5.4. Противопригарные добавки в формовочных смесях

Многолетний опыт работы литейных цехов показывает, что уст­ранение пригара на поверхности чугунных отливок достигается введением в состав формовочной смеси углеродистых добавок. До недавнего времени существовало несколько гипотез противопри­гарного действия углеродистых добавок. Согласно одной из них выгорающие углеродистые добавки способствуют образованию га­зовой прослойки или газообразных продуктов термического разло­жения добавок на поверхности раздела «металл - форма», что уменьшает вероятность непосредственного контакта металла и формы и препятствует образованию пригара. Однако исследова­ниями установлено, что максимальное давление газовой фазы на поверхности раздела «металл - форма» составляет обычно менее 25% давления, необходимого для уравновешивания металлостатического давления (Р_м). Поэтому защитное действие газовой про­слойки если и проявляется, то лишь в микрообъеме и не оказывает преобладающего влияния на предотвращение пригара.

Согласно другой гипотезе продукты термического разложения углеродосодержащих добавок образуют восстановительную атмо­сферу на поверхности раздела «металл - форма», исключая появле­ние оксидов железа и легкоплавких ферросиликатов и формирова­ние химического и механического пригара. Однако исследованиями установлено, что присутствие даже следов кислорода на поверхности жидкого чугуна поддерживает окислительные условия, несмот­ря на присутствие значительного количества восстановительных газов в поверхностном слое полости формы, образующихся в ре­зультате сгорания углеродосодержащих добавок. В связи с этим данный механизм нельзя считать обоснованным в процессе устра­нения пригара на чугунных отливках.

На наш взгляд, главным фактором чистоты поверхности чугунных отливок является наличие в поверхностном слое плотности формы тончайшей пленки «блестящего» углерода (пироуглерода) - продукта термического разложения углеродосодержащих добавок, который служит препятствием образованию ферросиликатов и не смачивается жидким чугуном. Формирование «блестящего» углерода определяет­ся двумя главными факторами: природой летучих углеводородов и температурой их термического разложения. Из исследований, свя­занных с расщеплением продуктов нефтепереработки, известно, что наибольшей склонностью к образованию «блестящего» углерода об­ладают высокомолекулярные ароматические углеводороды.

Для оценки противопригарных свойств различных углеродистых материалов используется метод ускоренного определения выхода «блестящего» углерода или пиролитической способности материа­ла. Этот способ основан на определении массы мелкокристалличе­ского углерода, осаждающегося из газовой фазы противопригарно­го материала, нагретого до температуры 850 °С.

Количественный выход углеродистых образований из различных противопригарных добавок и формовочной смеси определяется с помощью прибора, представленного на рис. 5.1.

160

Рис. 5.1.Прибор для количественного определения продуктов пиролиза

Прибор для анализа состоит из 40-миллиметровой кварцевой трубки 1, заполненной кварцевой ватой 2, и кварцевого тигля 3 для испытываемой навески. С одной стороны трубка соединяется с тиг­лем с помощью шлифа 4, в другом конце имеется 5-миллиметровое отверстие для выхода газов 5. Для устранения пристеночного эф­фекта при движении газов в трубке устанавливаются две кольцевые диафрагмы 6.

Для осуществления анализа прибор с испытываемой навеской помещают в муфельную печь на подставке 7, где он выдерживается в течение трех минут при температуре 850 °С. Затем прибор охлаж­дают в эксикаторе в течение 30 мин при температуре 20±3 °С. Вы­ход «блестящего» углерода из исследуемого материала рассчитыва­ется по формуле

где т₂ - масса трубки прибора с адсорбированным углеродистым образованием, т.е. после опыта (г);

т₁ - масса пустой (до начала опыта) прокаленной трубки (г);

а - масса навески анализируемого материала (г), обычно 0,1-0,3 г.

Противопригарные добавки могут вводиться в смеси как в виде порошка, так и в жидком состоянии. Распределение противопригар­ных добавок в песчано-бентонитовой смеси представлено на рис. 5.2.

Если порошкообразная противопригарная добавка вводится непо­средственно в смеситель, то, как правило, имеет место ее неравномер­ное распределение по объему смеси (рис. 5.2,а). При подаче противо­пригарной порошкообразной добавки через бентонитовую суспензию достигается значительно более равномерное распределение ее по оболочке связующего материала (рис. 5.2,6). В результате эффектив­ность использования противопригарной добавки резко возрастает.

При подаче жидкой противопригарной добавки непосредственно в смеситель имеет место неравномерное «пятнообразное» распреде­ление ее по объему смеси (рис. 5.2,в). В случае введения жидкой противопригарной добавки в бентонитовую суспензию достигается наиболее равномерное распределение композиции по поверхности зерен наполнителя (рис. 5.2,г).

Рис. 5.2. Схема распределения твердых и жидких противопригарных добавок при

различном их вводе в формовочную смесь: 1 - кварцевая песчинка; 2 - пленка

бентонита; 3 - противопригарная добавка; 4 - газовая пора

В случае когда используется гидрофобная противопригарная до­бавка, ее наиболее эффективно превращать в водную эмульсию и вводить в смесь совместно с бентонитовой суспензией. Этим обес­печивается послойное распределение жидких компонентов по по­верхности наполнителя (рис. 5.2,д), когда пленка противопригарной добавки (3) находится на поверхности системы. Это позволяет наи­более эффективно использовать противопригарные свойства добав­ки, так как именно она контактирует в форме с расплавом и обеспе­чивает в результате выделения «блестящего» углерода устранение пригара на поверхности чугунной отливки.

В настоящее время известно достаточно большое количество противопригарных углеродосодержащих добавок, используемых в составах песчано-глинистых смесей при изготовлении чугунных

160

отливок (табл. 5.2). Эти добавки обладают высоким выходом «бле­стящего» углерода. Опыт работы отечественных и зарубежных ли­тейных цехов показал, что наиболее часто применяемой противо­пригарной добавкой в составе песчано-глинистых формовочных смесей является каменноугольный порошок, обладающий сравни­тельно низкой стоимостью, доступностью и эффективностью.

Таблица 5.2 Характеристики противопригарных добавок

Материал	Содержание углерода, %	Выход «блестящего» углерода, %	Выход летучих веществ, %	Коксующийся остаток, %
Каменноугольный порошок (Г, Ж)	82-87	7,0-12,0	31-41	55-60
Мазут топочный	-	22-30	90-97	2,0-3,0
Битумный пек	85-95	30-40	55-68	25-35
Торф	55-65	5,0-6,0	65-70	25-30
Полистирол	-	35-45	95-99	1,0-2,0
«Кероген-70»	89-90	25-30	70-75	30-35
Гидрофобизатор «ГФК-1»	65-80	30-40	75-85	20-30

Как видно из данных, представленных в табл.5.2, при относи­тельно одинаковом количестве летучих веществ выход «блестяще­го» углерода может быть различным. Это связано с отличием структуры органической составляющей добавок, а не с их общей газотворностью, так как максимальное количество «блестящего» углерода дают соединения с непредельной структурой ароматиче­ского ряда. При этом выделение «блестящего» углерода происхо­дит, как правило, постепенно, начиная с 250-300 °С, когда из углеродосодержащей добавки выделяется газовая фаза, из которой при температуре более 600 °С образуется «блестящий» углерод, осе­дающий на поверхности кварцевых зерен в виде тонкой пленки. Благодаря высокой адгезии к зернам кварца и несмачиваемости жидким чугуном, «блестящий» углерод не проникает в поры формы ^и тем самым предотвращает возможность образования пригара.

Количество противопригарной добавки в смеси прямо пропор­ционально выходу «блестящего» углерода. Так, если сравнить ка­менноугольный порошок и гидрофобизатор, то для одинакового выхода «блестящего» углерода расход последнего в смеси должен быть в 3,5-4 раза меньше, чем угля. При этом следует учитывать, что избыток «блестящего» углерода в форме может привести к не­желательным последствиям, например к образованию «складчато­сти» или, как это указано в иностранных источниках, «рыбьей че­шуи» на поверхности отливок. Эта «рыбья чешуя» не что иное, как отложившийся на поверхности отливки «блестящий» углерод, ко­торый достаточно легко удаляется в процессе очистки отливки.

Оптимальным вариантом следует считать применение углей с со­держанием углерода около 87%, имеющих максимальные пластиче­ские свойства при температуре около 500 °С. В составе единых фор­мовочных смесей следует использовать угли с 25-35% летучих ве­ществ и выходом «блестящего» углерода не менее 10%. Грануломет­рический состав каменноугольной добавки должен примерно соот­ветствовать зерновой структуре применяемого кварцевого песка.

Использование каменного угля в тонкоразмолотом (пылевидном) состоянии нерационально, так как при этом ухудшаются физико-механические и технологические свойства формовочных смесей (га­зопроницаемость, прочность при разрыве в зоне конденсации влаги), а также значительно возрастает скорость газовыделения. По зерно­вому составу применяемый каменный уголь должен соответствовать песчаной основе смеси. Для работы на автоматических линиях целе­сообразно применять угли с размером зерна 0,16-0,315 мм при со­держании этих фракций в общем объеме противопригарной добавки 65-85%. При машинной формовке встряхиванием с подпрессовкой используют угли более тонкого измельчения (0,063-0,2 мм).

К недостаткам каменноугольной противопригарной добавки сле­дует отнести низкий выход «блестящего» углерода, накопление в процессе оборота смеси мелочи, снижение газопроницаемости сме­си при использовании дисперсного молотого угля, ухудшение сани­тарно-гигиенических условий работы. Для устранения этих недос­татков практикуют применение композиций из углеродосодержа-щих материалов (жирного или коксующегося каменного угля, пека, битума, керогена, торфа и др.).

Известно также использование жидких углеродосодержащих до­бавок, например мазута, гидрофобизатора. Однако эти компоненты в составе песчано-бентонитовых смесей вызывают обильное дымовыделение, что нецелесообразно по санитарно-гигиеническим усло­виям. К жидким противопригарным добавкам относят также битуминизированные эмульсии, газойль, петролеум и др. Преимущест­вами жидких противопригарных добавок являются повышение про­тивопригарных свойств, улучшение условий автоматического дози­рования в бегуны, повышение газопроницаемости смесей путем уменьшения содержания мелочи, улучшение санитарно-гигиени­ческих условий, сокращение объемов складских помещений. К недостаткам жидких углеродосодержащих добавок следует отнести уменьшение эффективности их действия с увеличением толщины стенок отливок.

Содержание противопригарных добавок в составе формовочных смесей составляет: природного молотого каменного угля 3,0-6,0%, синтетических композиций 1,6-2,0%, жидких углеродосодержащих материалов 0,75-2,0%.

Предотвращение пригара на поверхности стальных отливок не может осуществляться введением в состав смеси углеродосодержа­щих добавок, так как использование в этом случае последних, во-первых, неэффективно, и, во-вторых, может привести к науглеро­живанию поверхностного слоя стальной отливки. Поэтому при ис­пользовании в технологии изготовления стальных отливок сырых песчано-глинистых смесей наиболее эффективными являются окис­лительные добавки, образующие при соприкосновении с расплавом так называемый легкоотделяемый пригар [19,20]. В качестве таких добавок рекомендуется использовать хлориды, фториды, пятиокись ванадия, сульфат натрия и алюминия и др. Например, добавка в песчано-глинистую смесь 0,2-0,5% хлористого натрия позволяет не только получать на поверхности отливки легкоотделяемый пригар, но и повышать прочность смеси. К аналогичным результатам при­водит использование в качестве окислительных добавок 0,5-0,7% технического сульфата натрия, 0,4-0,5% гематитовой руды, 0,7-0,8% железистого шлака конверторного производства и других ок­сидных материалов.

Механизм образования легкоотделимого пригара может быть пояснен с помощью схем, представленных на рис.5,3

При наличии между металлом и пригарной коркой слоя оксидов железа достаточной толщины около 100 мкм (рис. 5.3,а) образуется так называемый легкоотделимый пригар. В случае когда толщина слоя оксидов меньше оптимальной (рис. 5.3,6), на поверхности от­ливки образуется трудноотделимый пригар. На рис. 5.3,в представ­лена схема перехода от оксидов железа к кварцу за счет образова­ния раствора оксидов железа в кварце, фаялите, шпинелях или дру­гих более сложных фазах, очень тонкие пленки которых не всегда удается обнаружить даже методом рентгеновского анализа.

Легкое отделение пригарной корки от оливки происходит в ре­зультате образования толстой (около 100 мкм) пленки оксидов же­леза между поверхностью отливки и пригарной коркой, что имеет место обычно на наружных поверхностях стальных отливок. При этом между оксидами железа и кварцем может образовываться стекловидная фаза, цементирующая песчинки. Самопроизвольное отделение пригарной корки происходит по слою закиси железа. В легкоотделяемых пригарных корках больше вюстита, чем в трудно-отделяемых.

Самопроизвольное отделение пригарной корки обусловлено воз­никновением в пленке оксидов железа больших внутренних напря­жений, превышающих ее прочность при разрыве. Этому же в значи­тельной степени способствует и усадка отливки.

На практике часто наблюдают, особенно на крупном стальном литье, что с отливки легко снимается толстая металлизированная корка пригара, так как связь ее с поверхностью отливки в результа­те окисления и усадки разорвалась. Следовательно, если проникшие в поверхность формы прожилки металла окислялись полностью, то происходит легкое отделение пригарной корки от отливки.

Скорость образования оксидов железа на поверхности стальной отливки увеличивается при введении в формовочную смесь выше­указанных окислительных солей (хлоридов, фторидов, сульфатов, карбонатов и др.) и оксидов (марганцевой или железной руды, пятиокиси ванадия и др.).