5.1. Механический пригар

Этот вид пригара образуется вследствие проникновения рас­плавленного металла в поры формы. Учитывая то, что этот процесс является не механическим, а представляет собой комплекс физико-химического взаимодействия расплава с материалами литейной формы (смачивание, капиллярное взаимодействие и т.п.), профессор

И.В. Валисовский [19] совершенно справедливо предложил назы­вать этот вид пригара не «механическим», а «металлизированным». Однако, учитывая общепринятую терминологию, мы в дальнейшем будем именовать этот вид пригара «механическим».

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 (капилля­ры) формы начинается не сразу, поскольку формовочные материалы подбирают так, чтобы они не смачивались жидким металлом.

В этих условиях, как известно, возникает капиллярное противо­давление Р_к, 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 Р_гг, 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:

Р_м>Р_к+Р_г-Р_ф, (5.1)

где Р_м - металлостатическое давление в форме;

Р_к - капиллярное противодавление формы;

Р_г - газовое противодавление формы;

Р_ф - давление газов в форме.

Металлостатическое давление, при котором начинается проник­новение расплава в капилляры формы и стержня, называется крити­ческим и может быть представлено в виде

Ри= h_M * γ _м *q, (5.2)

где h_M и γ _м - соответственно высота столба и плотность расплавлен­ного металла;

q - ускорение свободного падения.

Учитывая то, что большинство отливок изготавливается в фор­мах, имеющих выпоры или открытые прибыли, до минимума сни­жающие давление газов в форме (Рф), этим значением в (5.1) можно пренебречь. Величина Р_г также относительно невелика, особенно при изготовлении крупных отливок. В связи с этим условие про­никновения расплавленного металла в поры формы может быть представлено в виде

P_M≥P_K=2σ₁₂cosΘ/r, (5.3)

где σ₁₂- поверхностное натяжение расплава;

Θ - краевой угол смачивания расплавом формовочной смеси;

- радиус пор формы или стержня.

Из уравнения (5.3) видно, что Р_к зависит от свойств расплава и формы.

В холодной форме, если давление металла на ее стенку равно критическому, металл проникает 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 оксиды смачивают формовочный материал. Связано это с тем, что оксиды металлов вступают во взаимодействие с оксидом крем­ния кварцевого песка с образованием легкоплавких соединений типа фаялита (2FeO*SiО₂), родонита (MnO*SiO₂), тефроита (2MnO*SiO₂) и др. С возникновением оксидных или силикатных легкоплавких фаз проникновение сплава в поры смеси существенно облегчается, так как повышается смачиваемость взаимодействующих фаз, что значительно увеличивает вероятность проникновения расплава в поры формовочной смеси.

Сплошное или частичное пропитывание выступающих частей формы или стержней называют металлизацией, а проникновение металла в отдельные сравнительно большие трещины и поры - про­сечкой.

Чтобы предотвратить механический пригар, надо прежде всего уменьшить размер пор в поверхностном слое формы. Для этого применяют мелкие пески или в крупные и среднезернистые пески вводят мелкие фракции, в том числе пылевидный кварц. Резко сни­жает механический пригар на отливках уплотнение формовочной смеси прессованием под давлением 1,0-1,5 МПа. Наблюдающееся при прессовании увеличение плотности формовочной смеси с 1400 кг/м³ (твердость 65 ед.) до 1600 кг/м³ (твердость 85 ед.) почти вдвое снижает возможность проникновения расплава в поры по­верхности формы в период ее заливки.

Для предупреждения механического пригара широко применяют различные покрытия - краски, пасты и натирки, поскольку они так­же уменьшают пористость поверхностного слоя форм и стержней. В противопригарные краски для стальных отливок рекомендуют до­бавлять сильные окислители, которые превращают металл, просо­чившийся между зернами формовочной смеси, в легкоотделимые рыхлые оксиды и тем самым предотвращают образование пригара.

При получении крупных, преимущественно стальных отливок, для предупреждения образования механического пригара применяют спекающиеся смеси и покрытия из хромистого железняка.

Особо ответственные отливки изготовляют в формах, облицован­ных смесью из огнеупорных материалов с высокой теплоаккумулирующей способностью, например хромомагнезита или циркона. Об­ладая повышенной охлаждающей способностью по сравнению с кварцевым песком, эти смеси уменьшают механический пригар, снижая глубину проникновения расплава примерно вдвое. Противо­пригарные краски, приготовленные из материалов с повышенной теплоаккумулирующей способностью, не оказывают охлаждающего воздействия на отливки ввиду незначительной толщины слоя.

В краски для отливок из чугуна и медных сплавов добавляют газотворные вещества (древесный уголь, каменный уголь, кокс, пек и др.). Газы, выделяющиеся при сгорании этих веществ, повышают газовое давление в порах смеси и препятствуют проникновению металла.

В последующих параграфах настоящего раздела будут более подробно изложены основные методы борьбы с механическим при­гаром на поверхности как чугунных и стальных отливок, так и от­ливок из цветных сплавов.