2.2 Экзогенные включения

Как уже отмечалось, экзогенные включения попадают в сталь механически. Это зерна огнеупоров, частицы печного шлака, с которыми металл соприкасается при выпуске из печи и в процессе разливки. В большей степени загрязняются отливки в сырых формах.

При заливке форм жидкая сталь с высокой скоростью передвигается по литниковой системе, оказывая на нее механическое и химическое воздействие. Большая площадь контакта поверхности форм и литников с жидким металлом способствует активной эрозии. Отрыв песчаных зерен и образующихся шлаков с поверхности проводки происходит непрерывно и с увеличением массы отливок возрастает. Например, в отливках массой 2-5 т скорость движения металла в литниках составляет более 1 м/с при удельном расходе стали 10-20 кг/с.

С повышением развеса отливок также возрастает длительность контакта жидкой стали с элементами формы, что усиливает эрозию песчано-глинистых форм. Как показала практика, для получения стали с минимальной загрязненностью экзогенными включениями необходимо соблюдать оптимальный интервал температур заливки форм, так как при увеличении температуры заливки загрязнение стали заметно повышается.

Степень загрязнения стали экзогенными включениями тесно связана с явлениями пригара – внедрения оплавленных песчаных зерен в поверхность тела отливок. Пригар в виде металло-керамической оболочки образуется в результате чрезмерно развитой эрозии поверхности форм и является грубейшим дефектом отливок, в ряде случаев приводящим к массовому браку. Пораженные пригаром отливки требуют зачистки для удаления дефектных зон, теряют товарный вид, выходят за пределы принятых размеров. Естественно, что с увеличением степени пригара соответственно возрастает и глубинное проникновение экзогенных включений.

Образование пригара и других дефектов поверхности отливок в значительной степени вызывается разупрочнением внутренней поверхности формы и стержней при контакте с жидкой сталью. Время, которое необходимо для образования корочки затвердевшего металла, должно быть меньше времени разупрочнения контактной поверхности противопригарного покрытия. Для предупреждения разрушения литниковых каналов при больших скоростях движения жидкой стали (крупные отливки) успешно применяют специальные шамотные трубки.

На эрозию формы оказывают влияние многочисленные факторы: состав стали, интервал ее кристаллизации, степень перегрева, поверхностное натяжение, размеры и конфигурация отливки, скорость движения металла в элементах формы и др. Попытки исследователей изучить воздействие отдельных факторов без их взаимной физико-химической связи приводили к неточным выводам и обобщениям. С этой точки зрения неправильно разделять явления поверхностного пригара на механические и химические.

Многочисленные опыты показали, что металл проникает в поры литейной песчаной формы только тогда, когда на его поверхности образуются оксидные пленки, содержащие закись и окислы железа, закись марганца и другие соединения, которые хорошо смачивают материал формы и поэтому легко просачиваются в поры между зернами песка. Следовательно, одна из существенных причин пригара – окисление поверхностных слоев металла. Окисление железа в контакте с воздухом протекает настолько быстро, что уже в течение первой секунды появляется оксидная пленка из окислов железа толщиной около 1 мкм. Можно предположить, что в процессе заполнения формы жидкой сталью формовочные материалы контактируют преимущественно с тяжелыми окислами. Образующиеся при этом легкоплавкие силикаты становятся цементирующей основой между металлом и зернами песка. Согласно гипотезе А. А. Рыжикова, на поверхности формы последовательно развиваются две реакции:

Fe_м + О_{пор. ф.} → FеО; FeO + SiO₂ → FeO · Si · O₂.

Образование окислов на поверхности стали происходит за счет кислорода не только пор формы, но и атмосферы формы.

Для стального литья очень важны качество и состав формовочных материалов. Поэтому литейщики много внимания уделяют разработке новых формовочных составов, обладающих меньшей реакционной способностью к марганцу, железу и их окислам. Например, применение более тугоплавких циркониевых песков в облицовочных и общих смесях улучшает качество поверхности стальных отливок, уменьшает пригар и снижает загрязненность экзогенными включениями.

Можно сделать вывод, что при производстве стального литья основная доля экзогенных включений образуется из материалов формы и их покрытий, причем их состав и огнеупорность имеют первостепенное значение.