графит. Но графит является наиболее дорогой добавкой, поэтому его содержание в краске стараются ограничить. Чем крупнее форма, тем больше в ней желательно иметь графита. При изготовлении неразъемных форм для возмещения угара углерода в стали углистые составляющие могут быть частично добавлены и в краски для стального литья.

Плавящиеся добавки подбираются по составу того элемента, который желательно ввести в состав поверхности металла отливки, и по признаку огнеупорности. По этой второй причине предпочтение отдается часто высокоуглеродистым ферросплавам, обладающим более низкой температурой плавления, чем низкоуглеродистые ферросплавы.

Диффундирующие добавки должны образовывать твердые растворы с металлом отливки и обладать достаточно малым атомным радиусом. Этим требованиям удовлетворяет небольшое количество добавок. К их числу относятся: углерод, теллур, бор, азот, сера и водород. Практическое применение нашли сера, углерод и теллур. Углерод вводится в краску в виде древесного угля или содового карбюризатора, применяемого для цементации. Теллур применяется в виде порошка, просеянного через сито с размерами меньше 0,05 мм.

6.3.Связующие и специальные добавки

Вкачестве связующих добавок в красках используются главным образом водорастворимые добавки и глины. Они распределяются более равномерно. К наиболее распространенным относятся патока, барда сульфитного щелока, жидкое стекло. Глина прибавляется в краску не только как связующая добавка, но и как добавка, препятствующая расслоению краски. Пред-

60