книги / Физико-химические основы литейных процессов.-1

Пористость смесей на основе песка с мелкими и угловатыми зернами может превышать теоретическую пористость при наименее плотной (кубической) укладке шаровых зерен. Однако это не означает, что повышенная пористость смесей на основе песков с угловатыми зернами является нежелательным явлением, так как пористость еще не свидетельствует о размере пор, через которые может проникать расплав. Действительно, если при использовании угловатых зерен не только пористость, но

иплощадь сечения каждой поры больше, чем при использовании округлых зерен, то радиус окружности, вписанной в эту неправильной формы пору, может быть меньше, например, из-за слишком вытянутой формы последней. Нужно иметь в виду, что при уменьшении зерен песка пористость смеси может либо оставаться постоянной, либо несколько увеличиваться (на 5–7 % относительных), но размер пор (наиболее важная характеристика смеси с точки зрения образования пригара) уменьшается прямо пропорционально размеру зерен песка. Один из способов предотвращения пригара – использование смесей на основе мелкозернистых песков, но при этом необходимо учитывать

инекоторые отрицательные последствия, например снижение газопроницаемости, огнеупорности и другие. Еще раз выделим, что совокупная характеристика размеров и количества пор в теле, то есть занимаемого порами суммарного пространства, называется пористостью.

1.3. Влияние состава смеси

На поровые характеристики смеси влияют не только размер зерен песка и их форма, но и количество и свойства остальных компонентов: связующих, отвердителей и других. Кроме того, на пористость и размеры пор влияют параметры технологического процесса изготовления форм и стержней: степень уплотнения, скорость отверждения, конфигурация моделей и стержневых ящиков и другие. Поэтому описать закономерности изменения

11

пористости всех применяемых в литейном производстве смесей невозможно. Остановимся лишь на некоторых из них.

В жидкостекольной смеси на основе кварцевого песка марки К02 большая часть пор имеет r = 20÷30 мкм, много пор имеют r = 40÷100 мкм. Пор диаметром > 300 мкм в смеси нет. Укладка зерен в жидкостекольной смеси, приготовленной на основе кварцевого песка с округлыми зернами, при стандартном уплотнении является промежуточной между призматической и пирамидальной. Диаметр большинства пор < 0,41 и > 0,15 среднего диаметра зерна песка.

Поровые характеристики песчано-глинистой смеси с 10 % глины незначительно отличаются от характеристик жидкостекольных смесей.

В хромомагнезитовой смеси практически все поры имеют r = 8÷20 мкм, число более крупных пор ничтожно мало. Различие порометрических характеристик двух смесей объясняется, прежде всего, различием зернового состава используемых песков. Зерновой состав хромомагнезитового песка представлен более мелкими фракциями, в том числе прошедшими сито 005–28,2 %, в отличие от кварцевого песка. Мелкие составляющие хромомагнезитового песка располагаются в порах, образованных более крупными зернами, и тем самым уменьшают пористость и размер пор.

При изготовлении стержней для крупных отливок холоднотвердеющие смеси с синтетическими смолами вследствие высокой текучести требуют минимального уплотнения, часто только местного уплотнения вручную на сложных по конфигурации участках. Однако экспериментальные данные свидетельствуют о неудовлетворительных порометрических характеристиках смесей с синтетическими смолами при ручном уплотнении: велико количество пор с r > 40 мкм. При стандартном уплотнении пористая структура смеси близка к структуре жидкостекольной смеси, и ее дополнительное уплотнение приводит к более благоприятному распределению зерен песка и ликвидации крупных пор.

12

1.4. Регулирование пористости смесей

Изменение пористости и размеров пор литейной формы должно подчиняться основной задаче – получению высококачественной отливки. Если в целях предотвращения металлизированного пригара необходимо уменьшать размеры пор, то с точки зрения обеспечения оптимального газового режима в литейной форме это увеличивает опасность образования газовых раковин в отливках. Кроме того, чрезмерное уплотнение (снижение пористости) уменьшает податливость смесей и увеличивает вероятность возникновения горячих трещин на отливках. Стержни, изготовленные из жидкой самотвердеющей смеси, обладают высокой газопроницаемостью (200 единиц и более) и хорошей податливостью, но вероятность образования на их поверхности металлизированного пригара значительно выше, чем на стержнях из уплотняемых смесей. При выборе метода регулирования пористости необходимо учитывать все возможные последствия изменения поровых характеристик литейной формы. Экспериментальные данные свидетельствуют, что при повышении плотности песчано-бентонитовой смеси от 1,4 до 1,6 г/см3 rэф уменьшается в два раза. Однако даже при максимальной плотности набивки, когда все зерна песка соприкасаются друг с другом, размер пор остается достаточным для образования пригара на отливках небольшой высоты (500–600 мм).

Максимальная плотность смесей на основе кварцевого песка без специальных добавок составляет при обычных методах уплотнения 1,7–1,75 г/см3 (здесь не рассматриваются методы прессования под высоким давлением, используемые в массовом производстве мелких отливок). Такая плотность обеспечивается при стандартном уплотнении образцов. Увеличение числа ударов копра с 3 до 12 практически не влияет на плотность смеси.

Увеличение плотности набивки смеси при изготовлении стержней и форм является не единственным способом улучшения поровой структуры и уменьшения опасности образования

13

пригара. Другим способом может быть использование мелкозернистых песков и некоторых дисперсных материалов в качестве добавок. Применение мелкозернистого песка [2, с. 9] как основы смеси приводит к уменьшению размеров пор пропорционально размеру зерен, но, с другой стороны, способствует снижению огнеупорности смеси и повышению опасности образования дефектов типа ужимин. Поэтому в практике литейного производства доказана большая целесообразность применения смеси крупных и мелких песков или введение в смесь добавок таких материалов, как маршалит.

Выбор смешиваемых песков и их количественное соотношение определяются размерами зерен и пористостью смеси. Исходя из рассмотренных выше типов укладки зерен и приняв, что реальная уплотненная формовочная смесь имеет поры диаметром, равным 0,3–0,35 диаметра зерна песка, легко увидеть, что наиболее эффективным будет смешение песков К063 с К02, К04 с К016, К015 с К01 и т.д. (см. табл. 6 [3, с. 28]). По тем же соображениям количественное соотношение крупных и мелких песков должно быть 70:30÷65:35. При приготовлении искусственных песков, например хромитовых или хромомагнезитовых, из глыб и кирпичей необходимо путем выбора оптимального режима помола и последующей классификации обеспечить максимально возможное количественное соответствие зерен различных фракций.

Наиболее распространенным методом уменьшения пористости и повышения противопригарных свойств смесей является применение добавок маршалита. В табл. 3 приведены поровые характеристики жидкостекольных смесей на основе кварцевого песка К02 с различным содержанием маршалита. По данным многих исследователей, образование металлизированного пригара практически предотвращается, если газопроницаемость смеси < 10 ед. Газопроницаемость песчано-маршалитовой смеси составляет 10 ед. уже при содержании 25 % маршалита, такая же газопроницаемость хромомагнезитовой смеси. Для сохранения

14

высокой огнеупорности смеси целесообразно в качестве дисперсной добавки вводить циркон или корунд, хотя оба эти материала стоят дорого и дефицитны. Естественно, что из-за опасности образования газовых раковин в отливках указанные смеси с низкой газопроницаемостью могут быть использованы только как облицовочные. Однако изготовление двуслойных форм

истержней приводит к значительному увеличению трудоемкости, так как процессы нанесения и уплотнения облицовочного слоя практически всегда осуществляются вручную. Кроме того, использование мелкозернистых добавок существенно увеличивает поверхность зерновой основы смеси и соответственно расход связующего для обеспечения заданной прочности. Это обстоятельство имеет не только экономическое, но и технологическое значение. Так, при использовании органических связующих введение мелкозернистых материалов уменьшает газопроницаемость

иодновременно увеличивает газотворность смеси, что резко повышает опасность образования газовых раковин. Это одна из основных причин, по которой в смоляные смеси не добавляют дисперсные материалы.

Таблица 3

Поровые характеристики песчано-маршалитовых смесей

Таким образом, в одних случаях существенно изменить поровые характеристики литейных форм и стержней с целью повышения их противопригарных свойств не представляется возможным, в других случаях – это связано с необходимостью использования двухслойных форм, с увеличением трудоемкости

15

изготовления форм и опасности возникновения иных дефектов. В то же время использование жидких самотвердеющих и смоляных смесей позволяет резко повысить производительность труда в формовочных и стержневых отделениях литейных цехов, облегчить выбивку стержней из отливок. Поэтому наиболее

распространенным методом предотвращения пригара является нанесение на поверхность форм и стержней противопригарных покрытий – паст и красок.

Обычные, применяемые в литейном производстве противопригарные покрытия после высыхания образуют на поверхности формы или стержня непроницаемый для металла слой толщиной 0,2–3 мм, который не влияет на поровую структуру формы и стержня.

Оптимальной является такая последовательность изменения свойств формы, при которой поверхность имеет поры, непроницаемые для расплава при давлениях, обычных для крупных отливок (до нескольких метров столба жидкого металла). Далее, по мере удаления от поверхности размер пор и пористость должны постепенно увеличиваться и на глубине 20–30 мм, соизмеримой с толщиной облицовочного слоя, достигать соответствующих характеристик смеси. При этом должно происходить плавное изменение прочностных свойств поверхностного слоя, создаваться наиболее рациональный газовый режим, устраняться область концентрации напряжений на разделе форма– покрытие, возникающая в результате затвердевания покрытия и последующего нагрева при заливке, сохраняться высокая газопроницаемость и хорошая податливость стержней и форм. Для обеспечения указанного характера изменения свойств в ЦНИИМаше были разработаны специальные, так называемые проникающие краски. Проникающие литейные краски – это

фит). Проникающие литейные краски проникают на глубину до 25 мм, уменьшая при этом пористость поверхностного слоя

16

формы из жидких самотвердеющих смесей с 50 до 30 %, а из набивных с 35 до 25 %. В качестве жидкой фазы предпочтительно использовать керосин, легко диффундирующий в форму.

1.5. Изменение пористости смеси при нагреве

Известно, что содержание в смеси около 30 % (объемных) мелкозернистых материалов приводит к значительному изменению порометрических характеристик уплотненных смесей в исходном состоянии. Введение в смесь маршалита значительно снижает ее огнеупорность. При высоких температурах мелкозернистые материалы способствуют более легкому спеканию смеси. В связи с этим важно изучение изменения при нагреве порометрических свойств смесей, содержащих добавки мелкозернистых материалов.

Введение в смеси таких мелкодисперсных материалов, как маршалит, циркон, корунд и дистен-силлиманит, является безопасным с точки зрения изменения поровой структуры стержней и форм при нагреве и увеличения опасности проникновения металла в поры смеси. Поровые характеристики хромомагнезитовых смесей при нагреве практически не изменяются. Хромитовые смеси, близкие по противопригарным и исходным поровым свойствам к хромомагнезитовым, при нагреве существенно изменяют свои поровые характеристики.

Наиболее существенные изменения порометрических характеристик происходят при прокаливании затвердевшей жидкой смеси. После нагрева до 600 ºС в смеси возрастает число и мелких, и крупных пор, а максимум порограммы (∆V/V, % = f, (r, мкм)) смещается в сторону пор больших размеров. Эти изменения объясняются тем, что при нагреве разрушается остаточная пена и раскрываются закрытые ранее поры. После прокаливания при 1200 ºС число мелких пор в смеси уменьшается, даже по сравнению с исходным состоянием, а число крупных возрастает,

17

и максимум кривой смещается еще дальше в сторону крупных пор. Эти изменения порограммы вызывают спекание связующего. Эффективный радиус пор в прокаленной смеси значительно больше, чем в исходной, и с точки зрения образования металлизированного пригара порометрические свойства прокаленной смеси ухудшаются. Однако в условиях заливки реальной литейной формы нагреву сопутствует статическое давление расплава, вызывающее деформацию жидких смесей (преимущественно, усадку) исоответственноуменьшение пористости иразмеров пор.

Приведенные данные достаточно убедительно показывают сложность процессов порообразования, протекающих в формовочных смесях при нагреве. Однако при правильно выбранных составах смесей и проникающих красок нет оснований опасаться заметного ухудшения поровой структуры стержней и форм при заливке.

18

2.ПРОНИКНОВЕНИЕ РАСПЛАВА В ПОРЫ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ

2.1.Поверхностное натяжение расплава

Соответствующие тепловые условия литейной формы предопределяют возможность начала проникновения расплава в поры формы, если металлостатическое давление равно или несколько больше капиллярного противодавления формы. Величина последнего, называемого критическим давлением РК, или давлением проникновения, зависит от поверхностного натяжения σ заливаемого в форму расплава, смачиваемости формы расплавом cosθ и размеров пор литейной формы.

Поверхностное натяжение расплава определяется главным образом химическим составом, но зависит также от условий выплавки (например, степени раскисления) и заливки формы (продолжительности заливки, состава атмосферы формы и т.п.).

В условиях литейного производства регулируемыми факторами, определяющими РК, могут быть степень раскисленности металла, величина смачиваемости выбранных для смесей формовочных материалов и размер пор литейной формы. Скорость заливки, связанная с вторичным окислением металла, задается, как правило, исходя из создания оптимальных условий питания отливки, предотвращения образования горячих трещин и других дефектов, и с точки зрения получения чистых от пригара отливок является нерегулируемым фактором.

Для оценки уровня капиллярного противодавления формы необходимо знать поверхностное натяжение расплава, заливаемого в форму. Имеющиеся в литературе данные противоречивы и колеблются для одного и того же материала в широком диапазоне. Например, для серого чугуна этот параметр по разным ис-

19

точникам составляет от 800 до 1200 мН/м (миллиньютон на метр и миллиджоуль, деленный на метр квадратный)). Такое колебание зависит главным образом от метода измерения (методы лежащей капли, давления в газовом пузырьке и т.д.) и условий проведения измерений (характер газовой среды, исходное состояние образца металла и т.п.). В табл. 4 приведены значения σ некоторых технических железоуглеродистых сплавов с учетом метода и условий определения (по данным Б.В. Царевского, С.И. Попеля, К.И. Ващенко, Б.С. Мильмана, И.В. Валисовского).

Необходимо учитывать, что σ сильно зависит от незначительных колебаний содержания поверхностно-активных компонентов сплавов, адсорбирующихся на поверхности «расплав – газовая среда». Для сплавов на основе железа наиболее поверхно- стно-активными элементами являются кислород, сера, углерод. Например, увеличение содержания кислорода от 0,01 до 0,06 % снижает σ от 1710 до 1300 мН/м. Аналогичным образом на σ влияют и другие поверхностно-активные элементы.

Одним из важных свойств формовочных материалов и смесей, а в итоге и формы, является смачиваемость их жидким металлом.

20