книги из ГПНТБ / Разумов, В. Н. Технология литейного производства учеб. пособие

В чугунах и сталях в значительных количествах ра­ створяются кислород, азот и водород. Объем поглощен­ ных жидкими железо-углеродистыми сплавами газов, как свидетельствуют Ю . А. Нехендзи и Н. Г. Гиршович, может доходить до 10—20 объемов самого металла.

Кислород в сталях и чугунах находится главным об­ разом в виде растворимых и нерастворимых окислов. Нерастворимые в металле S i0 2, А120з, МпО и некоторые другие образуют сравнительно инертные включения раз­ ной величины. Растворимая в расплаве FeO обладает большой скоростью диффузии, заметной химической ак­ тивностью и участвует во многих процессах химического взаимодействия как внутри расплава, так и на границе металл — форма.

В мягкой стали при 1650° С в виде FeO может нахо­ диться до 0,35—0,40% кислорода. Заметим, что 0,01% кислорода в стали или чугуне соответствует примерно 7 см3/Ю0 г расплава, т. е. 50% от объема металла. Сле­ довательно, расплавленная сталь может поглотить в ви­ де FeO до 20 объемов кислорода. С понижением темпе­ ратуры растворимость кислорода падает: при темпе­ ратуре плавления в мягкой стали она не более 0,22— 0,21%, а в холодной спокойной стали — не более 0,01%.

Вчугунах, по мнению П. Н. Бидуля, Г. Ю. Шульте

иК- М. Анкваб кислород в виде FeO может растворять­

ся до 0,002 — 0,005%. Избыток кислорода реагирует с углеродом расплава и удаляется из металла в виде га­ зообразного СО , растворимость которого чрезвычайно мала. В твердых отливках из серого чугуна Л . И. Леви нашел кислорода от 0,0008 до 0,0016%, причем он рас­ пределялся между различными окислами примерно в следующем соотношении: S i0 2 от 30 до 70%, А120з от 20 до 50%, FeO от 3 до 17%, МпО до 10%• В некоторых количествах имелись также СаО и MqO.

Азот в чугунах и сталях находится в виде нитридов и в растворенном состоянии. По данным Я. И. Медве­ дева растворимость азота в чистом железе зависит от температуры металла так, как показано на рис. 54. В ста­ лях и чугунах азота обычно находится от 0,002 до 0,01%, что соответствует 0,16—0,8 см3/100 г металла. Если же содержание азота увеличивается, то в момент затверде­ вания расплава наблюдается бурное выделение его, ко­ торое принято называть азотным кипением.

112

Рис. 54. Растворимость азота и водорода в чистом железе, расчетные данные о давлении молекул водорода в стали

Наибольшее внимание металлургов обращено на ра­ створимость и поведение в сплавах водорода. Этот газ в атомарном состоянии легко поглощается металлами и быстро диффундирует внутри расплава или твердого изделия до тех пор, пока не достигнет какой-либо поры. Здесь атомы водорода соединяются в молекулы, теряют способность к быстрой диффузии и накапливаются. В итоге в этих местах увеличивается давление газа. На рис. 54, кроме данных о растворимости азота в чистом железе, приведены данные о растворимости в нем водо­ рода и данные теоретических расчетов давления водоро­ да в местах его скопления при достижении термодина­ мического равновесия между Н и Н 2 в металле. Эти дан­ ные свидетельствуют о том, что при содержании в стали более 0,001 % водорода (более 11 см3/100 г металла) давление его в металле к началу затвердевания превы­ шает атмосферное и наблюдается бурное выделение га­ за из металла, которое называют водородным кипением. Если содержание водорода в затвердевшей стали превы­ сит 0,0001% (1,1 см3/100 г металла), то его давление в местах скопления молекул Н 2 может превысить проч­ ность стали и тогда газовые пузырьки будут разрывать металл, образуя в нем трещинки. Отливки, пораженные трещинками, непригодны для эксплуатации из-за потери прочности металла.

в высушенных формах из-за наличия в них адсорбиро­ ванной или кристаллизационной влаги, но наибольшее развитие получает в сырых формах. В результате этой реакции интенсивно окисляется поверхность отливки и металл насыщается водородом. Так, в опытах, прове­ денных В. П. Каленовым и Ю. А. Нехендзи, обнаружено увеличение содержания водорода в стали при влажности формы в 1,5% до 6,8 см3/100 г, а при влажности в 8% — даже до 9,0 см3/100 г.

В высокопрочных чугунах после обработки расплава магнием всегда содержится некоторое количество M gS. Вступая во взаимодействие с влагой формы по реакции M g S + H 20 = M g 0 + H 2S, оно служит причиной образо­ вания газообразного сероводорода в поверхностных сло­ ях металла и появления своеобразных газовых раковин

вотливках.

Вкерамических формах, полученных по выплавляе­

мым моделям, гелеобразный S i0 2 при нагреве от зали­ того металла может реагировать с оставшимися в стенке формы С „Н 2т или с С металла. В результате реакций образуется газообразный окисел SiO , часто служащий причиной появления газовых раковин в отливках. При понижении температуры 2SiO превращается в Si и S i0 2. Кремний растворяется в металле, a S i0 2 покрывает тон­ ким слоем внутреннюю поверхность раковин.

При заливке в металлические формы большое значе­ ние приобретают реакции между окислами железа рас­ плава и углеродом формовочной краски или между окислами железа, находящимися на поверхности формы, и углеродом краски или расплава: FeOM+ C $ = FeM+ C O или РеОф+СфМ= Р ф + С О . Они особенно опасны, когда металлическая форма покрыта ржавчиной, состоящей из

гидраты железа. Расчеты показывают, что миллиграмм ржавчины выделяет при 1360° С 1,89 см3 газа СО и зна­ чительное количество пара.

Приведенные примеры, не исчерпывая возможных случаев взаимодействия, достаточно наглядно показыва­ ют, как разнообразны реакции образования газообраз­ ных продуктов на границе металл — форма.

Инжекция воздуха струей расплава при гравитаци­ онной заливке приводит к появлению цепочки газовых пузырей, расположенных по траектории их движения в расплаве в период заполнения полости формы. Напом­ ним, что эта траектория, как и для шлаковых частиц, определяется путями всплывания под действием архиме­ довой силы, перемещения в расплаве под действием пье­ зометрического напора и движения самого расплава. Вначале инжектированный воздух не отличается от ат­ мосферного, но в расплаве он насыщается газами, выде­ ляющимися из металла. При этом меняется не только состав, но и размеры газовых пузырей. И все же опас­ ность от инжектированного воздуха будет не велика, ес­ ли сконструировать литниковую систему для гравитаци­ онной заливки так, чтобы избежать образования в ней вакуума и инжекции воздуха.

Иное положение наблюдается при литье под давле­ нием. Здесь воздух из камеры прессования часто впры­ скивается через питатели вместе с расплавом в полость формы и, смешиваясь с воздухом полости формы, не ус­ певает удалиться из металла. Отливки в значительной степени поражаются газовыми раковинами и порами, причем меры борьбы с ними пока еще до конца не раз­

степенно приближалось к нулю.

В стенках металлических и керамических форм встре­ чаются глухие трещины и поры. Воздух, находящийся в них, также надо своевременно удалять, чтобы не допус­ кать его прорыва через расплав, когда последний пере­ кроет трещину или пору. Однако, если для удаления га­

116

зов из полости формы достаточно сделать соответству­ ющие газоотводные каналы, то для отвода газов из трещин и пор приходится на поверхности формы созда­ вать пористый слой, для чего форму окрашивают специ­ альными формовочными красками.

Г азы в полости формы не постоянны по составу. А. В. Кузин и Я- Е. Чивиксин провели анализ изменения состава газов в полости открытых, полузакрытых и за­ крытых песчаных форм. Результаты их работы приведе­ ны на рис. 55.

Рис. 55. Изменение состава газов в полости песчаной формы:

а — открытой, б — полузакрытой, в — закрытой

Приведенные данные свидетельствуют о том, что над расплавом в полости формы происходит реакция окисле­ ния углерода кислородом воздуха и смешивание воздуха с газами, выделяющимися из стенок формы.

Очевидно, литейные формы, совершенно не выделя­

в лаборатории в таких формах. Он запаял нижние кон­ цы трубок из плавленного кварца, верхние концы офор­ мил в виде заливочных воронок и заливал в полученные формы расплавленную сталь. Слиточки оказались глад­ кими с синеватой поверхностью без каких-либо дефектов газового происхождения. Синеватый цвет отливок сви­ детельствовал, что на поверхности стали образовались окислы железа толщиной в два—три молекулярных слоя. Для большего окисления в форме и на гладких ее стен­ ках не хватало кислорода и паров воды. Проведенный опыт подтвердил, что негазотворные с гладкой стекло­ видной поверхностью формы практически не оказывают

117

дополнительного влияния на газовый режим и качество получаемых отливок. Но изготовлять такие формы с не­ обходимой экономичностью в производственных услови­ ях мы еще не умеем.

Пористые керамические формы, изготовленные по выплавляемым моделям или иными способами, а также металлические формы отнести к негазотворным уже нельзя, так как в порах и трещинках этих форм адсор­ бируется воздух. Керамические формы часто содержат

встенках остатки органических веществ и минералы, диссоциирующие при нагреве. Металлические формы по­ крыты окислами или ржавчиной и окрашены формовоч­ ной краской, содержащей газообразующие вещества. Все это приводит к выделению газов, хотя их количество сравнительно невелико.

Наиболее полно процессы газообразования происходят

встенках форм из песчаных смесей. Я. И. Медведев по­ казывает, что на 1 см2 поверхности контакта такой фор­ мы с расплавом за первые три минуты может выделить­ ся до 30—40 см3 газа. Если принять толщину стенки от­ ливки, равной 20 мм, то выделившийся газ составит

около 430—570 см3/100 г металла. Это примерно в 100 раз больше содержания газа в самом расплаве и в 20 раз превосходит предел растворимости газов в жид­ ком чугуне.

Выделение газов из стенок песчаных форм и стерж­ ней зависит от степени их прогрева и от состава формо­ вочной или стержневой смеси. Мы знаем, что в процессе исторического развития технологии литейного производ­ ства составы формовочных смесей изменялись. Теперь для их приготовления применяют не только песок, гли­ ну и воду, но и различные органические материалы, ог­ неупоры и минералы, органо-минеральные вещества и специальные растворители. Рецептура смесей стала чрезвычайно разнообразной. Какие же процессы, связан­ ные с газовыделением, могут происходить при нагреве форм, изготовленных из различных смесей?

мер, ацетона и спирта). Однако остаточное содержание их в стенках форм и стержней обычно невелико, поэто­ му и их влияние на газовыделение также незначительно.

Влага в формовочных и стержневых смесях находит­

118

ся в различных состояниях. В крупных порах между пес­ чинками— в свободном состоянии. В тонких капиллярах влага связана физико-механическими силами. На по­ верхности песчинок, в составе мицелл и коллоидных ча­ стиц она связана физико-химическими силами. Естест­ венно, что для испарения свободной и связанной влаги приходится затрачивать разную энергию. Поэтому в ус­ ловиях литейной формы влага наиболее интенсивно ис­ паряется в интервале температур от 100 до 150—200° С. Напомним, что нагревшись до 1360° С 1 г влаги превра­ щается в 7440 см3 пара и потому испарение влаги — один из главных источников газообразования в сырых формах.

В сухих формах и стержнях влага может присутст­ вовать только при неполной просушке или из-за впиты­ вания из атмосферы, если смеси гигроскопичны. Следует подчеркнуть особую опасность образования водяного па­ ра в недосушенных формах, когда ему не обеспечен вы­ ход в атмосферу через стенку формы. Пар начинает прорываться через расплав и возникает аварийная ситуа­ ция. Автор был свидетелем, как при заливке 60-тонной чугунной отливки, из-за недосушенности нижней части формы, парами воды было выброшено из формы более 5 тонн расплава. Металл долетел до крыши цеха, на вы­ соту около 30 м. Только большой опыт рабочих, своевре­ менно прекративших заливку и эвакуировавшихся из опасной зоны, позволил избежать ожогов людей. Отлив­ ку спасти не удалось.

При нормальном отводе паров воды через стенку фор­ мы последние попадают в зону, где температура стенки ниже 100° С, и начинают конденсироваться. В зоне кон­ денсации увеличивается влажность и происходит заку­ порка газоотводящих пор. Последнее опасно из-за сни­ жения скорости отвода газов от остальных компонентов смеси. Вот почему литейщики всегда особо строго регла­ ментируют влажность смесей.

Нагрев смесей выше 150—200° С вызывает термо­ деструкцию нетермостойких органических веществ. При температурах выше 400° С начинается термодеструкция термостойких органических веществ и выше 600° С орга­ но-минеральных веществ. Термодеструкция органики приводит к образованию газов, состоящих в основном цз Нг, СО и углеводородов различного состава, а также

119